光谱学是一种在工业过程和基础科学研究中广泛应用的表征技术。随着对小型化、便携式光谱仪的需求增加，尤其是在尺寸和重量受限的应用场景中，如现场快速检测、芯片实验室系统等，传统的基于干涉仪或光栅的微型光谱仪由于光学元件或路径长度的限制，在进一步小型化方面面临挑战。此外，现有的计算光谱重建技术虽然能够绕过这些限制，但它们通常依赖于复杂的毫米级滤光片阵列和电荷耦合器件或互补金属氧化物半导体探测器，难以进一步微型化。研究内容包括提出了一种基于单纳米线的超紧凑微型光谱仪设计。这种设计不依赖于复杂的光学元件或腔体，而是通过计算重建从纳米线不同位置的光谱响应函数和测量到的光电流来重建入射光谱。研究人员展示了这种光谱仪能够准确地重建可见光范围内的单色光和宽带光光谱，以及从厘米尺度的焦平面到无透镜的单细胞尺度的原位光谱成像。创新点一是单纳米线作为光谱仪的核心元件：将传统的分离和检测光的独立元件集成到一个微米尺度的单根纳米线中，通过调整生长过程中的源蒸汽，实现了纳米线沿长度方向的成分梯度变化，从而实现了光谱响应的梯度变化。二是计算光谱重建技术：通过电子探测纳米线不同位置的光电流，并与预校准的响应函数进行交叉验证，计算重建入射光信号。这种技术使得光谱仪的尺寸大幅缩小，同时保持了较高的光谱分辨率。三是超紧凑尺寸：整个光谱仪的活性元件缩小到仅几百纳米宽、几十微米长，无需复杂的光学元件或色散光学系统，极大地提高了光谱仪的便携性和适用性。文章结论为该研究成功展示了基于单纳米线的微型光谱仪能够准确重建单色光和宽带光光谱，并且在厘米尺度和微米尺度上实现了光谱成像。这种光谱仪的分辨率与现有的可见光范围内的光谱重建微型光谱仪和商业厘米级系统相当，但尺寸大幅减小。此外，通过选择不同的材料组成，可以将光谱响应范围扩展到从紫外到红外的任何波长范围。
启发在于该研究为纳米技术在光谱学中的应用提供了新的思路，展示了如何通过纳米结构的设计和工程化实现传统光学元件的功能，为开发更小型、更高效的光谱仪提供了可能。
文献来源：Science 365, 1017–1020 (2019)
作者：Zongyin Yang1*, Tom Albrow-Owen1*, Hanxiao Cui2, Jack Alexander-Webber2, Fuxing Gu3, Xiaomu Wang4, Tien-Chun Wu1, Minghua Zhuge5, Calum Williams2, Pan Wang6, Anatoly V. Zayats6, Weiwei Cai7, Lun Dai8, Stephan Hofmann2, Mauro Overend2, Limin Tong5, Qing Yang5, Zhipei Sun9,10, Tawfique Hasan1†
报告人：高恩博
