中國科大研制成功微型紫外光譜成像儀
近日，中國科學技術(shù)大學教授孫海定聯(lián)合武漢大學劉勝院士團隊，成功研制出微型紫外光譜儀，并實現(xiàn)片上光譜成像。該光譜成像儀基于新型氮化鎵基級聯(lián)光電二極管架構(gòu)，并與深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法融合，實現(xiàn)了高精度光譜探測與高分辨率多光譜成像，其光譜響應(yīng)速度達到超快納秒級。相關(guān)成果于9月26日在線發(fā)表于《自然-光子學》。
微型紫外光譜成像儀系統(tǒng)。中國科大供圖
光譜信息被稱為物質(zhì)的“光基因”，能夠揭示組成與特性。光譜成像技術(shù)可同時獲取光譜與空間信息，在成分分析、環(huán)境監(jiān)測、衛(wèi)星遙感和深空探測等領(lǐng)域具有重要價值。但傳統(tǒng)光譜儀依賴光柵分光和機械掃描，系統(tǒng)復雜、體積龐大、價格高昂，難以滿足便攜式和實時化檢測需求。尤其在對生物制藥和有機物檢測至關(guān)重要的深紫外/紫外波段，由于材料與工藝限制，片上微型紫外光譜成像技術(shù)長期處于空白，成為制約該領(lǐng)域發(fā)展的關(guān)鍵瓶頸。
為此，孫海定團隊聯(lián)合國內(nèi)外研究學者提出了一種氮化鎵基級聯(lián)光電二極管架構(gòu)，研制出工作于紫外波段的微型光譜成像儀，實現(xiàn)了高精度光譜探測與高分辨率多光譜成像。該結(jié)構(gòu)由上下兩個不對稱p-n二極管垂直級聯(lián)組成，可在兩英寸和更大尺寸的晶圓上陣列化制備。器件通過外加偏壓調(diào)控載流子的波長依賴傳輸行為，實現(xiàn)電壓可調(diào)的雙向光譜響應(yīng)，并結(jié)合深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法，可對未知光譜進行高精度重構(gòu)。該光譜成像儀工作波段覆蓋250至365納米的紫外波段，光譜分辨率可達到0.62納米，約10納秒的超快響應(yīng)速度?；诖?，研究團隊進一步實現(xiàn)片上光譜空間一體化成像陣列，并成功地對不同有機物質(zhì)（如橄欖油、花生油、動物油脂和牛奶）液滴進行了空間分辨與單次直接成像，顯示出它們在食品檢測和分子識別等方面的應(yīng)用潛力。
該研究提出并實現(xiàn)了利用寬禁帶氮化物半導體作為微型光譜成像儀的材料載體。未來，通過調(diào)控材料組分和摻雜，或采用二六族和三五族半導體材料，該架構(gòu)可以將工作范圍擴展至可見光和紅外波段。同時，由于工藝完全兼容現(xiàn)有大規(guī)模半導體制造工藝，器件尺寸還可縮小至亞微米甚至納米級，可實現(xiàn)更低成本更高分辨光譜成像。研究團隊預計，其成本有望降至傳統(tǒng)光譜儀的百分之一。正如硅基CCD/CMOS技術(shù)推動數(shù)碼相機普及一樣，這枚新型微型光譜成像儀的研制成功，為下一代小型化、便攜式和可穿戴光譜技術(shù)的普及提供了新的思路和解決方案。
相關(guān)論文信息：https://www.nature.com/articles/s41566-025-01754-6
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