成果上新！低成本、高分辨率的光纤锥光谱仪研发取得新进展

你是否想过这样一种场景，只需要将一个指甲盖大小的模块连接到手机上，再从模块端伸出一根光纤来采集信号，就可以得到一系列数据，能快速检测食品中的致病微生物、水污染元素甚至是奶粉中的三聚氰胺含量……这就是微型光谱仪，如果有望在生活中得到普及，会让许多原本用不起或用不了光谱仪的场景得到重新定义。

近日，浙江大学杭州国际科创中心（简称科创中心）极端光学技术与仪器全国重点实验室马耀光研究员团队在微型高性能光谱仪研究中取得了新进展。团队研发出的一款微纳光纤锥光谱仪，可以通过微纳光纤锥的结构对光谱信息进行编码，其工作波段范围为 450nm-1100nm，针对输入光的分辨率能够达到1.5pm级别，核心元件成本控制在百元以内。目前，相关研究成果以“Microtaper leaky-mode spectrometer with picometer resolution”为题发表在《eLight》上。

微纳光纤泄漏模干涉光谱仪的示意图

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不走寻常路 

高效率、高精度制备微纳光纤

微型光谱仪是科学研究和工业生产中非常重要的设备，但想要让光谱仪变得更小更精致，往往会受到加工工艺、结构设计等方面的限制，从而导致工作范围、分辨率、器件成本等性能参数遭遇瓶颈。

如何破解这个困境？团队把目标瞄准了微纳光纤。一般情况下，只有选择结构最平坦、直径最均匀的光纤部分，才可以使光场在光纤中传播得尽可能长。但团队反其道而行之，他们采用自制的光纤拉锥机精确控制光纤锥尺寸，将光纤锥做得非常陡，并且越是靠近锥尖，陡度做得越大。马耀光解释道，“我们可以利用特殊的形貌来对光场进行调控，从而产生尽可能多的模式耦合和演化。” 

光谱仪结构

(a)微型光谱仪图片微纳光纤锥区泄漏模图案映射在衬底上的(b)侧视图和(c)俯视图

此外，不同于“光场传输损耗越低越好”的传统认知，团队再次另辟蹊径，采用不利于传输的泄露模式，借此对光纤进行形貌控制和非对称弯曲，让光纤中的导模尽可能地转变为泄漏模并形成散斑，再利用神经网络方法来对散斑所表现的光谱信息进行解读。通过这样的方法，团队最终得以高效率、高精度地制备所需要的微纳光纤，并且保证最终样品有较高的集成度和稳定性。

不同纤芯直径拉制得到的光纤锥的散斑仿真

不同锥区长度的光纤锥散斑仿真

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柳暗花明又一村

在曲折中探索前进

“实验步骤对不对？研究方向行不行？这条路还要不要走下去？”科研工作往往是在曲折中探索前进的，在开展这项研究的过程中，团队也每天都要面对无止境的疑惑和不确定的探索。

实验一开始，团队就遭遇了瓶颈。他们试图通过缓变光纤锥在衬底上产生的泄漏位置来进行波长的分辨，但后来发现依托这样的方法，只能做到大约3nm到5nm的分辨率。于是，团队开始“死磕”散斑，针对性地测量细节，幸运的是，他们很快就破解了分辨率难题，甚至做到了亚纳米程度。

光谱仪性能表征

然而，新问题马上接踵而至——矫正光源怎么找？一方面他们需要极窄的线宽，另一方面又需要比较大的可调范围。在极端光学技术与仪器全国重点实验室的支持下，设备问题逐一得到解决。随后他们对微纳光纤进行了制备、集成、固定、光谱矫正等一系列工艺流程。功夫不负有心人，经过2021年到2022年一整年的测试、重构和改进，光谱仪的分辨率达到1.5pm左右！这意味着这项光谱仪成果在保证微型外观条件下，将分辨率提高至了传统纳米级光谱仪的千倍及以上，这也是极端光学领域可喜的一项新进展。未来，有望满足更多类型的超精密检测以及更加精密的物质识别，例如，我们可以通过一根头发检测出人体中的各类微量元素。

微纳光纤锥光谱仪实物图

科技创新路上，时常会遭遇无数次山穷水尽疑无路的困境，但也会有很多柳暗花明又一村的惊喜，而“解锁惊喜”的密码往往来自于日复一日的尝试与积累。

马耀光说，科创中心是一片创新创业的热土，目前，团队正在这里开展更多有关微纳光纤制备、探测器集成等方面的探索，以实现制备封装的自动化，推动技术走向实际应用。

极端光学技术与仪器研究院

极端光学技术与仪器研究院（以下简称研究院）成立于2022年9月，是科创中心与浙江大学现代光学仪器国家重点实验室合作共建的重大科技创新平台。研究院聚焦高端光刻机系统集成以及光刻过程中的极端光学检测研究，设立皮米精度干涉检测、跨尺度缺陷检测、光刻系统在线检测、检测系统核心器件四大研究方向，致力于打造成为国家在极端光学检测技术与仪器领域的战略科技力量。

马耀光团队现有博士后等职位，热烈欢迎不同背景（光学工程，电子信息，机械，材料等）的优秀人才加盟！

主页详情：https://person.zju.edu.cn/myg

联系方式：[e-mail]

（请注明 “NanoOptics @ ZJU 研究组职位申请”）

本文编辑：孔晓睿

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