‍澳门大学教授在光学成像领域深耕已有多年，近日他和团队在 Light: Science & Applications 发了一篇评述论文。

  题目 为《指尖上的超透镜光谱仪和微纳光纤锥光谱仪》（），Zheng Peixia 是第一作者，担任通讯作者。

  每种物质都有其独特的光谱，光谱就像物质的“指纹”，而光谱仪则是通过“指纹”来识别物质的“火眼金睛”。光谱仪的应用十分广泛，在国防安全、前沿科学、日常生活都有着非常大的应用。

  例如，国防安全领域的火箭燃料检测、化学武器侦查；前沿科学领域的天文学宏观观测、生命科学微观标定；日常生活中的个人健康监测、食品药物安全检查等。

  类比通讯设备的微型化，从最初的电报机到台式电话,再发展至现在的智能手机，极大便利和丰富了人们的生活。

  而光谱仪的微型化，则能够在一定程度上帮助我们在日常生活中更方便、更快捷地进行简单的测量和检测。

  想象一下不久的未来，每个人的手机上都搭载着一台微型光谱仪，我们大家可以随时检验食品和药物的成分构成是否安全，在购买金饰或装修材料的时候也可以每时每刻进行光谱鉴定，避免买到掺假的东西。

  事实上，从初中开始我们就在无形之中接触过光谱仪。不知你是否记得，中学物理教科书上曾有这样一个故事：牛顿用一个三棱镜把一束入射的白光，分成了赤橙黄绿青蓝紫不同颜色的彩色光。

  如果后面再加上可以探测不同颜色光强的探测器，这其实就是一个最简单的光谱仪。

  其二，是否可以缩短色散器件与探测器之间的距离，因为两者离得近会导致难以分离不同颜色的光，光谱分辨率就会变差；

  其三，能否提高探测器的测量精度，这样即使两者相距很近，依然可以实现较高的分辨率。

  当然，还有不同于色散光谱仪的其他类型光谱仪。例如，散斑光谱仪，这一类型仪器微型化的难点在于，如何有效率地针对不同颜色的光产生不同的散斑，之后通过利用这些散斑进行计算重构的过程来得到光谱。由此可见，算法对于光谱分辨率和准确度的影响也很重要。

  在这篇综述论文里，介绍的两个工作分别属于这两类：超透镜光谱仪属于色散光谱仪、以及微纳光纤锥光谱仪属于散斑光谱仪[1]。

  这篇综述论文中提到的第一个工作，指的是英国赫瑞瓦特大学教授团队利用超透镜结构实现了一种可以聚焦不同颜色光的多焦点微型光谱仪[2]。

  这种新的超透镜结构将牛顿的三棱镜色散器件缩小到 300μm×300μm（只有四根头发丝的直径大小），而且能在距离探测器仅有 300μm 的距离上，把波长范围为 500-679nm 的光实现纳米级的高分辨率，并分别聚焦在同一平面上预先设计好的多个焦点上。

  如何在保证高分辨率的同时，保证较短的工作距离？对于传统的色散器件例如三棱镜来说，工作距离越远，不同颜色的光分散得越明显，就越有利于光谱测量。

  不同于传统色散器件的工作原理，超表面利用干涉原理，在设计纳米棒偏转方向的时候就可以实现波长的选择性，让不同波长的光出现在不同的位置。因此，很短的工作距离就足以实现波长的高分辨率，这也是超表面的优势所在。

  虽然之前也有不少工作利用超表面，来设计微型光谱仪的色散器件（例如超表面的子区域设计和折叠超构透镜），但普遍存在的问题是识别波长的数量有限，以及由于每个波长的设计像素数量有限而导致的光束聚焦质量差（例如超表面的子区域设计），或加工困难不利于集成和制造（例如折叠超构透镜通常需要加工三个以上的超表面）。

  而通过将每个焦点的波长作为实现光谱仪功能的一个相位设计变量，课题组所打造的新型超透镜的创新点在于：设计超表面金属棒结构时对波长和相位同时进行了复用，从而达到不同颜色的光能够以几乎相同的光斑大小聚焦到同一个平面上的不同位置。这在极大提高聚焦效率的同时还能降低加工难度。

  不同于超透镜色散光谱仪的工作原理，光纤散斑光谱仪是利用不同颜色的光，在光纤中经过多次反射之后产生的不同散斑来对不同颜色进行区分的。

  通常情况下，需要几十米的光纤才可以实现纳米级的光谱分辨率。但是，几十米的光纤会导致光谱仪的体积非常庞大，而且对外界的扰动十分敏感，不适合可便携式微型光谱仪的开发。

  为了解决这个问题，哈尔滨工程大学 教授团队在光纤内部引入了很多微纳米结构，用来增强不同颜色光的散射，借此将光纤长度降低到只有 10 厘米，大大推进了散斑光谱仪的微型化[3]。

  浙江大学 教授和团队提出的微纳光纤锥光谱仪则另辟蹊径[4]，他们将 光纤做成了像针尖一样的锥型，光在其中的传播路径不像在圆柱形光纤中一样，会经过多次全反射从而到达光纤的另一端。

  这时，光在锥形光纤中的传播，由于不能进行完美的全反射，就会在过程中泄露出来，而不同颜色的光泄露出来的散斑是不一样的，预先标定这些泄露出来的不同散斑，然后利用计算成像的原理，就可以将探测到的未知信号对应的散斑进行解码，进而得到未知信号的光谱。

  这种全新的微型光谱仪的核心元件由微纳光纤锥和散斑探测器组成，大小仅有 1mm2，成本在 120 人民币左右，真正使光谱仪的微型化向实用性迈进了一大步。

  与传统光谱仪相比，小型化光谱仪除了体积和可集成性，还有别的优势吗？对此， 表示与传统光谱仪相比，微型光谱仪最大的优势就是轻便，可集成性好（例如搭载到手机上）。同时，它的优点还在于使用方法简单，成本也大大降低。

  这里可以用相机做一个类比，虽然单反相机拍摄专业、成像清晰，但是手机自带相机胜在体积小、使用方便快捷，让我们可以每时每刻随地记录生活，关键是它的成本也远远低于专业相机。

  那么，撰写此次综述论文的 团队，在光学成像领域有着怎样的积累？据介绍， 于 2019 年来到澳门大学应用物理及材料工程研究院工作，目前课题组的研究方向主要是单像素成像、鬼成像，以及超表面成像。

  传统的相机像素越高拍照越清晰，单像素成像（或者叫计算鬼成像）则反其道行之，顾名思义它仅需要一个像素的探测器就能获取物体二维甚至三维的图像。

  这种新型的成像方式能很大程度上免疫湍流扰动，在弱光和复杂环境中成像（例如穿越雾霾成像），具有独特的优势。

  说：“我们近期比较有意义的研究工作是将单像素成像的原理与超表面成像相结合，首次成功将计算成像加密的密钥减少了两个数量级以上，并搭载入超表面图像中，创造性提出了超表面密钥可循环使用的全新光学加密方案[5,6]。”

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