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新思路,！上科大研發(fā)出單像素智能微型光譜儀
2024年03月18日 10:28:40
來源：化工儀器網(wǎng) 點擊量：13869
上?？萍即髮W信息科學與技術(shù)學院陳佰樂、虞晶怡團隊的最新研究成果實現(xiàn)了高光學靈敏度,、高光譜準確度和高光譜分辨率的單像素智能微型光譜儀。
【化工儀器網(wǎng) 項目成果】光譜測量是科學和工業(yè)研究中非常強大且廣泛使用的表征工具之一,。傳統(tǒng)的光譜儀通常需要使用機械可移動的部件,，如光柵或邁克爾遜干涉實現(xiàn)分光，盡管能夠?qū)崿F(xiàn)超高的光譜分辨率和極寬的光譜范圍,，但是其笨重的尺寸和重量阻礙了將它們集成到實驗室光學系統(tǒng),、汽車電子系統(tǒng)、工業(yè)檢測設(shè)備,，甚至是智能手機的可能,。
微型光譜儀是光譜測量系統(tǒng)中的核心部件，由于體積小,、便于靈活地搭建光譜系統(tǒng),，在科研領(lǐng)域應(yīng)用越來越廣。微型光譜儀有著具體模塊化和高速采集的特點,，在系統(tǒng)集成和現(xiàn)場檢測的場合得到了廣泛的應(yīng)用,。并且結(jié)合光源、光纖,、測量附件,，可以搭配成各種光學測量系統(tǒng)。
近日,，Nature 子刊《Nature Communications》(IF=16.6)以“Single-pixel p-graded-n junction spectrometers”為題發(fā)表了上?？萍即髮W信息科學與技術(shù)學院陳佰樂、虞晶怡團隊最新研究成果：提出了一種基于AlGaAs/GaAs漸變帶隙pn結(jié)探測器(p-graded-n junction photodetector,，簡稱pGn PD)的單像素智能微型光譜儀,，并為光譜儀定制化設(shè)計了神經(jīng)光譜場(Neural Spectral Fields, NSF)光譜重建方法，實現(xiàn)了高光學靈敏度,、高光譜準確度和高光譜分辨率的單像素智能微型光譜儀,。
III-V族半導體材料在過去的幾十年的發(fā)展中已經(jīng)成熟，并且在高性能光電探測器中得到了大量的應(yīng)用,。然而常規(guī)的光電探測器通常只能檢測入射光強度,，而無法判斷入射光的光譜信息。為得到光譜信息，需外置光柵或者多個光學濾波片結(jié)合單像素探測器進行多次測量,。
上?？萍即髮W研究團隊首次提出并制備了一種基于材料的p-graded-n單像素光電探測器完成了對入射光的光譜檢測，實現(xiàn)了光譜儀的功能,。該pGn結(jié)型光譜儀通過改變pn結(jié)的工作偏壓實現(xiàn)了探測器響應(yīng)截止波長動態(tài)可調(diào),。此微型光譜儀通過了標準的III-V族半導體工藝制造，具有極小的面積,，達到微米級別,，因此具備大規(guī)模生產(chǎn)和集成的巨大潛力，并且與焦平面陣列(FPA)制備工藝兼容,，未來可進一步實現(xiàn)高光譜成像,。
在測量未知光譜時，隨著偏壓的增加,，漸變帶隙PN結(jié)產(chǎn)生新的耗盡區(qū),，光譜儀表現(xiàn)出更長的截止波長。因此,，漸變帶隙PN結(jié)光譜儀具有獨特的'電壓積累'響應(yīng)矩陣：更高的電壓具有更寬的光譜響應(yīng)曲線,。然而，這些曲線的重疊使得光譜重建問題變得復雜,?；贚1或L2正則化的傳統(tǒng)方法需要精細的參數(shù)調(diào)整才能實現(xiàn)高分辨率的重建。
研究團隊提出一種全新的全自動化人工智能光譜重建方法,，從測量的電流電壓曲線中提取深度特征,，然后通過神經(jīng)場(Neural Fields, NFs)重建連續(xù)光譜。通過進一步的細化過程,，重建的光譜函數(shù)能夠符合基于物理的光譜響應(yīng)積分約束,，以實現(xiàn)更高的光譜精度。該方法只需在仿真數(shù)據(jù)集上進行訓練,，避免了傳統(tǒng)深度學習方法需要大量訓練用實測數(shù)據(jù)的問題,。通過提出的神經(jīng)光譜場重建方法，漸變帶隙PN結(jié)光譜儀實現(xiàn)高達0.30nm的光譜重建精度和高達10nm的光譜分辨率,，并且光譜范圍廣泛,，涵蓋從480nm到820nm的范圍。
這一研究成果為光譜儀的小型化,、智能化提供了新的思路和方法,，有望推動光譜技術(shù)在更多領(lǐng)域的應(yīng)用和發(fā)展。同時,，該光譜儀的制造工藝與焦平面陣列(FPA)制備工藝兼容,，為未來的高光譜成像技術(shù)奠定了基礎(chǔ)。該智能微型光譜儀有望在環(huán)境監(jiān)測、食品安全,、生物醫(yī)學等領(lǐng)域發(fā)揮重要作用,，為科學研究和工業(yè)應(yīng)用提供更多可能性。
(資料來源：上?？萍即髮W)
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