片上光谱仪

光谱仪用于分解和测量电磁波的谱信息，广泛应用于材料分析、天文观测以及生物医学成像等领域。传统台式光谱仪基于棱镜或光栅等空间色散元件，导致其结构尺寸较大，并对机械振动敏感，通常只能用于实验室环境。新型片上光谱仪有望克服这些缺陷。这类光谱仪基于集成光子回路，其中各类光学器件均由固态平面波导构成，因此可以实现芯片尺度的密集集成，并可以消除环境扰动的影响。片上光谱仪在智慧医疗、地质勘探以及片上实验室（Lab-on-a-chip）等领域具有应用价值，特别对于实现小型化、便携式，甚至可穿戴的智能传感设备具有重要使能意义。然而，目前已报道的片上光谱仪大多存在分辨率-带宽限制这一共性缺陷。具体来说，对于片上光谱仪，实现较高的分辨率需要较长的波导光程，而这往往会降低输出响应的自由光谱范围，进而影响工作带宽。虽然可以通过采用光子晶体微腔等特殊结构，在一定程度上扩展自由光谱范围，但是这类结构加工较为困难，并且调谐效率较低。目前尚无突破这一限制的通用解决方案。近日，香港中文大学电子工程学系曾汉奇研究小组，通过采用一种新颖的“光学分子”结构，结合计算重建方法，实现了一种同时具有高分辨率与大带宽的新型片上光谱仪。该成果以“Breaking the resolution-bandwidth limit of chip-scale spectrometry by harnessing a dispersion-engineered photonic molecule”为题发表于Light：Science & Applications.这一结构的基本组成是一对相同的可调谐微环谐振腔（图1a）。在热光调谐过程中，输入光谱被滤波采样，进而在输出端口生成包含谱信息的信号，最终通过计算重建方法将输入光谱还原（图1b）。此过程中，需要解决的核心问题是，如何分辨相隔自由光谱范围整数倍的波长通道。对于单谐振腔而言，各个自由光谱范围之内仅包含一个谐振模式，因此无法实现宽带谱重建。当一对谐振腔发生强耦合，各个谐振模式将劈裂为一个对称模式与一个反对称模式（图1c）。这一现象类似于双原子分子中存在的能级劈裂。值得注意的是，谐振模式的劈裂强度正比于谐振腔之间的耦合强度。因此，可以通过增强耦合强度的色散，使得“光学分子”谱线的劈裂强度随波长变化，并基于这一特征，识别位于不同自由光谱范围的波长通道。具体来说，当热光调谐经过一个自由光谱范围，各个波长通道对应的输出信号均包含一对尖峰；此时，即便对于相隔自由光谱范围整数倍的波长通道，其尖峰之间的间距仍然不同，因此不同波长通道得以去相关（图1d）。图1.“光学分子”片上光谱仪的工作原理。在该工作中，作者实验证实了40pm的谱线分辨率与100nm的工作带宽。同时利用单片集成滤波器生成测试光谱，实验验证了各类特征光谱的高精度重建。该工作的创新与亮点可以总结为：1.作者提出了一种完全区别于传统方案的片上光谱仪。不同于可调谐滤波器方案，这一设计不受自由光谱范围限制，因此得以保持高分辨率的同时，极大地扩展工作带宽。不同于计算“光斑”光谱仪，这一设计不依赖于复杂拓扑结构，具有结构简单、尺寸紧凑等优势。2.设计思路具有可扩展性。在满足特定条件情况下，可以进一步增加待分辨的自由光谱范围数目，进一步扩展工作带宽与通道容量，同时保证较低的功耗。3.该工作涉及的概念源于高品质微腔中一种极为常见的现象——模式劈裂。同时，结构完全基于集成光子回路中极为常见的单元器件——微环谐振腔。这使得这一方案具有加工简便、通用性强等优势。这一工作为新型片上光谱仪的研发提供了一种全新思路，同时对计算光谱学等研究方向具有启发意义，并可能用于单片集成的光谱传感系统。

近日，哈尔滨工业大学（深圳）徐科教授、宋清海教授课题组，提出一种基于像素编码的片上数字型超构透镜，因其灵活的设计自由度而具备强大的光场调控能力。该工作以折叠级联的方式构建了高度紧凑的色散元件，结合重构算法实现了片上集成的高分辨率光谱仪。文章提出的数字型超构透镜可显著提升面内光束聚焦、准直和偏转能力。所设计的级联折叠型超构透镜组能够很好地解决传统色散光谱仪尺寸和分辨率互为矛盾的问题。结合重构算法，该器件以100 μm ×100 μm的紧凑尺寸在近红外波段超过35 nm的波长范围内实现了0.14 nm的分辨率，并且可以完成任意光谱的重构和解析。该光谱仪完全通过标准硅光工艺制造，在系统级集成和CMOS兼容性方面具有优势。