高性能長(zhǎng)波紅外光譜技術(shù)面臨一個(gè)根本性挑戰(zhàn)：長(zhǎng)波紅外探測(cè)極易受熱噪聲干擾，傳統(tǒng)基于光柵色散或傅里葉變換架構(gòu)的光譜儀需要高效光學(xué)器件、高靈敏度探測(cè)器與精密光路對(duì)準(zhǔn)，導(dǎo)致系統(tǒng)復(fù)雜、成本高昂。得益于納米加工技術(shù)的進(jìn)步與計(jì)算光譜儀等新型架構(gòu)的興起，微型光譜儀研究取得了顯著進(jìn)展。超構(gòu)表面作為近十年快速發(fā)展的平面光學(xué)技術(shù)，憑借亞波長(zhǎng)尺度強(qiáng)大的光場(chǎng)操控能力，在器件微型化、光波色散工程與特殊波前控制方面展現(xiàn)出獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，也為微型光譜儀帶來(lái)了系統(tǒng)集成與高維光場(chǎng)分析的雙重潛力。同時(shí)實(shí)現(xiàn)寬帶工作、高分辨率、緊湊尺寸與低成本的全微型化長(zhǎng)波紅外光譜儀，仍是該領(lǐng)域亟待突破的難題。
據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，近日，暨南大學(xué)與中山大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)提出并實(shí)驗(yàn)演示了一種長(zhǎng)波紅外（LWIR）微型快照式計(jì)算光譜儀。該光譜儀僅由9個(gè)等離激元超構(gòu)表面單元構(gòu)成的陣列與一臺(tái)商用非制冷熱像儀組成，利用局域表面等離激元共振實(shí)現(xiàn)寬波段光譜編碼，結(jié)合壓縮感知算法與字典學(xué)習(xí)技術(shù)完成光譜重建。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該光譜儀在7~14 μm全長(zhǎng)波紅外波段內(nèi)實(shí)現(xiàn)了相對(duì)誤差小于1%的波長(zhǎng)精度，光譜分辨率最低可達(dá)約110 nm；成功演示了黑體光源寬帶光譜、乙醇液體吸收譜以及聚四氟乙烯、聚乙烯、聚氯乙烯三種聚合物薄膜的特征吸收譜重建，并可基于重建光譜實(shí)現(xiàn)材料分類識(shí)別。這一方案為便攜式、高性能、低成本的長(zhǎng)波紅外光譜分析工具提供了極具潛力的技術(shù)路徑。研究成果以“A Miniaturized Snapshot Spectrometer at Long-Wave Infrared Wavelengths”為題發(fā)表在Laser & Photonics Reviews期刊上。
光譜儀的架構(gòu)與工作原理
研究團(tuán)隊(duì)提出的長(zhǎng)波紅外光譜儀，核心由等離子體超構(gòu)表面陣列（PMSA）與商用熱像儀兩部分構(gòu)成。PMSA作為光譜編碼器，利用少數(shù)具有不同透射譜的超構(gòu)表面單元對(duì)入射長(zhǎng)波紅外光譜進(jìn)行調(diào)制；熱像儀則單次捕獲編碼后的紅外光強(qiáng)，用于光譜重建。該架構(gòu)將光譜分辨率與精度的重?fù)?dān)從純硬件轉(zhuǎn)移到算法層面，從而允許硬件端采用極簡(jiǎn)設(shè)計(jì)——僅需少數(shù)超構(gòu)表面編碼單元加一臺(tái)普通熱像儀，即可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)超硬件通道數(shù)的光譜重建能力。
圖1 所提出長(zhǎng)波紅外光譜儀的光譜分析原理圖
等離子體超構(gòu)表面陣列（PMSA）的設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)裝置搭建
PMSA的襯底選用硒化鋅（ZnSe），因其在長(zhǎng)波紅外波段具有優(yōu)異的寬帶透射率與相對(duì)較低的折射率。每個(gè)超構(gòu)表面單元由周期性金納米長(zhǎng)條陣列構(gòu)成，支持局域表面等離子體共振（LSPR）。通過(guò)精確調(diào)控金長(zhǎng)條的周期P與長(zhǎng)度L兩個(gè)幾何參數(shù)，可有效調(diào)諧共振峰位，進(jìn)而改變超構(gòu)表面的透射光譜響應(yīng)。共振峰位的系統(tǒng)性偏移能夠生成一組獨(dú)特且弱相關(guān)的光譜響應(yīng)函數(shù)集合，這正是光譜編碼所需的核心條件。綜合光譜重建性能與光譜儀占比面積兩方面考量，團(tuán)隊(duì)最終選取9個(gè)超構(gòu)表面單元組成PMSA。圖2展示了PMSA芯片的設(shè)計(jì)、制備與光譜表征。圖3展示了所提出長(zhǎng)波紅外光譜儀的實(shí)驗(yàn)搭建與數(shù)據(jù)處理。
圖2 PMSA芯片的設(shè)計(jì)、制備與光譜表征
圖3 所提出長(zhǎng)波紅外光譜儀的實(shí)驗(yàn)搭建與數(shù)據(jù)處理
光譜重建與材料識(shí)別
為全面評(píng)估微型長(zhǎng)波紅外光譜儀的性能，研究團(tuán)隊(duì)系統(tǒng)開展了窄帶與寬帶兩類光譜重建實(shí)驗(yàn)。窄帶光譜由光柵單色儀從硅碳棒寬帶光源中濾出產(chǎn)生，在8~12 μm范圍內(nèi)以約0.4 μm為間隔測(cè)試了一系列單峰窄帶信號(hào)，相關(guān)結(jié)果如圖4所示。僅用9個(gè)超構(gòu)表面編碼單元的極簡(jiǎn)架構(gòu)，就在長(zhǎng)波紅外全波段實(shí)現(xiàn)了優(yōu)于1%的波長(zhǎng)精度與約110 nm的光譜分辨率，這一結(jié)果本身就突破了"通道數(shù)決定分辨率"的傳統(tǒng)認(rèn)知，充分體現(xiàn)了計(jì)算光譜學(xué)框架下硬件極簡(jiǎn)、算法賦能的設(shè)計(jì)哲學(xué)。
圖4 窄帶光譜的光譜重建
窄帶性能驗(yàn)證了系統(tǒng)的基本光譜分辨能力，而實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景中更多遇到的是具有連續(xù)特征的復(fù)雜寬帶光譜。研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步對(duì)多種寬帶光譜進(jìn)行了重建驗(yàn)證。首先測(cè)試了硅碳棒光源的寬帶輻射譜，其次驗(yàn)證了液體化學(xué)樣品的檢測(cè)能力，為進(jìn)一步展示普適性，研究團(tuán)隊(duì)選取聚四氟乙烯（PTFE）、聚乙烯（PE）、聚氯乙烯（PVC）三種典型聚合物薄膜進(jìn)行光譜分析，相關(guān)結(jié)果如圖5所示。
圖5 寬帶光譜重建與材料識(shí)別
為更清晰地定位本工作在領(lǐng)域中的位置，研究團(tuán)隊(duì)將其與近年來(lái)的微型中紅外光譜儀進(jìn)行了系統(tǒng)對(duì)比。對(duì)比維度涵蓋工作波段、光譜分辨率與光譜編碼單元數(shù)量三個(gè)核心指標(biāo)，相關(guān)結(jié)果如圖6所示。
圖6 部分微型化光譜儀在中紅外波段的性能對(duì)比
https://doi.org/10.1002/lpor.71458
