Curve:科學家利用多功能超表面設計光譜儀，為片上光譜儀提供全新思路_Metal

光譜儀是一種光學儀器，其在基礎研究、生物傳感器、食品安全、藥品檢測、環境監測等領域應用較廣。

以生物檢測為例，通過光譜儀能比較包括病在內的分子，對早期癌癥的檢測和治療十分重要。在成像方面，通過光譜儀可測出波長信息，是光學領域中非常重要的參數之一。

目前，隨著技術的發展，盡管商用光譜儀的體積已經比早期縮小很多，但總體的體積仍然較大。主要原因在于光譜儀中的色散元件等關鍵器件的體積比較大，再加上集成很多其他器件，導致光譜儀的整體體積龐大，其昂貴的成本也一直無法突破。

很多國內外課題組致力于發展光譜儀的微型化，但不可忽視的是，在光譜儀有限的體積內很難將整個系統很好地集成。

圖丨英國赫瑞瓦特大學陳獻忠副教授與課題組成員

近期，英國赫瑞瓦特大學與華北電力大學等團隊合作，開發了一種新型超表面光譜儀，不僅實現了傳統光譜儀的功能，還通過制備多焦點超透鏡，能夠調控不同波長光束色散。通過該光譜儀實現了尺度為300微米、帶寬為180納米的可見光范圍中，精度可達到納米級別。

由于超表面的二維納米結構的超平、超薄的特點，使得這種超表面光譜儀的體積可被制備得很小，僅為幾百微米，系迄今世界上體積最小的光譜儀。該研究拓寬了片上光譜儀、信息安全、信息處理等領域的研究思路。

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審稿人對該研究評價稱，作者把超透鏡的固有色散和多焦點特性結合起來，使波長信息通過焦點處的強度信息體現出來，這個想法非常巧妙。不同波長的光被聚焦在設計好的焦點位置，通過測量焦點處的強度信息獲取入射光譜的信息。

圖丨相關論文

近日，相關論文以《緊湊型多焦點超透鏡光譜儀》為題發表在Nature子刊Light:Science&Applications。

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華北電力大學講師王若星、英國赫瑞瓦特大學博士后研究員穆罕默德·安福南·安薩里為論文的共同第一作者，赫瑞瓦特大學副教授陳獻忠為論文的通訊作者。

將波長信息與透鏡匯聚完美融合

在該研究之前，陳獻忠課題組開展了一種三維偏振結構的研究，相關論文發表在NanoLetters。

由于連續焦線上每一點的線偏振方向都不同，如果用傳統的光學元件來做，不僅系統會非常龐大、成本高，而且由于器件較多其精度也很難達到實際使用的要求。該團隊通過非常簡單的辦法，首次將三維的偏振結構制備出來，并能夠實現對波長信息的操控。

從2011年開始，陳獻忠就開始從事超表面、超透鏡方向的研究。在研究開始之前，一個疑問在他腦中思考了很久——怎么把波長信息和透鏡的匯聚結合在一起？帶著這個問題，他與課題組成員開始了本次的新研究。

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圖丨基于多焦點超透鏡的超表面光譜儀

該研究起源于2019年。彼時，在哈爾濱工業大學李立教授課題組的博士研究生王若星到赫瑞瓦特大學做訪問學者。該研究的想法由陳獻忠和王若星共同提出，并由王若星負責設計、計算等方面的工作；由安薩里負責樣品的加工及樣品測試等。

值得關注的是，超表面光譜儀的設計原理與傳統的光譜儀不同。透鏡作為最基本的光學器件，該團隊使用基于納米結構的超表面來制備透鏡，并可作為光譜儀使用，為相關領域拓寬了研究思路。

陳獻忠指出，“該光譜儀體積非常小，有利于集成于器件，使我們可以在很小的空間內可實現系統的、強大的功能。”

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圖丨超表面光譜儀的設計、制造和表征

該研究中最關鍵的挑戰在于，如何在同一器件中將不同波長分開？

實際上，在這個問題上，該團隊在走了很多“彎路”、做了大量嘗試都未成功。一次無意間他們發現，此前課題組的NanoLetters研究或許可為該挑戰提供幫助。于是，他們將波長信息引引入到超表面光譜儀的設計中，解決了波長分離的難題。

超表面光譜儀的成本有望降到幾十元

以市場中OceanOptics光譜儀為例，其價格為幾千英鎊。而通過新研究中的技術，會給光譜儀的成本帶來怎樣的影響呢？

陳獻忠表示：“目前我們的納米加工成本大概在3000-5000元，如果用工業化手段有望將成本降低至幾十元。未來，如果批量生產，由于超表面和現有的納米加工工藝兼容，價格將會更低。”據悉，該團隊已與英國STMicroelectronics等公司開展相關的產業化合作。

