微型光谱仪的30年发展

　　光谱仪可能直接反响物质的光谱音讯，取得主意的存正在境况与物质因素，是质料表征、化学领悟等范围最要紧的测试仪器之一。

　　跟着光谱领悟范围的敏捷繁荣，对光谱仪尺寸、本钱和功耗的央求日益普及，敌手持、便携、集成式光谱领悟器件的尺寸央求到达亚毫米量级。纯正通过压缩古代体系尺寸已无法竣工这些主意，从1990年起，百般微型光谱体系逐步浮现。

　　咨议职员将微型光谱仪总结为四大类（图1）：色散型（Dispersive optics）、窄带滤波型（Narrowband filters）、傅里叶变换型（Fourier transform）和谋略重筑型（Reconstructive），详明先容了它们的办事道理和优欠缺，体系性地总结了30年来微型光谱仪的繁荣经过。

　　色散型光谱仪普通由一个或多个衍射光栅、一段光程以及一个探测阵列构成。光通过入射狭缝被准直照耀正在衍射光栅上，衍射光栅将光谱因素分袂到差异的偏向，最终凹面镜将分袂的光聚焦到探测器阵列上取得光谱漫衍。这种光谱仪具有超高分别率、宽光谱界限和成熟的身手道途，被通常应用正在各个范围，但其依赖于笨重的色散元件、长光程等，难以竣工尺寸的压缩。

　　通过缩短光程、简化光途、欺骗微纳筑造减幼元件尺寸等格式都能竣工光谱仪尺寸的减幼，然则这些格式会消重光谱分别率和仪器本能。采用凹面光栅（图2A）、光栅-菲涅耳透镜（图2B）等行为衍射元件可能省略准直和反射元件，竣工体系尺寸的压缩，而且一经竣工了贸易利用。

　　波导行为自正在空间光学的代替品，能够通过倏逝耦合来衡量入射光光谱或被领悟物的摄取光谱，可能减幼光谱仪尺寸而不影响本能。正在波导平面上到场如光栅（图3A）、光子晶体（图3B）、全息元件（图3C）、平面阶梯光栅（图3D）、透射波导光栅（图3E）、阵列波导光栅（图3F）等色散元件可能进一步减幼光谱仪的尺寸，但筑造偏差，波导损耗和波导耦合等题目还亟待处置。

　　其它，进一步减幼光电探测器阵列的尺寸、普及探测灵动度也可能竣工本能更好的微型光谱仪，应用超导纳米线的单光子显微光谱仪一经可能实行超细光谱领悟。

　　窄带滤波器可能采选性地传输特定波长的光，竣工对光谱的检测，器件平面化且不须要长光程，正在体系幼型化方面拥有极强的上风。苛重分为随时期转化的单个窄带滤波片型和随空间转化的窄带滤波片阵列型。

　　声光可调滤波器(AOTF)、液晶可调滤波器(LCTF)、Fabry-Pérot滤波器和微环谐振器等可能通过施加电压或声波信号来散开光谱因素，竣工对光谱敏捷动态地调控。但AOTF中双折射晶体的尺寸较大，LCTF包蕴很多偏振器和液晶电池，都控造了光谱仪的幼型化。

　　可调Fabry-Pérot滤波器由厚度可变的谐振腔构成，通过革新腔长（d）、介质折射率（n）、入射角度（θ）即可竣工透射波长的转化，此中，腔长能够通过静电或压电驱动器调控（图4A、B），折射率能够通过电光可调铌酸锂（LiNbO3）或液晶行为腔体介质竣工调控，角度能够通过盘旋滤光片革新入射角调控，但高光谱分别率Fabry-Pérot光谱仪须要高反射率腔，而高反射率腔对应低透射率和低信噪比。

　　应用漫衍式布拉格反射镜可能处置这一题目，但它们的本钱较高，筑造工艺纷乱，且加工偏差也会消重光谱分别率。

　　随时期转化的可调窄带滤波光谱仪仙逝了时期呼应，无法竣工高速的光谱探测。但窄带滤波器阵列和线性可变滤波器可能同时衡量多个光谱分。