廉价的基于芯片的设备可以改变光谱测定

光谱仪 - 区分不同波长的光并用于确定从实验室材料到遥远恒星的所有物质的化学成分的设备 - 是具有六位数价格标签的大型设备，通常可在大型大学和工业实验室中找到或天文台。

麻省理工学院研究人员的一项新进展可以生产出精确而强大的微型光谱仪，但可以使用标准的芯片制造工艺进行批量生产。这种方法可以开辟以前在物理上和经济上都不可能的光谱测定的新用途。

今天在“ 自然通讯 ”杂志上，麻省理工学院材料科学与工程副教授Juejun Hu，博士生Derek Kita，研究助理Brando Miranda以及其他五篇论文中描述了本发明。

研究人员表示，与目前的仪器相比，这种在芯片上制作光谱仪的新方法可以在性能，尺寸，重量和功耗方面提供重大优势。

其他团体已经尝试制造基于芯片的光谱仪，但存在一个内在的挑战：设备使用任何传统光学系统基于其波长散布光的能力高度依赖于设备的尺寸。“如果你把它缩小，性能会下降，”胡说。

另一种类型的光谱仪使用称为傅立叶变换的数学方法。但是这些设备仍然受到相同尺寸限制的限制 - 长光路对于获得高性能至关重要。由于高性能器件需要长的，可调谐的光程长度，因此与其台式对应物相比，小型光谱仪传统上较差。

相反，“我们使用了不同的技术，”Kita说。他们的系统基于光学开关，可以在不同光学路径之间瞬间翻转光束，光学路径可以具有不同的长度。这些全电子光学开关不再需要现有版本所需的可移动反射镜，并且可以使用标准芯片制造技术轻松制造。

Kita说，通过消除运动部件，“在坚固性方面有很大的好处。你可以将它从桌面上掉下来而不会造成任何损坏。”

通过以两次幂的增量使用路径长度，这些长度可以以不同的方式组合以复制指数数量的离散长度，从而导致潜在的光谱分辨率随着片上光学开关的数量呈指数增加。它的原理相同，只需将少量标准砝码组合在一起，即可通过平衡秤精确测量各种砝码。

作为概念验证，研究人员签订了行业标准的半导体制造服务，以构建具有六个顺序开关的器件，产生64个光谱通道，内置处理能力来控制器件并处理其输出。通过扩展到10个开关，分辨率将跳至1,024个通道。他们将该设备设计为即插即用单元，可轻松与现有光网络集成。

该团队还使用新的机器学习技术从有限数量的通道重建详细的光谱。Kita说，他们开发的方法可以很好地检测宽谱和窄谱峰。他们能够证明其性能确实与计算相符，从而为各种应用开辟了广泛的潜在进一步发展。

研究人员表示，这种光谱仪可以应用于传感设备，材料分析系统，医学成像中的光学相干层析成像，以及监测光网络的性能，当今大多数数字网络都依赖于此。Kita表示，已经有一些公司联系了该团队，他们对这种微芯片光谱仪的可能用途感兴趣，他们承诺在尺寸，重量和功耗方面具有巨大优势。胡补充说，人们还对应用于工业过程的实时监测以及石油和天然气等行业的环境传感感兴趣。