在光谱仪的研究上，浙江大学频出佳绩。前不久，该校的马耀光研究员和团队造出一款微纳光纤锥光谱仪。

这款光谱仪可以通过微纳光纤锥的结构，来对光谱信息进行编码。其工作波段范围为 450nm-1100nm，针对输入光的分辨率能够达到 1.5pm 级别，核心元件成本的低于 15 美元。

图 | 马耀光（来源：马耀光）

对于应用前景，马耀光坦言：“实际上我们在一开始并没有过多考虑关于应用的问题，因为不同场景有着不同的要求。哪怕是同样的器件，也需要做不同的细节设计，比如改动封装结构和算法等。”

针对目前的器件，他们使用紫外固化胶把微纳光纤固定在互补金属氧化物半导体探测器上，然后再将整个器件固定在一个基板上，借此实现稳定的结构。

（来源：eLight）

如果要走向实际应用，还需要课题组在微纳光纤制备、探测器集成等方面进行更多探索，以便实现制备封装的自动化。

目前微型光谱仪已经有不少可以应用的场景，这也是当下微型光谱仪颇受欢迎的原因之一。具体应用上：

其一，可以实现物质成份的探测。比如，对于扫地机器人来说，它必须能对不同材质进行识别。而光谱信息可以配合视觉信息，来让扫地机器人对物体的大小、材质等多种参数进行综合判定。

其二，在安检场景中，微型光谱仪也具有很大的应用市场。目前市面上的各种光谱检测特别是高分辨率检测，往往依赖于体积巨大的光谱仪（m^3 数量级）。

如果微型光谱仪可以得到普及，将给交通枢纽、水质检测、农产品检测等领域带来“福音”。

届时，在检测相关数据时只需要将一个指甲盖大小的模块连接到手机，模块的一端就会伸出一根光纤来对信号进行采集，将数据通过手机算法进行处理之后，就可以快速得到分析结果。

其三，人类的日常生活遍布光谱。我们每天都在使用的显示屏、照明灯具、手机摄像头等，都需要借助光谱检测设备对其进行不定期测量，以让设备性能和功能得到保障。

有了微型光谱仪，就可以根据需要来调整显示器的颜色、根据不同环境甚至根据使用者的心情微调手机色调，并能让手机摄像头对现实世界的颜色进行更细致、更准确的识别，从而助力色彩优化以及对焦速度提升等。

可以预想的是，当光谱仪得到微型化之后，制备成本的下降，会让许多原本用不起或用不了光谱仪的场景得到重新定义，所衍生的应用场景可能比想象中更丰富。

另外，此次提出的光纤锥方案，并不受限于光谱仪的工作范围。如果有合适的材料，完全可以制备适用于中红外、近红外、紫外等其他的波段的光谱仪。只要有合适的波导材料和探测器，在制作、标定和测试上都是兼容的。

让光谱仪分辨率达到 1.5pm

而在科学研究和工业生产中，光谱仪也是非常重要的设备。它既可以反应物质的成份，也可以展示材料的光学特性。

从原理上讲，光谱仪可以分成四类：色散型、滤光片型、傅里叶变换型和计算重建型。

人们了解和研究最多的就是色散型。但是，色散型光谱仪往往体积比较大，因为它需要通过利用空间距离来让不同频率的光线分开。

而滤光片型光谱仪通常很难拥有较高的分辨率，因为过高的分辨率会导致整个光谱仪的透过率被严重压低，从而影响测量的效率和精度。

傅里叶变换型光谱仪则是利用干涉仪结构来反算光谱，一般来说其结构最为复杂，哪怕是片上傅里叶变换型光谱仪的改进版本，也需要大量谐振腔和波导的配合，加工难度和调试难度都比较高。

计算重建型光谱仪是近几年才兴起的研究方向，它一般是通过某种结构对光谱进行编码探测，再借助相应算法进行解调，即可获得光谱信息。马耀光课题组本次研发的光谱仪，正是属于这一类型。

