近日，浙江大学信息与电子工程学院杨宗银教授团队联合浙江理工大学彭文俊研究员、剑桥大学Tawfique Hasan教授，成功研发出一种基于塑料材料的新型微型光谱仪。该技术不仅成本低廉，而且性能稳定、易于量产，为光谱分析设备的小型化和普及化提供了全新路径。这项具有突破性的研究成果发表于国际顶级学术期刊《Science Advances》，并被选为当期封面文章重点推介。研究首次将常见塑料材料引入微型光谱仪的核心结构，利用其双折射效应实现空间光谱编码，开创了一种无需光刻工艺、可大规模生产的宽带微型光谱解决方案。该微型光谱仪可覆盖从可见光到短波红外（400–1600 nm）的宽谱段范围，具备优异的线扫描成像能力，展现出广泛的应用前景，有望推动光谱技术在消费电子、环境监测、医疗诊断等多个领域的落地应用。“借助塑料这一廉价而强大的材料，我们正在打开通往低成本、高效率光谱分析的大门。”项目负责人杨宗银教授表示。
灵感来自手机摄像头：塑料能替代玻璃镜头也能替代玻璃分光元件
图1. (A 和 B) 分别为塑料在相机和光谱仪模块中替代玻璃的示意图。(C) 实验室中塑料产品的彩虹现象。(D) 双折射效应原理示意图。(E) 应力调控示意图。(F) 环氧树脂的动态机械分析（DMA）曲线。(G) 内部应力施加过程中拉伸比例、应力大小和温度的曲线。(H) 环氧树脂的应力保持与 PMMA 的应力松弛对比。
现代智能手机的摄像头早已不再依赖传统玻璃镜片，而是广泛采用高性能塑料透镜，并结合先进的图像算法实现了超高清成像。这种趋势启发了研究人员：既然塑料可以用于高质量成像，是否也可以用来构建光谱仪的核心部件？答案是肯定的。研究人员提出了一种全新的思路：研究团队使用形状记忆环氧树脂（SMPs），通过可控机械变形在材料中引入梯度应力，制造出具有分光能力的“塑料棱镜”，实现对光的精确色散调控。这种塑料不仅能替代传统光谱仪中昂贵的光学元件，还能覆盖从可见光到短波红外（400–1600 nm）的宽谱段范围，具备极强的应用潜力。
塑料也能“变彩虹”：揭秘背后的物理机制
日常生活中，我们常能看到塑料制品在偏振光下呈现出彩虹般的色彩，这是因为它们在制造过程中经历了不均匀的应力施加和固化过程，从而产生了双折射效应 ——不同应力的位置会呈现不同的颜色（图1）。
研究人员正是利用这一现象，通过对塑料进行不同程度的拉伸控制内部应力分布，进而调控其透过光谱。实验表明，矩形或三角形塑料在不同拉伸比例下，其颜色和光谱响应都会发生显著变化。更重要的是，他们成功实现了在12 cm × 12 cm 的塑料基板上一次性制造近50片光谱渐变薄膜，且具备良好的一致性，同时提出了支持大规模生产的流水线系统，真正实现了“低成本+高通量”的制造目标（图2）。
图2. 环氧树脂薄膜中的应力调控设计。(A - C) 矩形薄膜拉伸的仿真、实验与透过光谱。 (D - F) 三角薄膜拉伸的仿真、实验与透过光谱。(G - I) 大规模薄膜拉伸的仿真、实验与透过光谱一致性。 (J)大规模生产示意图。
低成本、高性能、便携化：打开光谱应用新大门
图3. (A) 微型光谱仪实物图。(B) 原理示意图。(C) 微型光谱仪的光谱传输矩阵。(D) 单色光还原结果。(E) 相距10 nm的双峰光源还原结果。(F) 宽谱光的还原结果。(G)分波段的光谱成像结果。(H) 光谱成像结果与RGB相机的对比。(I) 红色、绿色和蓝色像素的还原结果。
传统的光谱仪往往体积庞大、价格高昂，限制了其在消费电子、环境监测、医疗诊断等领域的普及。而这项新技术打破了这一瓶颈。研究人员将这种塑料薄膜直接集成在商用CMOS图像传感器上，形成一个完整的微型光谱系统。配合先进的计算光谱重建算法，它能够准确识别物质的光谱特征，甚至可用于线扫描光谱成像（图3）。
图4 (A) 在400到1600 nm的光谱范围内重构结果与商用光谱仪测得的光谱进行对比。(B) 重构出400-1600 nm宽谱光，并且与商用光谱仪对比在不同波长下的双峰光谱性能。
该微型光谱仪对单色光、双峰光以及宽谱光源的还原结果都表现出良好的一致性，在可见光波段分辨率达到10 nm ，而在更宽泛的400–1600 nm范围内，平均峰值误差仅为0.73 nm ，展现出卓越的性能表现（图4）。
这项工作不仅推动了微型光谱仪的技术革新，也为未来可穿戴设备、植入式传感器、消费电子产品的发展提供了全新路径。
标题：Stress-Engineered Ultra-Broadband Spectrometers
期刊：Science Advances
浙江大学信息与电子工程学院为该研究的第一单位，杨宗银教授为该研究的通讯作者。杨宗银教授长期致力于新型半导体材料的合成和物理机理、超材料设计与制造，以及新材料新结构在光谱仪，激光器，传感器，热电器件，发光二极管和太阳能领域的应用，以一作或通讯在Science, Nature Photonics，Science Advances，Nature Communications, Light: Science & Applications，Nano Letters 和JACS 等顶级期刊上发表多篇论文。浙江理工大学材料科学与工程学院彭文俊研究员和剑桥大学Tawfique Hasan教授为该论文共同通讯作者。浙江大学信息与电子工程学院博士生张弓远与剑桥大学电子工程系博士后Tom Albrow-Owen为共同第一作者。该研究由国家重点研发计划、国家自然科学基金等资助完成。
论文链接：
https://www.science.org/doi/pdf/10.1126/sciadv.adu4225
