近年來，研究人員和業(yè)內(nèi)主要廠商已將研發(fā)重心轉(zhuǎn)向微型化、便攜式且低成本的光譜儀系統(tǒng)，使之可以在日常生活中實現(xiàn)現(xiàn)場、實時和原位光譜分析的許多新興應(yīng)用。然而，受到過度簡化的光學(xué)設(shè)計和緊湊型架構(gòu)的機械限制，微型光譜儀系統(tǒng)的實際光譜識別性能通常遠低于臺式光譜儀系統(tǒng)。如今，克服這些限制的一種策略便是在光子方法學(xué)中引入深度學(xué)習(xí)（DL）進行數(shù)據(jù)處理。

據(jù)麥姆斯咨詢報道，近日，美國紐約州立大學(xué)布法羅分校（University at Buffalo，the State University of New York）與沙特阿卜杜拉國王科技大學(xué)（King Abdullah University of Science & Technology）的聯(lián)合科研團隊在Nature Communications期刊上發(fā)表了以“Imaging-based intelligent spectrometer on a plasmonic rainbow chip”為主題的論文。該論文第一作者為Dylan Tua，通訊作者為甘巧強（Qiaoqiang Gan）教授。

在這項研究工作中，研究人員開發(fā)了一種緊湊型等離子體“彩虹（rainbow）”芯片，能夠?qū)崿F(xiàn)快速、準(zhǔn)確的雙功能傳感，其性能可在特定條件下超越傳統(tǒng)的便攜式光譜儀。其中的分光納米結(jié)構(gòu)由一維或二維的梯度金屬光柵構(gòu)成。該緊湊型等離子體光譜儀利用普通相機拍攝的單幅圖像，即可精確地獲得照明光源光譜的光譜信息和偏振信息。在經(jīng)過適當(dāng)訓(xùn)練的深度學(xué)習(xí)算法的輔助下，研究人員僅用單幅圖像就能表征葡萄糖溶液在可見光光譜范圍內(nèi)的雙峰和三峰窄帶照明下的旋光色散（ORD）特性。該微型光譜儀具有與智能手機和芯片實驗室（lab-on-a-chip）系統(tǒng)集成的潛力，為原位分析應(yīng)用提供新的可能。

研究人員利用彩虹捕獲效應(yīng)（rainbow trapping effect）來開發(fā)片上光譜儀系統(tǒng)。圖1展示了該研究工作所提出的片上光譜儀和一維彩虹芯片的設(shè)計原理。如圖1a所示，該光譜儀利用等離子體啁啾光柵實現(xiàn)分光功能。這種表面光柵幾何形狀的逐漸變化，導(dǎo)致了局部等離子體共振的空間調(diào)諧（即為光捕獲“彩虹”存儲）。如圖1b所示，研究人員采用聚焦離子束銑削技術(shù)，在300 nm的銀（Ag）薄膜上制備了啁啾光柵。當(dāng)白光垂直入射時，通過簡單的反射顯微鏡系統(tǒng)（如圖1c），就可以觀察到明顯的“彩虹”色圖像，如圖1d的頂部所示，該現(xiàn)象源于光柵引發(fā)的等離子體共振。

圖1 片上光譜儀的等離子體啁啾光柵

根據(jù)這些空間模式圖像，可以建立共振模式與入射波長一一對應(yīng)的關(guān)系，這是片上光譜儀的基礎(chǔ)。因此，研究人員探討了該光譜儀對任意光譜特征的空間分辨能力。通過深度學(xué)習(xí)輔助的數(shù)據(jù)處理和重建方法，研究人員利用這種分光功能可以構(gòu)建用于光學(xué)集成的智能化、微型化光譜儀平臺。

