近日，国际研究团队开发出一款中红外光谱仪，器件直径比人类头发丝还小。中红外光谱仪广泛应用于温室气体检测，且可以使自动驾驶汽车更安全。因此，研究者近年来对开发紧凑型片上光谱仪非常感兴趣。传统光谱仪体积较大且价格昂贵，而片上光谱仪可极大地扩大该技术的应用范围和易用性。

为实现该目标，来自美国、以色列和日本的研究人员共同开发出一款超紧凑型片上中红外光谱仪。此项研究由耶鲁大学工程与科学学院Barton L. Weller副教授和Fengnian Xia、以色列巴伊兰大学(Bar-Ilan University)Doron Naveh教授以及日本国立材料科学研究所(National Institute for Materials Science)Kenji Watanabe和Takashi Taniguchi进行合作。

(图片来源：耶鲁大学)

这款光谱仪采用了Fengnian Xia实验室长期研究的一种材料—黑磷(BP)，从而使该基于单个可调谐光电探测器在2至9微米波长范围内运行。黑磷厚度约为10纳米，允许用户调整光与物质的相互作用，从而捕获不同的光谱成分，这也是该器件成功的关键。此外，先进的算法对于该光谱仪也非常重要，可将光谱学中部分固有复杂性由硬件转移到软件。

这款光谱仪尺寸为9×16平方微米，远小于人类发丝横截面，且其尺寸与所测量的光波长相当。即使光谱仪尺寸变得更小，由于衍射现象，其性能也不会有太大改进，因为通常情况下，光线无法集中于比其波长小太多的焦点。

巴伊兰大学的Doron Naveh教授表示：“非常高兴可以开发出这款紧凑且高性能的光谱仪。我们希望可将此项工作中硬件和软件的发展原则，从而推动其在医学、农业和食品质量控制领域的商业应用。”

传统光谱仪会将光按构成光谱的颜色分离。Fengnian Xia实验室博士生以及该研究的主要作者Shaofan Yuan表示：“新款光谱仪比传统的光分离光谱仪更具优势，因此光无需在空间上分离为不同部分。”

与传统光谱仪不同，该光谱仪不依赖诸如干涉仪或可调谐红外激光器等先进光学组件，因此有可能会使光谱仪的尺寸达到最小，并可实现片上、经济型的中红外光谱和可见光光谱成像。研究人员指出，汽车、无人机和卫星通常会配备红外摄像头，可以拍摄灰度热像图来检测行人、车辆和其他危险。Fengnian Xia实验室的新款光谱仪在此类潜在威胁检测方面能力较高，因此尽管分辨率不够高，也可连续测量光谱信息。此外，新款光谱仪还可用于遥感。