廉价的芯片设备可以改变光谱测定法

一组微型光谱仪芯片经传统的芯片制造工艺制成后，放置在托盘上。

分光计是一种区分不同波长光的设备，用于确定从实验室材料到遥远恒星的一切物质的化学成分，是一种六位数价格标签的大型设备，通常存在于大型大学和工业实验室或天文台。

麻省理工学院研究人员的一项新进展可以生产精确而强大的微型光谱仪，但它可以使用标准的芯片制造工艺进行大规模生产。这种方法可以开辟光谱测量的一个新的应用领域，这在以前是物理上和经济上不可能的。

今天，这项发明发表在《自然通讯》杂志上，麻省理工学院材料科学与工程副教授胡，博士生Derek Kita，研究助理Brando Miranda以及其他五篇论文中。

研究人员表示，与目前的仪器相比，这种在芯片上制作光谱仪的新方法可以在性能、尺寸、重量和功耗方面提供显著优势。

其他小组已经尝试制造基于芯片的光谱仪，但存在一个固有的挑战：使用任何传统光学系统基于波长传播光的设备的能力高度依赖于设备的大小。“如果你减少它，性能就会下降，”胡说。

另一种分光计使用一种叫做傅立叶变换的数学方法。然而，这些器件仍然受到同样的尺寸限制-长光程对于获得高性能是必不可少的。因为高性能设备需要长且可调的光程，小型光谱仪传统上不如台式光谱仪。

相反，“我们使用了不同的技术，”Kita说。他们的系统是基于光开关，可以瞬间将光束在不同的光路之间翻转，光路可以有不同的长度。这些全电子光学开关消除了当前版本中所需的可移动反射镜，并且可以使用标准芯片制造技术容易地制造。

Kita表示，通过消除移动部件，“在坚固性方面有很大的好处。你可以把它从桌面上摔下来，不会造成任何损坏。”

通过以2次幂的增量使用路径长度，这些长度可以以不同的方式组合，以复制指数数量的离散长度，导致潜在的光谱分辨率随着片上光开关的数量而指数增加。它的原理是一样的，只要把几个标准砝码组合起来，你就可以通过天平秤准确的测出各种重量。

作为概念证明，研究人员签署了一项行业标准的半导体制造服务，以建立一个具有六个顺序开关的设备，产生64个光谱通道，并内置处理能力来控制设备和处理其输出。通过扩展到10个开关，分辨率将跃升至1，024个通道。他们将该设备设计为即插即用的单元，可以很容易地与现有的光网络集成。

该团队还使用新的机器学习技术从有限数量的通道中重建详细的光谱。Kita说，他们开发的方法可以很好地检测宽光谱和窄光谱峰。他们可以证明其性能确实与计算一致，从而为各种应用开辟了广泛的潜在进一步发展空间。

研究人员表示，这种光谱仪可以应用于传感设备、材料分析系统、医学成像中的光学相干层析成像，以及监测光网络的性能，而当今大多数数字网络都依赖于光网络。Kita表示，一些公司已经联系了该团队。他们对这种微芯片光谱仪的可能用途感兴趣，并承诺在尺寸、重量和功耗方面具有巨大优势。胡补充说，人们还对石油和天然气等行业的工业过程实时监控和环境传感感兴趣。

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