一种比头发直径小的中红外光谱仪

一个国际研究小组已经开发出一种比人的头发直径小的中红外光谱仪。

随着从检测温室气体到让自动驾驶汽车更安全的潜在应用，近年来开发紧凑的芯片光谱仪引起了人们极大的兴趣。传统的光谱仪用于测量光的光谱信息，体积庞大，价格昂贵。芯片上的光谱仪将大大扩展该技术的应用和可及性。

为了实现这一目标，一个由美国、以色列和日本的研究人员组成的团队开发了一种超小型中红外光谱仪。这项工作是耶鲁大学巴顿·韦勒工程与科学副教授夏凤年实验室合作的结果：以色列巴伊兰大学的多伦·纳韦教授、日本国立材料科学研究所的渡边健治和田口高治。这一发现最近发表在《自然光子学》杂志上。

该装置采用了黑磷(BP)，这种材料长期以来一直是Xia实验室关注的焦点，用于基于单个可调谐光电探测器的光谱仪，其波长范围为2~9微米。这种大约10纳米厚的材料允许用户调节光物质的相互作用来捕获不同的光谱成分——这是该设备成功的关键。此外，一种先进的算法在该光谱仪中发挥了同样重要的作用，将光谱固有的复杂性从硬件转移到软件。

光谱仪的尺寸为9x16平方微米，比人的头发横截面小得多——光谱仪的尺寸可与它测量的光波长相媲美。即使有可能使设备变小，也不会有太大的改善，因为由于衍射，在通常条件下，光线不能聚焦在比其波长小得多的点上。

巴伊兰大学的多伦·纳韦教授说："实现这种具有终极紧凑度的高性能光谱仪是非常令人兴奋的。"我们预计，正如本工作所示，同时利用硬件和软件进步的原则将导致在医药、农业和食品质量控制方面的商业应用。

使用传统的光谱仪，光被组成光谱的颜色分割开来。

夏实验室的博士生、这项研究的主要作者袁少凡说：“这种光谱仪显示出了比传统分光光谱仪的优势，因为光不需要在空间上被分解成不同的部分。”

与传统的光谱仪不同，该系统不需要像干涉仪或可调红外激光器这样的先进光学元件。这为极端小型化的光谱仪打开了可能性，并可以实现芯片上的、负担得起的中红外光谱和光谱成像。研究人员指出，汽车、无人机和卫星通常都配备了红外摄像机，通过拍摄灰度热图像来探测行人、车辆和其他危险。夏实验室的光谱仪对这种潜在的威胁具有更高的探测能力，因为光谱信息可以连续测量，尽管具有中等分辨率。此外，它在遥感方面也很有用。

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