（来源：eLight）

他解释称：“计算重建是指在加工微纳光纤时，可以通过工艺参数来控制光纤锥的形貌。使得信号光输入到光纤中，并在光纤中产生传输模式的时候，光纤锥的形貌会对这些模式进行调控，进而通过模式耦合产生大量的高阶模式。”

所产生的高阶模式的数量和耦合系数都是频率的函数，所以就可以把光谱信息包含进来，这也是编码过程的开始。

同时，这些高阶模式在传播时，也会逐渐随着光纤直径变细而被截止，这时就会从传播模式转换成泄漏模式，并在探测器上发生干涉，形成结构复杂的散斑。

当输入光场的光谱发生细微变化之后，就会在散斑中表现出来，这也意味着编码过程的完成。这时，就可以探测和解调泄漏的光场中包含的光谱信息。

据了解，在对光谱仪进行微型化的时候，往往会受到加工工艺、结构设计等方面的限制，从而导致工作范围、分辨率、器件成本等性能参数遭遇限制。

而马耀光课题组研发的新技术，在使用简单结构和加工方法的同时，还能保持较高的器件性能。

在研究微纳光纤时，人们一般希望光场在光纤中传播得尽可能长，所以光纤的拉制过程需要保持近似绝热的条件。并且在实验中，研究人员也多是选择结构最平坦、直径最均匀的部分。

马耀光说：“我们则是反其道而行之，即将光纤锥做得非常陡，并且越是靠近锥尖，陡度做得越大。”

这样做的好处在于，可以利用特殊的形貌来对光场进行调控，从而产生尽可能多的模式耦合和演化。

在以往的微纳光纤工作中，人们认为光场传输的损耗越小越好。而该团队的工作采用不利于传输的泄漏模式，借此对光纤进行形貌控制和非对称弯曲，让光纤中的导模尽可能地转变为泄漏模并形成散斑，并利用神经网络方法来对散斑的复杂信息进行解读。

这一方法也给课题组带来了如下启发：借助简洁的结构完成较高性能的思路是完全可行的。

（来源：eLight）

科研往往是在曲折中前进的。2021 年初，在研究伊始他们并未采用散斑探测的方法。

在缓变光纤锥中，对于不同波长的传导模来说，它们被衬底散射所产生的泄漏光波，呈现出一定的分布特性。因此，可以利用在衬底上产生的泄漏来进行波长的分辨。

在最初开展的实验中，他们遇到了瓶颈，课题组发现这种方法的效果上限比较低，只能做到大约 3nm 到 5nm 的分辨率。

于是，他们不再观察较大的位置变化，而是改为对细节散斑进行测量。这一改进让实验效果得到了巨大提升，很快他们就把分辨率做到亚纳米。理论分析结果也显示，借助该方法甚至可以做到更高的分辨率。

而此时碰到的新问题在于：很难找到矫正光源。一方面他们需要极窄的线宽，另一方面又需要比较大的可调范围。

经过一番研究探索之后，他们顺利解决了这一问题，器件性能也得到了提高。2022 年元旦过后，分辨率指标已能做到 100pm 以下。马耀光说：“当时我们就想进一步做高光谱成像的应用，并对器件可用性进行测试。”

于是，他们制备了多根光纤，将其集成在同一片互补金属氧化物半导体探测器上。接下来，他们又完成了逐根固定的工艺流程和光谱矫正的工作。

之后，对于计算重构的算法、光源稳定性以及测试算法等过程，课题组又对其细节加以改进，最终让光谱仪的分辨率达到 1.5pm 左右。

日前，相关论文以《具有皮米级分辨率的微型漏模光谱仪》（Microtaper leaky-mode spectrometer with picometer resolution）为题发在 eLight 上，硕士生岑青青和博士生片思杰是共同一作，马耀光担任通讯作者。