所提出的超构透镜结构还可移植到氮化硅或其他光子集成平台，以轻松扩展到可见光或中红外波长等波段，为成像、光学计算等其他应用提供有力的光场调控方案。该研究成果以“Folded digital meta-lenses for on-chip spectrometer”为题于2023年4月11日在线发表在《Nano Letters》上。随着物联网、消费电子等应用领域的不断发展，对光谱仪的小型化提出了更高的要求。近40年里，光谱仪的微型化技术经历了从基于分立器件技术到集成光学技术的发展，逐渐趋于低成本和片上集成化。近年来，受到自由空间超构表面波前调控的启发，基于超构波导的一些平面内衍射光网络正在成为片上光波操纵的有力工具。目前已报道的片上超构系统都是基于各单元长度不等的传输阵列，结构规则简单但设计自由度受限，导致系统集成度和功能的局限性。如何突破设计自由度的限制，是提升片上超构表面光场调控能力以及拓展应用的关键。借助超构表面强大的光学操控能力，有望突破传统片上光谱仪分辨率和器件尺寸相互制约的矛盾。为了解决设计自由度受限的问题，文章提出了一种基于像素编码的数字型超构表面。基本思想为求解超构表面目标相位分布。为降低算力消耗，我们将目标区域划分为多个单元，通过逆向设计对每个单元图案分别进行编码，在平面任意区域实现任意相位响应。与数字型超构波导在局部区域内的原位控制不同，本文提出的数字型超构表面可以整体操纵面内波衍射及其在整个平板区域内的传播。这种特性使该结构能够设计连续大相位梯度的高色散数字型超构透镜，允许光束在紧凑的尺寸内实现聚焦、准直和大角度弯曲等类似几何光学透镜的功能。具体设计原理如图1所示。图1. 基于数字型超构表面的超构透镜逆向设计原理。(a)超构透镜在1550 nm处的光弯曲 (θ=45°)和聚焦(f = 19.5 μm)的射线光学演示。(b)透镜的理想相位轮廓曲线(φ)，可视为45°弯曲相位曲线 (φ1)和聚焦相位曲线(φ2)的叠加。I:计算的绝对相位，II:对应的菲涅耳相位。(c)每个单元的优化器件图案和对应的理想相位曲线(φ)。(d) 计算出的理想相位掩模（黑色实线）与所设计超构透镜的模拟相位响应（红色虚线）之间的比较。(e)所设计单个超构透镜的模拟光场分布。(f)模拟超构透镜的焦点AI不同波长下沿x'轴的偏移。插图为不同波长下焦点的横截面光场分布图。要实现更高的波长分辨率，需要累积色差和增加光程。为了验证设计效果，本文设计并制备了一种基于五层折叠超构透镜的光谱仪，器件尺寸仅为100 μm×100 μm。该器件的模拟光场和实测结果如图2所示。图2(a)中的五层超构透镜功能不同，透镜I用于准直扩束输入光同时转折光路，透镜II-IV则承担着累积色散和波长分束的作用。受到读出波导间距的限制，此时该器件直接读出的分辨率约为1 nm (图2(d))。为了进一步提高光谱仪性能以及器件的制备容差，在色散分光的基础上引入了光谱重构算法。图2. 基于五层折叠超构透镜的光谱仪。(a)五层折叠超构透镜光谱仪在1550 nm处的模拟光场分布。(b)器件尺寸为100 μm×100 μm的光谱仪显微镜图像。插图:超构透镜和输出波导阵列的局部电镜图像。(c)器件实测的输出强度与输入波长的映射图。(d)两个相邻输出通道11和12的透射光谱，通道间距约为1 nm。(e)谱相关函数C(δλ)的半高半宽δλ为0.108 nm，与光谱仪的估计分辨率相对应。为了体现光谱仪的性能，构造了几种不同类型的预编程光谱来测试光谱仪的性能。重构光谱见图3。结果表明，结合重构算法后，该光谱仪的光谱分辨率提升至0.14 nm(图3(a))，整体工作带宽覆盖1530 nm-1565 nm，且性能在边带依旧保持稳定(图3(c))。此外，对于同时具有宽高斯背景和窄带单峰特征的复杂频谱(图3(d))，本文提出的片上光谱仪依旧能与商用光谱仪保持良好的一致性。图3. 使用基于五个折叠超构透镜的片上光谱仪进行光谱重建（实线表示重建光谱，虚线表示商用光谱仪测试结果）。(a)两条相隔约0.14 nm的窄光谱线的重建光谱。(b)距离约20.61 nm的双峰重建光谱。(c)在工作带宽上分别重建7处不同波长的窄带光谱。(d)宽带光源入射的重建光谱。此文提出的基于数字型超构透镜的片上光谱仪在超过35 nm的波长范围内实现了0.14 nm的分辨率。整体尺寸仅为100 μm ×100 μm，最小特征尺寸为120 nm，可通过标准硅光工艺大规模制造。该设计方案具有可移植性，使用氮化硅或其他集成平台，基于超构透镜的光谱仪可以扩展到可见光或中红外波长。目前器件的数据读出依赖于片外功率计，可以通过集成片上光电探测器阵列来改善。此外，片上数字型超构透镜作为一种功能强大的片上光场调控器件，在成像、光计算等领域也有应用潜力。

