中國電子元件行業(yè)協(xié)會(huì )
China Electronic Components Association
由浙江大學(xué)、浙江理工大學(xué)、英國劍橋大學(xué)（University of Cambridge）、上海交通大學(xué)、新加坡南洋理工大學(xué)（Nanyang Technological University）組成的研究團隊提出了一種低成本、在可見(jiàn)光至短波紅外 (SWIR)波段的微型光譜儀設計方案。這項研究首次將常見(jiàn)塑料材料引入微型光譜儀的核心結構，利用其雙折射效應實(shí)現空間光譜編碼，開(kāi)創(chuàng )了一種無(wú)需光刻工藝、可大規模生產(chǎn)的寬帶微型光譜解決方案。該微型光譜儀可覆蓋從可見(jiàn)光到短波紅外（400–1600 nm）的寬譜段范圍，具備優(yōu)異的線(xiàn)掃描成像能力，展現出廣泛的應用前景，有望推動(dòng)光譜技術(shù)在消費電子、環(huán)境監測、醫療診斷等多個(gè)領(lǐng)域的落地應用。這項研究以“Stress-engineered ultra-broadband spectrometers”為題發(fā)表在Science Advances期刊上。
靈感來(lái)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
現代智能手機的攝像頭早已不再依賴(lài)傳統玻璃鏡片，而是廣泛采用高性能塑料透鏡，并結合先進(jìn)的圖像算法實(shí)現了超高清成像。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(lái)構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(shù)脂（SMP），通過(guò)可控機械變形在材料中引入梯度應力，制造出具有分光能力的“塑料棱鏡”，實(shí)現對光的精確色散調控。這種塑料不僅能替代傳統光譜儀中昂貴的光學(xué)元件，還能覆蓋從可見(jiàn)光到短波紅外（400 nm – 1600 nm）的寬譜段范圍，具備極強的應用潛力。
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出彩虹般的色彩，這是因為它們在制造過(guò)程中經(jīng)歷了不均勻的應力施加和固化過(guò)程，從而產(chǎn)生了雙折射效應 ——不同應力的位置會(huì )呈現不同的顏色。
研究人員正是利用這一現象，通過(guò)對塑料進(jìn)行不同程度的拉伸控制內部應力分布，進(jìn)而調控其透過(guò)光譜。實(shí)驗表明，矩形或三角形塑料在不同拉伸比例下，其顏色和光譜響應都會(huì )發(fā)生顯著(zhù)變化。更重要的是，他們成功實(shí)現了在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(shí)提出了支持大規模生產(chǎn)的流水線(xiàn)系統，真正實(shí)現了“低成本+高通量”的制造目標。
低成本、高性能、便攜化：打開(kāi)光譜應用新大門(mén)
傳統的光譜儀往往體積龐大、價(jià)格高昂，限制了其在消費電子、環(huán)境監測、醫療診斷等領(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(gè)完整的微型光譜系統。配合先進(jìn)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(xiàn)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果都表現出良好的一致性，在可見(jiàn)光波段分辨率達到10 nm，而在更寬泛的400 nm – 1600 nm范圍內，平均峰值誤差僅為0.73 nm，展現出卓越的性能表現。這項研究不僅推動(dòng)了微型光譜儀的技術(shù)革新，也為未來(lái)可穿戴設備、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
