一种智能化小型光谱仪

传统光谱仪在科学和工业研究中发挥着重要作用，但由于其笨重的尺寸和重量，限制了其在实验室光学系统、汽车电子系统、工业检测设备以及智能手机等领域的应用。因此，开发一种小型化、智能化的光谱仪成为当前研究的热点。

上海科技大学信息科学与技术学院的陈佰乐、虞晶怡课题组成功研发出一种基于AlGaAs/GaAs渐变带隙PN结探测器的单像素智能微型光谱仪。该光谱仪结合神经光谱场（Neural Spectral Fields, NSF）光谱重建方法，实现了高光学灵敏度、高光谱准确度和高光谱分辨率的测量。

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图1.智能微型光谱仪

该光谱仪通过改变PN结的工作偏压实现探测器响应截止波长动态可调。同时，研究团队为光谱仪定制化设计了神经光谱场（Neural Spectral Fields, NSF）光谱重建方法，从测量的电流电压曲线中提取深度特征，通过神经场（Neural Fields, NFs）重建连续光谱。

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图2.渐变带隙PN结光谱仪的结构概述与电学性能

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图3.渐变带隙PN结光谱仪的成像结果与阵列设计

通过这一神经光谱场重建方法，渐变带隙PN结光谱仪实现高达0.30nm的光谱重建精度和高达10nm的光谱分辨率，且光谱范围广泛，涵盖从480nm到820nm的范围。该光谱仪由标准的III-V族半导体工艺制造，达到微米级别，具备大规模生产和集成的潜力，且与焦平面阵列（FPA）制备工艺兼容，未来可进一步实现高光谱成像。

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图4.渐变带隙PN结光谱仪光谱测量流程及其结果

这一研究成果为光谱仪的小型化、智能化提供了新的思路和方法，有望推动光谱技术在更多领域的应用和发展。同时，该光谱仪的制造工艺与焦平面阵列（FPA）制备工艺兼容，为未来的高光谱成像技术奠定了基础。该智能微型光谱仪有望在环境监测、食品安全、生物医学等领域发挥重要作用，为科学研究和工业应用提供更多可能性。

该成果已发表于《自然·通讯》（Nature Communications），标题《Single-pixel p-graded-n junction spectrometers》。上海科技大学信息科学与技术学院的陈佰乐教授和虞晶怡教授为共同通讯作者，2020级博士生王景熠、2021级硕士生潘贝贝和2019级博士生王梓为本工作共同第一作者。本项研究器件制造得到了上海科技大学量子器件中心的支持。

文章链接：https://doi.org/10.1038/s41467-024-46066-5