数字谱仪

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。

春花烂漫，又到了浦江乡村最美的季节。从空中俯瞰，浦阳江两岸分布着成片的钢架大棚，大棚里葡萄的藤蔓刚抽出嫩芽。3个月后，这些嫩芽上结出的一串串甜蜜果实，将销往全国各地，甚至走出国门。　　葡萄是浦江农业第一大产业，已有500多年种植历史。目前，浦江有超过1.2万户葡农，葡萄种植面积7万亩，年产量12.7万吨，年产值超11.4亿元。如何让葡农更轻松地种出优质葡萄，浦江建设了“超级农场”项目，通过人工智能技术的创新应用，服务产、供、销全环节，并在岩头镇十里阳光葡萄园展开试点。　　据农场负责人何志刚介绍，超级农场由托普云农参与建设分为一期和二期，现已建成以图像识别等人工智能技术为核心，实现生产、加工、仓储、销售一体化数字管理模式，探索打造智能生产、智能修剪/采摘、智能分拣、智能冷藏等智慧场景，为葡萄从生长到销售的全产业链提供数字化、智能化加持，提高生产管理效率。　　全过程监控一屏管理　　作为智慧农业的升级版本，“超级农场”项目对生产经营管理等每一个环节，都进行了严格的监管，数据采集，实时监测。通过无人机的航拍，实现了对整个农场的3D建模，把整个农场分成A—K，差不多11个区块，然后进行区块的数字化监控。一块电子显示屏就可看到农场的所有状况，葡萄园11个钢架大棚所有环境信息，包括温度、湿度、土壤酸碱值、光照等情况都呈现在屏幕上。另外，葡萄园里各处分布了多少摄像头，有多少在职人员，多少外来人员，也都能一目了然。　　最重要的是，“超级农场”里设有一个智能辅助决策系统——“农事AI专家”，基于物联网设施与智能检测装备，可实时监测葡萄园中的土壤温湿度、光照强度、空气温湿度等植物生长要素，并将数据传输至云端。大棚中的环境信息如果临近系统设定数值，屏幕上就会有橙色、红色、绿色的分级预警，绿色的表示区块的数据是正常范围，红色代表着已经超出了预警，橙色表示已经濒临预警，这位AI专家还会根据综合分析给出农事建议。通过智能管理措施，目前已实现通风、保温、补光、消毒杀菌、灌溉施肥等智能化控制，节约了综合人工90%以上。除此之外，这个辅助决策系统还有学习功能，可以根据日常农事操作进行校准优化管理。　　品质数字化一码溯源　　传统农业只有溯源到生产基地、联系电话等文字信息的溯源码，数字化农业提供的是集生产、加工、仓储、销售于一体的数字管理模式，溯源码有了更多可能性。“超级农场”基于区块链的技术，对所有葡萄进行了一串一码的赋码，做到数据一次都不落的区块链全程溯源，保护葡萄的品质安全。　　大棚里所有装置的操作，还有员工进行的所有农事行为，甚至有几个人摸过这串葡萄，都会用视频的形式记录下来，实时上传到基于区块链技术的云端服务器，不可篡改。等到葡萄成熟的时候，每串葡萄标准化生长过程中的各种信息，会形成一个基于“区块链”技术的专属二维码，智能分级，用于品质追溯。　　十里阳光葡萄园的负责人何志刚说，正是因为“超级农场”，葡萄园种出来的葡萄品质好，价格也可以卖得更高，消费者还抢着买。　　AR测产一体化助收　　在葡萄大棚里安装相应数量的轨道车，车上设置传感设备对葡萄串进行自动检测，包括果粒重、数量、单穗重等数据。轨道车的另一个重要用处就是配合大棚里的摄像头实现AR测产。以前人工采摘葡萄，每个大棚的葡萄产量只能估算。有了轨道车以后，葡萄放到轨道车上可以自动称重，葡萄园的产量一目了然。每个大棚确定产量后，再配合摄像头确定的葡萄串数和串型，经过AR学习，系统就可以实现AR测产。以后，葡萄园内的葡萄一旦结果，“超级农场”就可以测算出本季葡萄会有多少产量，对葡萄的后期销售起到指导作用。　　当然，超级农场里的葡萄不仅要产质高，还要销量好！浦江正积极推动葡萄产业农业供给侧改革，从产量品质、冷链保鲜、数字营销等环节优化，提升葡萄销量。对于销往远处的葡萄会先进入智能冷库进行降温处理，从而保障葡萄在长途运输之后依旧能保持新鲜品质，另外，浦江还积极推动线上直播、线下葡萄节等新型销售方式，促进葡萄的产销一体化转化，从而为种植主体带去实实在在的好处。　　据悉，“超级农场”试点成熟后，将应用于浦江所有葡萄园。“AR测产三年内会在全县50亩以上规模葡萄园进行全面推广应用。”浦江农业局信息中心主任潘青仙说，以后浦江全县葡萄产量如何，他们可以更快更精准地掌握数据，为销售环节提供参考，助力葡农增收。　　十里阳光葡萄园的负责人何志刚表示，超级农场通过数字化改造完成以后，极大地提高了工作效率，获得了更高的经济效益，使我们的产品在市场上脱颖而出。　　托普云农技术负责人向我们透露，作为超级农场的技术支持者，托普云农将打造更多创新应用模式，持续推动农业单品全产业的数字化转型升级，提高农产品的附加值，为乡村振兴产业数字化出一份力。

MALDImini-1是一款设计十分紧凑的MALDI离子阱质谱仪，相比其他同类设备，尺寸更加小巧。利用岛津独有的“数字离子阱”（DIT）技术（一种新型的光学系统）可有效缩减质谱仪尺寸，从而确保仅占用客户工作台上很小的空间。数字离子阱（DIT）技术在有效缩减仪器尺寸的同时，还可运用其MS多级分析功能，作为鉴定未知化合物结构的实用工具。一款能够做MALDI-MSn且体积mini的设备。特点一：占用空间小体积小巧、易于安装。A3纸大小，节省空间和占地面积，重量25kg内置真空泵，可通过电源安装在任何地方特点二：快速分析样品制备后可立即开始测量，轻松进行MS分析，插入样品板后仅需5分钟即可抽真空，开始分析。特点三：微量上样量对体积单位低于ul的样品，依然可实施复杂结构分析。特点四：宽范围质量范围和多级MS使用MALDI+DIT在宽质量范围内进行高灵敏度MS 和 MSn 测量。宽范围的质量范围，上限可达70000m/z,可与TOFMS媲美。MS多级，可以做多级结构分析。特点五：岛津独有数字离子阱（DIT）技术数字离子阱（DIT）技术，使用矩形波RF捕获离子，因此可实现体积小巧。特点六：独特的离子光学系统和布局激光光学系统、样品台和真空排气系统均已经过优化，进一步减小设备的尺寸。离子和激光光学器件引导激光束垂直于孔板轰击样品，实现高离子透射率的同时让布局更为紧凑。电离后，离子束偏转90°，确保离子更有效地转移到离子阱。创新点：MALDI源与数字离子阱结合的迷你设备。岛津独有的数字离子阱（DIT）技术，使用矩形波RF捕获离子，实现仪器设备的小巧紧凑体积。无需高电压即可捕获高质量分子。可以检测MS多级，用于结构解析。基质辅助激光解吸/电离数字离子阱质谱仪