角分辨光谱仪

2022年9月，上海复享光学首创的基于傅里叶光学显微角分辨光谱仪(ARMS)通过科学技术部科技成果评价并成功入库，这标志着我国在相关领域技术不仅达到国际先进水平，也为光子芯片、光子晶体、超构材料等领域的技术发展奠定了坚实基础。由主任庄松林院士、副主任王建宇院士领衔的共七位专家组成的评价委员会对 ARMS进行考察、现场测试及讨论后，一致认定——1. ARMS解决了显微角分辨光谱检测的关键问题，实现了在广谱频域空间的高分辨率，首次完成了实空间和动量空间的自动化扫描技术，可用于可见和近红外波段瞬态信号采集，并且开发了具有自主知识产权的光学逆问题算法，解决了光学微纳尺度结构的量测和性能评价问题。2.此技术成果难度大、创新性强。产品综合技术已居国际先进水平，其中适合显微角分辨的动量空间透镜组与动量空间外差干涉技术核心点达到国际领先水平。BIC和涡旋光束研究中的显微角分辨光谱实测结果Nature Photonics. 2020, 14(10): 623-628.资剑教授等放眼全球，复享光学既是角分辨光谱技术的早期探索者，也是推动该技术发展、实现产品多样化并深入产业落地的先行者，并掌握该领域核心技术知识产权，已拥有完整技术链及对应产品线。角分辨光谱技术广泛服务于多学科多领域在全球微纳光子学领域，ARMS已服务了包括清华大学、北京大学、美国加州大学河滨分校和韩国光云大学等高等院校及科研院所的上百个课题组。论文引用、标注与致谢超200篇，其中包括殷亚东教授团队发表在Nano Letters, 2020, 20(8): 6051-6058.的关于太阳能集成蒸发器的研究；王占山教授、程鑫彬教授团队发表在Science Advances, 2022, 8(9): eabk3381.的关于超表面材料的研究；成都光电所罗先刚院士团队发表在Advanced Science, 2022, 9(9): 2103429.的关于二维材料的研究。助力学科发展的同时，ARMS还服务国家重大工程。复享光学与中国人民银行的合作是其中的代表案例，成功将角分辨光谱技术应用于人民币 OVMI光学渐变磁性油墨的研发环节。当前，ARMS在集成电路与光电子等战略新兴产业多点发力，已囊括歌尔光学、中芯国际、OPPO、京东方等头部客户，并凭借角分辨光谱技术的独特性和成熟性，通过了行业验证。角分辨光谱技术，洞察光场的新工具角分辨光谱技术是一种在动量空间观测光子色散关系（k~ω）的精细化光谱技术。该技术能够在实空间、动量空间以及频率空间，实现对微纳光子结构的多维度（光谱、偏振态以及光学相干性等）成像观测，是观测微结构光学模式最直接、最有效的手段。角分辨光谱技术-光子学的ARPES角分辨光谱技术是复享光学面向全球市场、具有开创性的鼎力之作。历时多年沉淀，复享光学的角分辨光谱技术不断创新，产品持续迭代，应用领域加速扩展；复享光学始终以先进光谱技术助力科研创新，赋能微纳制造。ARMS扎根全球实验室ARMS，角分辨光谱技术的新高度随着角分辨光谱技术的推进，复享光学历经三代技术发展不断迭代推新，已拥有全代次的系列化角分辨光谱产品。三代角分辨光谱技术基于光学傅里叶变换的角分辨光谱技术，采用光学变换取代了一般角分辨操作中的机械角度转动，再结合显微物镜的空间分辨能力，因此具备了在微纳米尺度即时(瞬态)获取全部光谱信息的能力，是目前唯一可以同时获取包括能量、动量、空间、偏振等物质结构信息的精细化光谱分析技术，具有优异指标和卓越性能。1.精细的角度分辨，角分辨率可达 1.9 mrad @VIS， 20 mrad @NIR；2.超宽光谱探测，最宽可达 350~1700 nm的光谱探测；3.瞬态光谱采集能力，毫秒级实现全角度角分辨光谱检测；4.不变的探测光斑，真正实现原位探测；5.丰富的测量模式，多达 9种光谱测量模式；6.微米量级样品的光谱检测，最小可达 10 μm角分辨光谱探测；7.优异的扩展性，可扩展适用于低温和强磁场等条件。ARMS，微纳光电子学科发展的新动力ARMS是随着微纳光子学的发展应运而生的系统级产品，是获取光子材料色散关系，实现光学性质“全面表征”的必要装备。其中，近红外波段 ARMS具有更强的技术新颖性，能够为相关科学研究的快速突破带来帮助。ARMS广泛适用于光子晶体、表面等离子体、超构材料、微腔光子材料、光-激子强耦合、二维材料、有机发光、等离子体激光、纳米线激光、量子点、光学天线、纳米颗粒、SERS、光子芯片、LED/OLED等多学科领域。