用“彩虹”造出迷你光譜儀

梁水源

眾所周知，牛頓當年在幽暗房間的護窗板上開了一個小孔，一束太陽光射入，并從放置好的玻璃棱鏡上穿過，誕生了科學(xué)史上有名的“人造彩虹”。而“人造彩虹”通過反向放置的第二個棱鏡重新結(jié)合，又變成了白色的光。之前，人們使用的光譜儀正是沿用四百多年前牛頓的實驗原理而制造出來的。

光譜儀是近二十年來興起的一種技術(shù)，它能通過測量物質(zhì)吸收或物質(zhì)發(fā)射的譜線，去分析其成分和結(jié)構(gòu)，是科學(xué)研究中最常用的測量工具之一。光譜分析是人類借助光認知世界的重要方式，人類能看到的每種物質(zhì)，都有對應(yīng)的光譜信號。如果說肉眼是能看到物質(zhì)的形狀、尺寸等信息，光譜分析則是能獲取物質(zhì)的成分信息，幫助人類看清事物的本質(zhì)。

比如，在紀錄片《我在故宮修文物》中就有這樣一個故事：描繪乾隆的母親崇慶皇太后八十大壽時現(xiàn)場祝壽實景的《崇慶皇太后八旬萬壽圖》，歷經(jīng)二百五十多年后已變得非常殘破，絹面有缺損斷裂，甚至還有霉跡。要想恢復(fù)原作風(fēng)貌，修復(fù)時就要了解當時所用的顏料?？蒲腥藛T利用光譜儀對古畫顏料進行了掃描，提取了古畫顏料的信息，由此推算出當初繪畫時所用礦物原料的種類。根據(jù)不同顏料光譜曲線的差異，科研人員甚至能反推出顏料的產(chǎn)地——這就為修復(fù)選用顏料提供了可靠的依據(jù)。

光譜儀的應(yīng)用非常廣泛，大到天文，小到分子，比如它能檢測到幾百萬光年外的星系活動，還能檢測納米尺度中的分子結(jié)構(gòu)。不過，由于此前光譜儀的工作原理一直沿用牛頓的實驗原理，即使用棱鏡或光柵分光元件，導(dǎo)致光譜儀體積普遍比較龐大，因此很難滿足更多應(yīng)用。而且，光譜儀的光路復(fù)雜，內(nèi)部有著較多精密光學(xué)元件，這些元件造價很高，導(dǎo)致光譜儀價格普遍在幾萬元以上。

能不能把光譜儀的成本降到幾十元，并把它的體積做得很小，甚至可以集成到手表或手機中呢？浙江大學(xué)信息與電子工程學(xué)院研究員楊宗銀讀研期間，和同學(xué)一起發(fā)明了在單根納米線上調(diào)控帶隙的技術(shù)，這種技術(shù)得出的納米線，在熒光顯微鏡下看起來就像一道彩虹。當時，他猜想這種材料或許可用于分析光譜，但由于條件不足，這項研究被迫擱置。后來，他來到劍橋大學(xué)光電子學(xué)專業(yè)讀博，才重新拾起了這個設(shè)想。

可是，楊宗銀在150個光譜儀器件上做實驗，都以失敗告終。耗時8年，他心有不甘。一天深夜，楊宗銀去測試最后一件樣品，結(jié)果剛好和商用光譜儀完全對上。2019年，他的論文發(fā)表后，引起了業(yè)界人士的高度關(guān)注。

在具體研究中，楊宗銀使用的納米線只有發(fā)絲直徑的千分之一，它可以有效地捕獲光子，通過使用可重構(gòu)光信號全光譜的智能計算軟件制備出的光譜儀，尺寸僅有幾十微米，大小不到市面光譜儀的千分之一，可集成到手機里。楊宗銀對原有光譜儀又做出了相應(yīng)的改進，以前它只是單點的光譜儀，只能對一個點做光譜測量，現(xiàn)在它已經(jīng)可以集成到手機商用攝像頭中，并且每個像素點都是一個光譜。此前，光譜儀使用的是非標芯片工藝，而楊宗銀發(fā)明的光譜儀使用的是標準芯片工藝，產(chǎn)業(yè)化程度得以提高，制備流程也采用標準流程，將成本降低到了十元錢以內(nèi)。

2021年1月，楊宗銀發(fā)表了其作為第一作者的第二篇《光學(xué)光譜儀的小型化》科研論文，終于用“彩虹”造出了全球最小光譜儀，并將成本降低了數(shù)千倍。不久的將來，超微型光譜儀也能走進千家萬戶。