近日，國際研究團隊開發出一款中紅外光譜儀，器件直徑比人類頭發絲還小。中紅外光譜儀廣泛應用于溫室氣體檢測，且可以使自動駕駛汽車更安全。因此，研究者近年來對開發緊湊型片上光譜儀非常感興趣。傳統光譜儀體積較大且價格昂貴，而片上光譜儀可極大地擴大該技術的應用范圍和易用性。

為實現該目標，來自美國、以色列和日本的研究人員共同開發出一款超緊湊型中紅外光譜儀。此項研究由耶魯大學工程與科學學院Barton L. Weller副教授和Fengnian Xia、以色列巴伊蘭大學（Bar-Ilan University）Doron Naveh教授以及日本國立材料科學研究所（National Institute for Materials Science）Kenji Watanabe和Takashi Taniguchi進行合作。

（圖片來源：耶魯大學）

這款光譜儀采用了Fengnian Xia實驗室長期研究的一種材料—黑磷（BP），從而使該基于單個可調諧光電探測器在2至9微米波長范圍內運行。黑磷厚度約為10納米，允許用戶調整光與物質的相互作用，從而捕獲不同的光譜成分，這也是該器件成功的關鍵。此外，先進的算法對于該光譜儀也非常重要，可將光譜學中部分固有復雜性由硬件轉移到軟件。

這款光譜儀尺寸為9×16平方微米，遠小于人類發絲橫截面，且其尺寸與所測量的光波長相當。即使光譜儀尺寸變得更小，由于衍射現象，其性能也不會有太大改進，因為通常情況下，光線無法集中于比其波長小太多的焦點。

巴伊蘭大學的Doron Naveh教授表示：“非常高興可以開發出這款緊湊且高性能的光譜儀。我們希望可將此項工作中硬件和軟件的發展原則，從而推動其在醫學、農業和食品質量控制領域的商業應用。”

傳統光譜儀會將光按構成光譜的顏色分離。Fengnian Xia實驗室博士生以及該研究的主要作者Shaofan Yuan表示：“新款光譜儀比傳統的光分離光譜儀更具優勢，因此光無需在空間上分離為不同部分。”

與傳統光譜儀不同，該光譜儀不依賴諸如干涉儀或可調諧紅外激光器等先進光學組件，因此有可能會使光譜儀的尺寸達到最小，并可實現片上、經濟型的中紅外光譜和可見光光譜成像。研究人員指出，汽車、無人機和衛星通常會配備紅外攝像頭，可以拍攝灰度熱像圖來檢測行人、車輛和其他危險。Fengnian Xia實驗室的新款光譜儀在此類潛在威脅檢測方面能力較高，因此盡管分辨率不夠高，也可連續測量光譜信息。此外，新款光譜儀還可用于遙感。