具體而言，研究人員提出了基于深度學(xué)習(xí)的智能彩虹等離子體光譜儀概念，并構(gòu)建了帶有等離子體啁啾光柵的光譜儀示例，如圖2所示。該光譜儀利用深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測了所測量的共振模式圖像中的未知入射光光譜，而無需使用傳統(tǒng)的線性響應(yīng)函數(shù)模型。實驗中的光譜儀架構(gòu)如圖2a所示。智能光譜儀主要由三部分構(gòu)成：空間模式、預(yù)訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)以及對應(yīng)的波長。

圖2 基于深度學(xué)習(xí)的數(shù)據(jù)重建

光譜分辨率是評價傳統(tǒng)光譜儀性能的重要參數(shù)之一。因此，研究人員對該光譜儀的分辨率做了詳細(xì)測試，測試結(jié)果如圖3所示。

圖3 智能等離子體光譜儀的分辨率

以上初步測試數(shù)據(jù)表明，智能彩虹芯片光譜儀具有實現(xiàn)高分辨率光譜分析的潛力，其性能可與傳統(tǒng)臺式光譜儀相媲美。隨后，研究人員將一維光柵擴展到二維，以利用緊湊型智能等離子體光譜儀實現(xiàn)偏振光譜的測定，其性能超越了傳統(tǒng)的光學(xué)光譜儀系統(tǒng)。同時，研究人員展示了等離子體彩虹芯片光譜儀可以引入簡化、緊湊且智能的光譜偏振系統(tǒng)，具有準(zhǔn)確且快速的光譜分析能力。圖4a為具有梯度幾何參數(shù)的二維光柵。

圖4 用于測定偏振光譜的二維啁啾光柵

接著，研究人員利用該二維偏振光譜儀芯片對旋光色散進行了簡單而智能的表征。圖5a為傳統(tǒng)的旋光色散系統(tǒng)測量由物質(zhì)引起的旋光度隨入射波長的函數(shù)變化。最后，研究人員展示了將二維光柵作為光譜偏振系統(tǒng)，并介紹了用于葡萄糖傳感應(yīng)用的示例。

圖5 更簡單、準(zhǔn)確且智能的光譜偏振分析

綜上所述，本研究中提出了一種集成了片上彩虹捕獲效應(yīng)與緊湊型光學(xué)成像系統(tǒng)的智能芯片級光譜儀。研究結(jié)果表明，該等離子體芯片可以在可見光光譜（470 nm - 740 nm）范圍內(nèi)區(qū)分不同的照明峰值。該芯片充分利用其波長敏感結(jié)構(gòu)，能夠根據(jù)照明光譜峰值顯示不同的等離子體共振模式。隨后將芯片擴展到二維結(jié)構(gòu)，共振模式的復(fù)雜性增加，從而在入射光偏振方面提供更多信息。通過使用片上共振模式的空間和強度分布圖像來訓(xùn)練深度學(xué)習(xí)算法，研究人員在同一系統(tǒng)內(nèi)分別實現(xiàn)了光譜分析和偏振分析。

隨后，研究人員利用一種將旋光引入透射光的手性物質(zhì)（即葡萄糖），證明了所提出光譜儀在旋光色散傳感方面的可行性，旋光色散是一種有助于手性物質(zhì)檢測和定量的偏振特異性特征。深度學(xué)習(xí)模型的分析表明，該算法能夠基于等離子體芯片的共振模式準(zhǔn)確預(yù)測葡萄糖引入的旋光。即使在分析多峰照明下的共振模式時，這種性能也得到了保留。這種由深度學(xué)習(xí)支持的基于圖像的光譜儀能夠通過利用納米光子平臺的單幅圖像同時進行光譜分析和偏振分析。因此，該光譜儀標(biāo)志著在單一緊湊型且輕量化設(shè)計中實現(xiàn)了高性能的光譜偏振分析，為深度光學(xué)和光子學(xué)在醫(yī)療保健監(jiān)測、食品安全傳感、環(huán)境污染檢測、藥物濫用傳感以及法醫(yī)分析等領(lǐng)域的應(yīng)用賦能。

審核編輯：劉清