革命性微型光谱仪具备巨型对手的强大性能

在加州大学圣克鲁兹分校，科学家们正在研究创新的方法，以生产不仅紧凑而且高效的光谱仪，使其适用于医疗诊断和天文观测等多种用途。经济的制造过程使这些设备更加可获得，并能适应特定的用途。

研究团队由加州大学圣克鲁兹分校电气与计算机工程教授霍尔格·施密特和天文学与天体物理教授凯文·邦迪组成，他们的研究成果已发表在著名期刊APL Photonics上。

研究人员展示了一种具有惊人波长分辨率的突破性光谱仪，其波长分辨率为0.05纳米—大约是人发的1.6百万分之一，提供与尺寸大1000倍的光谱仪相同的分辨率。

“从本质上讲，这与大型、常规、昂贵的光谱仪的性能相匹配，”论文的主要作者施密特解释道，他是光探测芯片技术的资深专家。“这是相当显著的，并且具有高度竞争力。”

微型设备

光谱仪的微型化是一个活跃的研究领域，因为这些仪器在众多领域至关重要，但其尺寸可以与三层楼的建筑相当，且价格不菲。然而，小型光谱仪通常无法达到较大仪器的性能水平，并且由于需要精确的纳米制造，制造起来可能困难且费用高昂。

加州大学圣克鲁兹分校的团队开发了一种在没有常规昂贵生产方法的情况下实现高性能的设备。他们的创作是一个小型强大的波导，固定在芯片上，能够根据颜色将光引导成特定的模式。

芯片的数据使用机器学习算法进行处理，这些算法解释光波长模式，以惊人的精确度重建图像—这种技术被称为“重建光谱测量”。

这种方法确保了精确结果，因为机器学习算法不需要异常精确的输入来识别光模式，并可以通过优化硬件不断提升其性能。

因此，研究人员可以使用相对简单且经济的制造方法来生产这些芯片，所需的流程只需几小时而不是几周。轻巧紧凑的芯片是在加州大学圣克鲁兹分校设计的，并在雅芳大学的亚伦·霍金斯教授及其本科生团队的帮助下制作和完善。

霍金斯指出：“这个过程比更复杂的芯片设计简单，只需一个光刻掩模，显著简化和加速了制造过程。具备基本能力的人可以再现这项技术，并根据他们的需求创建类似的设备。”

解读星星

研究人员设想了这项技术的众多潜在应用，最初专注于为天文学开发强大的工具。他们相对便宜的设备将允许天文学家根据特定的研究目标对其进行定制，这在大型仪器上几乎是不可能的，而大型仪器的价格往往高达数百万。

研究团队旨在使这些芯片能够在加州大学运营的利克天文台望远镜上发挥作用，首先捕捉星星的光线，随后扩展到其他天文现象。借助这样的精确度，天文学家能够深入理解外星行星的大气成分或探索微弱矮星系中的暗物质。这些设备的低成本将便于其适应研究人员独特的需求，而这是传统设备往往无法实现的。

利用加州大学圣克鲁兹分校在天文自适应光学系统方面的丰富经验，研究人员正在合作寻找有效的方法，以捕捉来自遥远天体的微弱光线并将其引导到微型光谱仪中。

邦迪解释道：“在天文学中，将设备集成到望远镜上并通过它获取光线会带来意想不到的挑战—这比实验室的工作复杂得多。此次合作的优势在于我们实际上拥有一台望远镜，使我们能够在强大的自适应光学系统下测试这些设备。”

健康等领域的应用

除了天文学，研究还突出了这项工具在荧光检测方面的能力，这是一种用于多种医学应用（包括癌症检测和识别传染病）的非侵入性成像技术。

未来，他们计划增强技术以进行拉曼散射分析，该分析利用光散射识别独特分子—通常用于专门测试以检测特定物质，例如人体内的药物或环境污染物。鉴于其简洁的设计，该设备在野外工作中将具有实用性和坚固性。

研究人员还表明，可以将紧凑的波导串联排列，以改善系统的性能，每个芯片能够测量不同的光谱，从而提供有关观察光的额外数据。虽然他们目前演示了四个波导协同工作的效果，但施密特设想了一种情境，其中数百个芯片同时工作。

这是首次以这种方式同时使用多个芯片。研究团队将继续完善设备的灵敏度，以实现更高的光谱分辨率。