千呼万唤始出来：为教育而生，MiniPIX EDU掌上光子计数X射线探测器 产品介绍：MiniPIX EDU是一款以教育教学为使用目的而设计定价的小型X射线探测器。它把现代的辐射成像技术带进课堂，让学生可以探索围绕在我们身边却看不见的电离辐射世界，可以了解不同类型辐射的来源，观察这些放射性同位素是如何在自然界和建筑、城市、工业等人造环境中移动。美国宇航局（NASA）在太空中也使用了同样的技术来监测宇航员受到的太空辐射。MiniPIX-EDU可记录非常低的放射性强度，这种强度无处不在。学生可以记录到许多普通材料物体上的放射性强度，例如吸尘器里或口罩上的一点点花岗岩、灰尘或纸袋碎片；可以在白天观察空气中放射性物质的移动；寻找宇宙μ子并查看他们的方向；看看海拔高度如何影响辐射类型的存在；可以尝试搭配豁免源，并对其发出的辐射进行屏蔽；可以检查放射性衰变的规律；可以直接观察不同的辐射类型是如何与物质相互作用的，以及随后会发生什么。将MiniPIX EDU设备插入PC的USB端口，启动软件就可以开始使用了。也可搭配专为教学应用而研发的的RadView辐射可视化软件，迷人的电离粒子图像将立刻呈现在你面前。主要特点:专为教育教学设计，与传统的X射线探测器相比，具有更高的性价比 体积小巧，形似U盘 通过USB接口连接，笔记本电脑即可运行（支持Windows，MacOS or Linux） 人性化软件操作界面 主要参数:读出芯片Timepix像素大小55x55μm传感器分辨率256x256pixels一帧动态范围11082暗电流none接口USB2.0最大帧频55fps尺寸88.9x21x10mm重量30g工作模式:类型模式精度描述帧率（读取所有像素）Event13bit/frame 1 output image: Number of Events per pixel ToT13bit/frame 1 output image: Sum of all Energies deposited in given pixel (Time Over Threshold) ToA13bit/frame 1 output image: Time of arrival of first event in given pixel 典型应用:教育：运用现代辐射成像技术的课堂每种被探测到粒子的类型都以放大的形式被呈现。可以将最感兴趣的粒子轨迹保存到日志文件中，以供之后分析。在上图中我们可以看到，在过去几天的历史图表中显示了四个类型粒子的计数。不同类型的粒子会呈现不一样的神秘图案α粒子会产生较大的圆形斑点；β射线显示为狭窄的波浪线，像“蠕虫”；γ射线会产生小点或斑点；宇宙μ子观察到为长直线。你甚至可以观察到一些更为罕见的现象:δ电子，α和β粒子序列形成的抽象花，高能质子的轨迹… 技术平台:源自捷克技术大学实验及应用物理研究所的Advacam S.R.O.，致力于在多学科交叉业务领域提供硅传感器制造、微电子封装、辐射成像探测器和X射线成像解决方案。Advacam核心的技术特点是其X射线探测器（应用Timepix芯片）没有缝隙(No Gap)，因此在无损检测、生物医学、地质采矿、艺术及中子成像方面有极其突出的表现。Advacam同NASA（美国航空航天局）及ESA（欧洲航空航天局）保持很好的项目合作关系，其产品及方案也应用于航空航天领域。北京众星联恒科技有限公司为advacam公司在中国的独家授权代理，现可提供MiniPIX样机免费试用，如有需要，请联系我司工作人员预约时间。创新点：由捷克Advacam S.R.O.于2020年5月推出最新款掌上型X射线探测器MiniPIX EDU。与之前同系列产品项目，它的定位专门面向课堂，可以作为一款教学工具。是专为教育教学而设计定价的探测器。它把现代的辐射成像技术带进课堂，让高校，甚至是高中的学生得以探索围绕在我们身边的电离辐射世界，可以了解不同类型辐射的来源，观察这些放射性同位素是如何在自然界和建筑、城市、工业等人造环境中移动。它可以搭配advacam公司专为教学展示目的研发的RadView辐射软件，将电离粒子图像以可视化在线的方式呈现。这一用途，基本填补了国内这一领域的空白。MiniPIX EDU 掌上光子计数X射线探测器