ARMS发现光子晶体动量空间偏振新自由度Physical Review Letters, 2018, 120(18): 186103.石磊教授等ARMS助力新冠病毒检测Matter, 2022, 5(6):1865-1876.宋延林研究员等ARMS，微纳制造检测的新方案处于集成电路和光电子产业上游的微纳制程光学量测环节，是芯片良品率控制的关键。在此关键领域，我国远远落后于国际先进水平。ARMS所采集的多维度光谱富含微纳结构的三维形貌信息，可以作为微纳制程量检测的一把精密的标尺。复享光学提出并实现了基于 ARMS的全新光学微纳制程量测新原理和新技术。该原理利用深度神经网络构筑了微纳米尺度结构与动量空间色散的构效关系和映射。同时，由于在所测量的色散关系中包含了冗余的结构信息，因此在实际技术应用中极大优化了量测逆问题中测量噪音带来的病态问题，实测结果达到亚纳米分辨稳定性和 98%以上的置信度。光学逆问题解决产业微纳量检测难点三维等离子尺结构重构结果与OCD量测结果对比Light: Science & Applications, 2021, 10(1): 1-10.石磊教授等复享光学，全球高端光学设备的新势力ARMS是极具先进性和实用性的复杂光谱系统，是全球高端光学设备的代表产品。ARMS由复享光学与复旦大学光子晶体课题组资剑教授、石磊教授共同研发。从基础创新、技术突破，到产学研转化，再到市场验证，ARMS多次获得政府项目支撑，包括国家重大科研仪器项目、上海市科委仪器专项、上海集成电路支撑专项、科技启明星项目等。为精准响应市场需求，持续推出突破性的产品，复享光学建立了多层次的研发平台。为此，复享光学成立了对接产业需求的“上海微纳制程智能检测工程技术研究中心”，并与复旦大学共同建立了致力于研究微纳制造前沿共性关键技术的“复旦大学光检测与光集成校企联合研究中心”。复享光学作为深度光谱技术的创导者，发展智能光谱技术，以深度算法为驱动，持续精研角分辨光谱、显微光谱、偏振光谱、相位光谱、拉曼光谱等分析技术，通过以科研应用为基础和出发点，以产业需求为目标和落脚点，形成具有自主知识产权的复杂光谱系列产品，参与全球技术迭代，建立高端光学设备的世界品牌。附：复享光学ARMS角分辨光谱技术文献清单（部分）[1] Wang B, Liu W, Zhao M, et al. Generating optical vortex beams by momentum-space polarization vortices centred at bound states in the continuum[J]. Nature Photonics, 2020, 14(10): 623-628.[2] Zhang Y, Chen A, Liu W, et al. Observation of polarization vortices in momentum space[J]. Physical review letters, 2018, 120(18): 186103.[3] Zhang Z, Zhao M, Su M, et al. Self-assembled 1D nanostructures for direct nanoscale detection and biosensing[J]. Matter, 2022, 5(6):1865-1876.[4] Sun C L, Li J, Song Q W, et al. Lasing from an Organic Micro‐Helix[J]. Angewandte Chemie International Edition, 2020, 59(27): 11080-11086.[5] Yue W, Gao S, Lee S S, et al. Highly reflective subtractive color filters capitalizing on a silicon metasurface integrated with nanostructured aluminum mirrors[J]. Laser & Photonics Reviews, 2017, 11(3): 1600285.[6] Li T, Chen A, Fan L, et al. Photonic-dispersion neural networks for inverse scattering problems[J]. Light: Science & Applications, 2021, 10(1): 1-10.