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圖丨在多色光束下，帶有12個焦點的超表面光譜儀。

目前，超表面光譜儀樣品的尺寸在300*300微米，其分辨率能達到納米級別。下一步，該團隊計劃將器件放大至毫米級別，將光譜儀的精度進一步提升，使其測量的光譜范圍更寬。

此外，目前用電子束制備的基于金屬納米結構的超表面效率在8%的可見光范圍內。未來，如果將光譜儀向商業化發展，也可用介質材料代替金屬納米結構，以提升效率。

陳獻忠表示：“我們還計劃將光譜信息拓寬到邊界領域。把光譜儀和光的偏振信息融合在一起。做一些多光譜的偏振結構，甚至把它拓寬到渦旋光束領域。如果將信息量提升到一定程度，就會有更多的設計自由度和更多的載體。”

通過這次的新研究，研究團隊發現可將光譜的不同顏色的光分開。因此，未來可以將很多顏色的信息集成在同一偏振結構中。

例如，在成像方面，可將紅光、綠光、藍光等更多信息包含進來。并且，該課題組目前也在推進量子光學、光鑷等更多學科交叉方向的相關合作課題。

因興趣驅動選擇科研方向，專注超表面領域10余年

在陳獻忠看來，做科研完全是興趣驅動使然。他在中國科學院光電技術研究所獲得博士學位，之后，來到英國的伯明翰大學做博士后研究。2007年，他在姜開春教授的指導下，參加了一個為期三年的歐盟項目，負責生物傳感芯片的制備。2010年，他加入張霜教授課題組，做超材料方向的研究。

超材料通常需要三維的結構，但三維結構在可見光波段加工非常困難。超表面基于二維的結構，解決了加工的難題。2011年，他在張霜教授的指導下開展超表面方面的研究。

2012年與合作者在NatureCommunications發表論文，通過使用超表面設計了一種雙極性透鏡，可充當凸透鏡或凹透鏡。通過在玻璃上制造金納米棒，這種新型透鏡只需切換光源的圓偏振特性即可放大或縮小物體。

圖丨雙極性透鏡示意圖

在博士后研究期間，陳獻忠與合作者還研發了一款使用天然方解石晶體制備的超材料斗篷，能實現毫米級的3D物體“隱身”。該研究被美國PhysicsWorld雜志評為“2010年十大突破”之一。

2013年，他加入赫瑞瓦特大學任教，并成立課題組。目前，課題組致力于平面光學的基礎物理和超薄光學器件研究，并將其應用于成像、顯示、偏振成像、三維偏振結構生成、渦旋光束調控、生物醫學傳感、量子糾纏和粒子捕獲等。

“傳統全息對偏振不太敏感，而我們做的全息片非常有趣，不僅對偏振異常敏感，還會產生不同的圖像。”他表示。

最近，陳獻忠還與團隊研究了一種偏振成像方法，包含了很多那些人類的眼睛、探測器等對其不敏感，但卻十分有用的關鍵信息。他舉例說道：“在癌癥研究中，對于癌細胞和正常細胞，光的偏振有不一樣的響應特性。通過偏振信息的檢測，可以在得到這些信息后，確定人體中精準的癌變位置。”

在成像方面，他和團隊致力于通過邊緣成像提升識別的效率。傳統的方法需要計算能量、消耗能源，并且速度較慢。“與AI、GPS相比，人眼看東西需要非常多的細節才能進行識別，但是機器只通過輪廓就可以。”他說。

陳獻忠坦言，其課題組的研究成果和跨學科交流密不可分，他經常在遇到技術難題時，與其他領域的同事交流。“很多時候做科研要面對結果的未知數，科研工作者往往至關注所在領域的某個點，但通過交流可以碰撞出創新的靈感，更能將視野提升至全領域。”

參考資料：

https://physicsworld.com/a/physics-world-reveals-its-top-10-breakthroughs-for-2010/

1.R.Wang,M.A.Ansari,H.Ahmed,Y.Li,W.Cai,Y.Liu,S.Li,J.Liu,L.Li,andX.Chen,"Compactmulti-focimetalensspectrometer,"Light:Science&Applications12,103(2023).https://doi.org/10.1038/s41377-023-01148-9

2.R.Wang,Y.Intaravanne,S.Li,J.Han,S.Chen,J.Liu,S.Zhang,L.Li,andX.Chen,“MetalensforGeneratingaCustomizedVectorialFocalCurve”,NanoLetters,21,2081(2021).https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.0c04775

3.X．Chen,L.Huang,H.Muhlenbernd,G.Li,B.Bai,Q.Tan,G.Jin,C.-W.Qiu,S.Zhang&T.Zentgraf,“Dual-polarityplasmonicmetalensforvisiblelight”,NatureCommunications3,1198(2012).https://doi.org/10.1038/ncomms2207

4.X.Chenetal.,“ReversibleThree-DimensionalFocusingofVisibleLightwithUltrathinPlasmonicFlatLens”.AdvancedOpticalMaterials1,517(2013).

https://doi.org/10.1002/adom.201300102

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