【资讯】浙江大学：色散微涡旋片上集成光谱仪

近日，浙江大学光电学院张博副研究员、邱建荣教授等利用超快激光及流体动力学方法，在热塑性基体中成功构建了自组织色散微涡旋，使得在极其紧凑的空间中可以精确产生具有复杂光谱响应、可灵活调控、稳定、便于集成的微尺度光学色散，研制出具备宽工作范围、高精度、高鲁棒性、低成本的微型片上光谱仪和光谱成像器件（图1）。该方法为新型超宽带片上微型光谱仪、高光谱成像系统等提供了全新技术方案，为三维集成光子学的发展提供新思路。

图1 超快激光诱导自组织色散微涡旋

在自然界中，当流体速度场不均匀且存在黏性时，就会产生涡旋（如河流中的漩涡现象）。受此启发，研究团队提出利用超快激光的局域高温高压，在具有热软化和可流动特性的聚合物基质内部人为构建梯度光学调制结构，调控材料流动的速度梯度，这种速度梯度会驱动黏性流体中产生涡量，形成自组织微涡旋（图2）。涡旋形成区域具有复杂应力集中，表现出显著的光学各项异性，结合光弹效应产生微尺度光学色散信号。色散微涡旋的产生具有显著的顺序依赖性与方向依赖性，即涡旋总是出现在先前形成的光学调制区域中，并沿着次级辐照中心向初始辐照中心的轴线方向对称排列。

图2 色散微涡旋的形成原理

微涡旋的产生是一个极简的自组织过程，这使得色散微涡旋具有大规模制备能力和极高的重复性；同时，其尺寸可压缩至10 µm×10 µm的超紧凑型空间内，比传统色散元件小几个数量级。色散微涡旋可以在透射模式和反射模式下工作，兼容不同类型的光学系统，可在400-1550 nm 的超宽波段内工作，且对入射角度不敏感，特别适合集成到可能面对机械振动/冲击的户外便携式设备中（图3）。该方法还具有跨材料通用性，可以根据具体应用场景选择具有特定物理化学性能的基板，如更高耐热性、耐化学腐蚀性或生物相容性，从而进一步提升器件的环境适应性。

图3 色散微涡旋的优异性能

该研究提出的色散微涡旋策略，在片上集成光谱探测和显微高光谱成像等领域具有广泛应用前景。色散微涡旋能够通过对入射光进行复杂的梯度相位调制，并行生成多种不同的光谱特征，可等效为多个在像素尺度上运行的微型光谱响应单元集合，从而无需外部刺激即可在微米级尺寸内实现丰富的光谱响应（图4）。基于色散涡旋的片上集成光谱系统在可见光至近红外的超宽工作波长范围内对于单峰、双峰、宽谱均展现出灵敏、稳定的探测能力，波峰误差仅0.15 nm，波长分辨力λ/?λ 达6000，双峰分辨率高达3 nm。

图4 基于色散微涡旋的光谱探测

色散微涡环展现了超高分辨率显微光谱成像能力，对于微尺度物质的无损检测一直是细胞学和生物医学领域的挑战，而在该研究中，仅利用单个色散微涡旋中10 µm×10 µm的光谱响应单元即可实现对复杂微观生物细胞的高光谱成像（图5），成像精度可达1 µm，分辨率高达25400 dpi。光谱成像数据包含了超越传统RGB显微镜的高维信息，能够清晰地区分在RGB模式下具有近乎相同视觉特征的微观亚结构。

图5 基于色散微涡旋的光谱成像

色散涡环的创建完全通过自组织材料改性实现，无需EBL等纳米制造工艺，极大降低了应用成本。鉴于微尺度光学色散元件优异的可扩展性、稳定性、可重复性和经济性，这种集成光谱探测架构可广泛应用于包括环境监测、生物医学、食品安全和工业检测等多种场景，尤其是在极端条件下的一次性/消耗性任务中具有显著优势。

参考文献： 中国光学期刊网

您好，可以免费咨询技术客服[Moli]

官网 筱晓(上海)光子技术有限公司

欢迎大家给我们留言，私信我们会详细解答，分享产品链接给您。

免责声明：

资讯内容来源于互联网，不代表本网站及新媒体平台赞同其观点和对其真实性负责。如对文、图等版权问题存在异议的，请联系我们将协调给予删除处理。行业资讯仅供参考，不存在竞争的经济利益。