目前，基于超快激光的非线性拉曼光谱技术已经越来越成熟了；而且，随着纳米科技的迅猛发展，使得基于纳米结构的表面增强拉曼光谱(SERS)和针尖增强拉曼光谱(TERS)在超高灵敏度检测方面取得了长足的进步，推动拉曼光谱成为迄今很少的、可达到单分子检测水平的技术。　　“港东科技”自二十世纪九十年代初就开始研发“拉曼光谱”系列产品。自主研发、生产、制造的LRS-2型和LRS-3型激光拉曼光谱仪以结构简单、便于调整和测量、灵敏度高、稳定性好等特点分别在1998年和2000年世界银行贷款发展项目中二度中标。该仪器现已大量应用于科研院所、高等院校的物理实验室和化学实验室，作为测量和教学拉曼光谱和荧光光谱的实验仪器。LRS-2/3激光拉曼光谱仪　　仪器特点：　　自动记录拉曼、荧光光谱 　　高分辨率，低杂散光单色系统 　　高灵敏度、低噪音单光子计数器做接收系统 　　大功率半导体激光器作为激发光源 　　配有稳定性好、精度高的外光路系统 　　多种附件可选，适用于液体、固体样品的分析 　　配有用于减小瑞利散射的陷波滤波器。　　2008年，港东科技自主研发的，同时也是国内首款LRS-5型微区激光拉曼光谱仪(将具有自主知识产权的高分辨激光共焦显微镜作为收集拉曼散射光系统，长焦长高分辨平场成像输出的单色器，结合自行研制的计算机软件编程等相关实验技术相整合，构建具有自主知识产权的新型高分辨的激光共聚焦显微光谱探测联用设备-激光共焦拉曼光谱仪)研制成功。　　这是一项将拉曼光谱分析技术与显微分析技术结合起来的应用技术。微区激光拉曼可将激发光的光斑聚焦到微米量级，从而可以在不受周围环境干扰的情况下，精确获得所检测样品的有关化学成分、晶体结构、分子相互作用以及分子取向等各种拉曼光谱信息。　　我们对激光共焦拉曼显微镜的装置设计与技术参数，几何尺寸与配置，显微镜的白光成像照明系统和偏振调光图像处理技术进行了细致的研讨与实际效果的理论计算，为该显微镜的结构定型、技术指标奠定了基础。最终研制成功具有自主知识产权的高性能激光共聚焦拉曼显微镜系统。LRS-5 微区激光拉曼光谱仪　　仪器特点：　　操作简单，友好的人机对话界面 　　高分辨率、高稳定性和低杂散光的非对称800mm焦距平场光谱仪系统 　　接受系统采用具有高灵敏度、低噪音的面阵CCD接收器 　　外光路系统采用显微镜作为激光会聚和拉曼光收集系统，具有很高的效率和稳定性 　　配有用于减小瑞利散射的陷波滤波器。　　2012年至2016年，“港东科技”作为国内唯一一家研发、生产高分辨率长焦拉曼的企业受邀参加了由北京理工大学牵头，协同中国科学院物理研究所共同研发的“激光差动共焦成像与检测仪器研发及其应用研究”项目，该项目属于“国家重大科学仪器开发和应用专项”。在该项目中我司主要承担“拉曼光谱成像探测系统”的研发任务。普通激光束的直径通常为1.7mm左右，而显微激光拉曼光谱可以对被分析对象表面及其以下部分(透明或半透明材料)进行分层扫描，以获得较大范围内的信息，能够进行微区(小于0.2µm)分析，很好地满足了对复合材料中不同组元结构分析的要求。　　对于“拉曼光谱”在未来的发展，那就必须先从“拉曼光谱”与它的姊妹谱——红外光谱的比较说起。　　相似之处：“拉曼光谱”与“红外光谱”一样，都能提供分子振动频率的信息，对于一个给定的化学键，其红外吸收频率与拉曼位移相等，均代表第一振动能级的能量。　　不同之处：　　1.红外光谱的入射光及检测光都是红外光，而拉曼光谱的入射光和散射光大多是可见光。