中國電子元件行業(yè)協(xié)會
China Electronic Components Association
由浙江大學、浙江理工大學、英國劍橋大學（University of Cambridge）、上海交通大學、新加坡南洋理工大學（Nanyang Technological University）組成的研究團隊提出了一種低成本、在可見光至短波紅外 (SWIR)波段的微型光譜儀設(shè)計方案。這項研究首次將常見塑料材料引入微型光譜儀的核心結(jié)構(gòu)，利用其雙折射效應(yīng)實現(xiàn)空間光譜編碼，開創(chuàng)了一種無需光刻工藝、可大規(guī)模生產(chǎn)的寬帶微型光譜解決方案。該微型光譜儀可覆蓋從可見光到短波紅外（400–1600 nm）的寬譜段范圍，具備優(yōu)異的線掃描成像能力，展現(xiàn)出廣泛的應(yīng)用前景，有望推動光譜技術(shù)在消費電子、環(huán)境監(jiān)測、醫(yī)療診斷等多個領(lǐng)域的落地應(yīng)用。這項研究以“Stress-engineered ultra-broadband spectrometers”為題發(fā)表在Science Advances期刊上。
靈感來自手機攝像頭：塑料能替代玻璃鏡頭也能替代玻璃分光元件
現(xiàn)代智能手機的攝像頭早已不再依賴傳統(tǒng)玻璃鏡片，而是廣泛采用高性能塑料透鏡，并結(jié)合先進的圖像算法實現(xiàn)了超高清成像。這種趨勢啟發(fā)了研究人員：既然塑料可以用于高質(zhì)量成像，是否也可以用來構(gòu)建光譜儀的核心部件？答案是肯定的。研究人員提出了一種全新的思路：研究團隊使用形狀記憶環(huán)氧樹脂（SMP），通過可控機械變形在材料中引入梯度應(yīng)力，制造出具有分光能力的“塑料棱鏡”，實現(xiàn)對光的精確色散調(diào)控。這種塑料不僅能替代傳統(tǒng)光譜儀中昂貴的光學元件，還能覆蓋從可見光到短波紅外（400 nm – 1600 nm）的寬譜段范圍，具備極強的應(yīng)用潛力。
塑料也能“變彩虹”：揭秘背后的物理機制
日常生活中，我們常能看到塑料制品在偏振光下呈現(xiàn)出彩虹般的色彩，這是因為它們在制造過程中經(jīng)歷了不均勻的應(yīng)力施加和固化過程，從而產(chǎn)生了雙折射效應(yīng) ——不同應(yīng)力的位置會呈現(xiàn)不同的顏色。
研究人員正是利用這一現(xiàn)象，通過對塑料進行不同程度的拉伸控制內(nèi)部應(yīng)力分布，進而調(diào)控其透過光譜。實驗表明，矩形或三角形塑料在不同拉伸比例下，其顏色和光譜響應(yīng)都會發(fā)生顯著變化。更重要的是，他們成功實現(xiàn)了在12 cm × 12 cm的塑料基板上一次性制造近50片光譜漸變薄膜，且具備良好的一致性，同時提出了支持大規(guī)模生產(chǎn)的流水線系統(tǒng)，真正實現(xiàn)了“低成本+高通量”的制造目標。
低成本、高性能、便攜化：打開光譜應(yīng)用新大門
傳統(tǒng)的光譜儀往往體積龐大、價格高昂，限制了其在消費電子、環(huán)境監(jiān)測、醫(yī)療診斷等領(lǐng)域的普及。而這項新技術(shù)打破了這一瓶頸。研究人員將這種塑料薄膜直接集成在商用CMOS圖像傳感器上，形成一個完整的微型光譜系統(tǒng)。配合先進的計算光譜重建算法，它能夠準確識別物質(zhì)的光譜特征，甚至可用于線掃描光譜成像。
該微型光譜儀對單色光、雙峰光以及寬譜光源的還原結(jié)果都表現(xiàn)出良好的一致性，在可見光波段分辨率達到10 nm，而在更寬泛的400 nm – 1600 nm范圍內(nèi)，平均峰值誤差僅為0.73 nm，展現(xiàn)出卓越的性能表現(xiàn)。這項研究不僅推動了微型光譜儀的技術(shù)革新，也為未來可穿戴設(shè)備、植入式傳感器、消費電子產(chǎn)品的發(fā)展提供了全新路徑。
論文鏈接：https://doi.org/10.1126/sciadv.adu4225
