撰稿|由课题组供稿
角分辨光谱仪同时携带物质的结构和“指纹”信息，可以精确检测材料和结构参数，为智能感知技术开拓了一个新的信息维度，在工业自动化、智慧医疗、机器视觉、消费电子等诸多领域有着巨大的应用需求，如在13.5纳米EUV光刻系统中用于描述薄膜粗糙度，在医学领域实现早期癌症的诊断，在集成电路和光电子产业的微纳制程中测量纳米结构的特征等。然而传统的角分辨光谱仪常用样品的逐步旋转和后焦平面成像两种技术。特别是后者由于具有以更简洁和快速的方式检测角度信息的能力，最近已经被商业化（例如，www.ideaoptics.com）。传统的基于后焦平面成像的角度分辨光谱仪由物镜、伯特朗透镜、可动镜、狭缝和光谱仪组成。物镜将相同角度下的入射光转换到后焦平面上的相同位置，由伯特朗透镜投影到光谱仪的狭缝中。通过控制可动反射镜，可以记录后焦平面上的所有光谱信息。该技术尽管取得了持续的成功，但包含成像装置和光谱仪的系统对于下一代光子仪器来说太大（米），因此阻碍了它们在物联网、定点诊断和消费电子等新兴领域的应用。
针对以上难题，哈工大（深圳）微纳光子学团队提出了一种基于动态超表面阵列的角度分辨光谱技术。该技术原理如图1所示，通过把集成液晶的二氧化钛超表面与钙钛矿探测器直接结合形成微型化阵列光谱仪，将入射光的光谱信息进行编码，随后根据单像素光电探测器采集到的透射光强随液晶电压的变化关系，通过重建算法对多维光场信息进行解码，恢复重建入射光的光谱信息，进一步将阵列光谱仪集成到超构透镜的后焦面，利用重建不同平面位置的单像素光电探测器的光电流，可以实现高角分辨率的光谱实时探测，相关研究于2023年11月2日以“Compact angle-resolved metasurface spectrometer”为题发表在《自然-材料》（Nature Materials，DOI：10.1038/s41563-023-01710-1）上。
图一：角分辨集成光谱仪的系统设计图
为了同时实现高光谱分辨率和高角度分辨率，该系统将基于动态超表面的微型光谱仪阵列与超构透镜直接集成在一起。其中微型光谱仪由面积仅有 4×4 μm2的超表面阵列组成，通过设计优化，超表面在可见光波段可以支持多个各向同性的高品质因子谐振模式，在超表面结构上集成厚度约为2微米的液晶层，通过对液晶上下基板施加不同大小的直流电压时，超表面透过率会随液晶转角变化而发生变化，不同谐振的变化程度具有明显的弱相关性，从而保证光谱信息计算重构的准确性。进一步的将由微米量级像素光谱仪集成到超构表面的后焦面上，不同角度出射的光会聚焦在不同像素点上，微米量级的像素点可以保证高角度分辨率的实现。
图2：角分辨集成光谱仪的工作原理图。（a）工作原理示意图。（b）后焦面实现彩色图像的光谱重建。（c）单个光谱仪像素的示意图。（d）多次测量的输入控制液晶电压步长。（e）重建光谱的信噪比的变化。
理论上，入射光会被TiO2超表面调制，然后被钙钛矿光电探测器吸收。光电探测器信号表示为：
其中 I(λ), Ti(λ), η(λ) 分别为入射光的光谱、超表面的透射率和光电探测器的光谱响应率。单个纳米结构和周期性图案之间的相互作用使超表面具有丰富的 Ti(λ) 光谱特征，例如尖峰和宽带背景。这些光谱特征与超表面中不同的场分布相对应，并单独对外部扰动（如周围折射率）做出响应。通过渗入液晶并施加外部电压，一个超表面足以产生一系列随机 Ti(λ) ，然后，利用基于神经网络的重构算法，就可以从测量到的 Si和 Ti(λ) 中获得入射光 I(λ) 的光谱信息。
实验上，团队结合电子束曝光技术、反应离子刻蚀技术和剥离技术等，制备出了由液晶，TiO2超表面与钙钛矿光电探测器构成的微型光谱仪。该光谱仪能准确对宽带光谱、准单色光以及汞灯谱线进行光谱重构。为了进一步确定光谱仪的极限光谱分辨率，团队测量了具有回音壁模式的圆盘激光器的高密度周期性WGM激光出射峰，验证了光谱仪具有高波长精度（0.17）、高光谱分辨率（~0.4 nm）和大线性动态范围（~149 dB）的特点。钙钛矿探测器面积的减小使得探测器背景噪声得到有效的抑制，因此光谱仪更是具备了弱光探测的优势，在仅有3.3×103个光子的光照强度下依然能保持光谱测量和重建的能力；超表面的设计优化保证了像素阵列的均一性，因此该光谱仪阵列还可以获得图像重构的功能，实现对彩色图像的同时成像和光谱分析。团队进一步将光谱仪与超透镜结合获得角度分辨性能，通过测量不同平面位置的像素单元的光电流可以重构得到不同出射角度的光谱信息并获得后焦面图像，角度分辨率达到了 4.88×10-3 rad。
该项工作是微纳光电子与光谱技术的深度交叉融合，首次展示了一种具有创纪录的小尺寸、高光谱分辨率和高角度分辨率超小型角度分辨光谱仪，该工作所采用的加工方式与CMOS工艺和标准液晶封装工艺完全兼容，具有大面积量产的潜力和优势；系统单次光谱测量和计算恢复所需总时间约15.7ms；像素面积仅有 4×4 μm2，系统总体积仅为0.226 mm3；实现的光谱和角度分辨率都达到了现有仪器的先进水平。该技术为发展下一代小体积、小重量、低功耗的光学成像、即时检测、可穿戴光电子器件开拓了新的思路。
该论文第一作者为哈工大（深圳）博士研究生蔡贵一与李言浩，通讯作者为哈工大（深圳）宋清海教授，肖淑敏教授，鹏城实验室余少华院士与澳大利亚国立大学尤里·基夫沙尔教授。该项研究得到了国家重点研发项目、自然科学基杰出青年项目、深圳市基础研究重点项目和哈尔滨工业大学中央高校基本科研业务费专项资金资助等的支持。
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