拉曼效应为散射过程，拉曼光谱为散射光谱，红外光谱对应的是与某一吸收频率能量相等的(红外)光子被分子吸收，因而红外光谱是吸收光谱。　　2.从分子结构性质变化的角度看，拉曼散射过程来源于分子的诱导偶极矩，与分子极化率的变化相关。通常非极性分子及基团的振动导致分子变形，引起极化率的变化，是拉曼活性的。红外吸收过程与分子永久偶极矩的变化相关，一般极性分子及基团的振动引起偶极矩的变化，故通常是红外活性的。　　3.红外光谱制样复杂，拉曼光谱勿需制样，可直接测试水溶液。　　姊妹谱的联系：　　1、凡有对称中心的分子，若有拉曼活性，则红外是非活性的 若红外活性，则拉曼是非活性的。　　2、凡无对称中心的分子，大多数的分子，红外和拉曼都活性。　　3、少数分子的振动，既非拉曼活性，又非红外活性。(如：乙烯分子的扭曲振动，在红外和拉曼光谱中均观察不到该振动的谱带。　　综上所述，拉曼光谱相对于红外光谱，其优势之一体现在用拉曼研究水溶液中比较方便，而生命科学的许多研究往往需要的水溶液环境。共振拉曼、表面增强拉曼和非线性拉曼光谱以及它们的联用将成为生命科学前沿领域具有重要价值的研究方法，因为21世纪是生命科学的世纪(如：临床医疗、癌症的检测与诊断等)，我们以为也是纳米技术和激光技术的世纪，因此我们觉得拉曼光谱的发展和应用是大有可为的。　　但就目前来讲，“拉曼光谱”还存在一定的不足，例如：　　1、拉曼散射面积 　　2、不同振动峰重叠和拉曼散射强度容易受光学系统参数等因素的影响 　　3、荧光散射的干扰 　　4、在进行分析时，常出现曲线的非线性的问题 　　5、任何一个物质的引入都会对被测体体系带来某种程度的污染，这等于引入了一些误差的可能性，会对分析的结果产生一定的影响。　　当然我们也相信，随着相关技术领域的不断进步和提高，这些问题在不远的将来都能得到完善的解决。届时“拉曼光谱”的应用领域也将更为广泛。　　“拉曼光谱”揭示了丰富的化学键信息，检测对象从单质到化合物，从纯净物到混合物，从无机物到有机物，从固体到液体甚至到气体。随着技术的进一步发展，便携式拉曼光谱仪的发展趋势将呈现多样化。更加小型化、智能化、应用更加细分(分析化学、安全检查、生物医药、机场安检、爆炸物分析等)，将成为发展的主流，而性能却不会随着小型化而缩水。同时，随着应用领域的扩大，适应恶劣的工作环境(高温、高压)也将是发展方向之一。而价格合理化将是便携式拉曼光谱仪发展的终极目标。（内容来源：港东科技）

p　　日前，上海复享光学股份有限公司发布关于公司获得市“科技创新行动计划”科学仪器领域项目政府经费资助的公告 。/pp　　公告内容显示，2017 年 7 月 26 日，根据《上海市科技创新“十三五”规划》，2017 年度“科技创新行动计划”科学仪器、化学试剂领域项目的评审结果，上海复享光学股份有限公司(以下简称“公司”)联合复旦大学物理系微纳光子学教育部重点实验室共同研究的“基于傅里叶光学的显微角分辨瞬态光谱仪”被上海市科学技术委员会正式立项 ， 项目编号为17142200100，并获得政府资助经费人民币 130 万元。/pp　　根据 2017 年度“科技创新行动计划”科学仪器化学试剂领域项目指南规定，该专项资金对以下方向予以支持：/pp　　(一)对接国家重大科学仪器设备开发专项，聚焦工程化、可靠性指标和应用系统解决方案的要求，开展中高端科学仪器关键零部件的研制。/pp　　(二)重点支持：高性能光谱、超高效液相色谱等仪器的关键零部件核心技术突破。/p