图 | 相关论文（来源：eLight）

“老师不会胡乱指挥，学生不会敷衍应付”

事实上，一开始在搭建光纤拉制设备时，他们发现当时国内的相关课题组都是采用火焰加热拉伸法来制备微纳光纤。

火焰的成本比较低，在生成上也比较容易。但是，火焰会受到气流的影响，所以很容易变得不稳定。

于是，该团队打算采用电加热的方式来拉制光纤。然而，在拉制光纤时需要使用加热区间比较小的加热器。

当时，他们发现只有一家日本公司售卖这样的器件，一个简单的电加热器居然卖 2 万多元，那么效果到底如何？

于是马耀光借来一个同款加热器进行测试，结果发现这款加热器不仅性能不够好，而且还很容易被损坏。

他说：“我就想与其花 2 万买一个，还不如我自己设计一个。于是我和刘鑫航花了大约三周时间，对加热器结构进行初步设计。后来，岑青青和唐雨薇对结构进行了细节优化。”

其中，针对外面的保温层、以及里面容易被损坏的加热部件，他们采取了独立设计的方法。这样一来，当加热部件损坏之后，可以随时进行更换。

就这样，他们自己采购原材料，自研了一套电加热器。不仅加热区间比日本产品窄了一半，温度的稳定性也更好，而且总成本不到 2000 元。

对于本次研究来说，电加热器只是最简单的一部分。不过这件事也让大家认识到：一个工作能否做好，其实是由很多小细节综合决定的。

就像制备电加热器一样，一个看起来很难完成的任务，只要找到合理的设计就可以研发出来。经此一役，对于利用最简单的结构完成最好的光谱测量参数这一核心目标，大家也变得更有信心。

后续，无论是对泄漏光场进行位置测量，还是对泄漏光场进行散斑测量，亦或是通过不断修正算法来改进系统，大家都没有被过程中的困难击败，而是将项目坚定地往前推。

马耀光说：“我想一个团队的进取精神，就是在制作加热器这样的小事中慢慢形成的。过程中，老师和学生之间互相建立起信任感，老师不会胡乱指挥，学生不会敷衍应付，最终形成一个有力的团队。”

（来源：eLight）

引导学生“怀疑一切”的老师

另据悉，马耀光在个人主页上写道：“好的老师教你知识的目的是让你怀疑一切”。

这是他对于教育的独特思考。有时国内教育会以“塑形”为主，学生往往过于顺从，以至于失去做事的热情。

他说：“我们学院的学生就有这样的倾向，对于一个课题自己没有动力做调研，更希望老师直接教。我认为应该让同学们自己认识到课题的意义，这样他们才会积极参与，而不是被动应付。”

事实上，马耀光在上课时从来不点名，实验室也不采用打卡的制度，就是希望让大家自由地发挥。

“并且在培养学生上，我认为要让他们多多运用自己的知识，来对教材、论文或者我本人的观点进行批判性理解。因此，每次我们开周会都是一个思想碰撞的过程。这时，大家平时是否投入、是否充分理解了自己的课题，就会变得一目了然。”他说。

这样一来，在形成更深刻的理解的同时，学生还可以快速形成自己的 idea，从而建立科学探索的基本逻辑。

在这样的训练之下，学生们在毕业之后也可以更从容地独立承担科研任务。哪怕不走科研这条路，这种独立思考的能力无论在哪里都有帮助。

马耀光指出，他和团队的核心研究思想是：尽量使用简洁的设计去实现复杂的功能，也就是 less is more。未来，他们会继续沿着这条思路，把偏振信息的探测结合到光谱仪里，以期在实现多模态探测的同时，还能让光纤制备和器件封装都通过机器自动完成，从而保证相应的良率。

参考资料：

1.Cen, Q., Pian, S., Liu, X.et al. Microtaper leaky-mode spectrometer with picometer resolution. eLight 3, 9 (2023). https://doi.org/10.1186/s43593-023-00041-7