▲ 第一作者：Guiyi Cai

通讯作者：Qinghai Song、Yuri Kivshar、Shaohua Yu、Shumin Xiao

通讯单位：哈尔滨工业大学、澳大利亚国立大学、鹏城实验室、哈尔滨工程大学、山西大学

doi：10.1038/s41563-023-01710-1

背景介绍

从材料中散射或辐射出来的光携带着关于该材料的有价值的信息。这些信息可以通过测量不同角度和频率下的光场来揭示。然而，这种技术通常需要大型的光学仪器，阻碍了角分辨光谱技术在实验室之外的广泛应用。

本文亮点

1. 本工作通过结合基于可调谐超表面的光谱仪阵列和超透镜来实现紧凑的角度分辨光谱成像 。

2.采用这种方法，即使在小型化光谱仪占用面积仅为4×4 μm2的情况下，本工作也实现了0.17 nm的波长精度、0.4 nm的光谱分辨率和149 dB的线性动态范围。

3.此外，本工作的光谱仪具有1.2 fJ的探测极限，并且可以图形化成阵列进行光谱成像。将这种光谱仪阵列直接放置在超透镜的后焦面，本工作实现了4.88×10-3 rad的角分辨率。 本工作的基于超透镜的角度分辨光谱仪可以用于增强先进的光学成像和光谱分析应用 。

图文解析

图1.角度分辨超表面光谱仪的设计原则

要点：

1、图1a描绘了本工作的角度分辨元光谱仪的草图。它由一个超透镜和一个光谱仪阵列组成。超透镜可以将从不同位置但以相同角度入射的光变换到其后焦平面上的一点。

2、然后，角度依赖的输入信号在后焦平面转换为各种模式。图案的位置相关的强度和光谱含量可以通过微型光谱仪阵列记录，这些微型光谱仪同时提供背焦面图像和角度相关的光谱，并采用重建算法(图1b)。该超透镜和微型光谱仪阵列取代了传统的物镜、成像光路、狭缝和光谱仪，可将亚米级背焦平面成像仪器压缩至数百微米。

3、图1c说明了本工作阵列中微型光谱仪的原理图和工作原理。 同时，超表面的引入可以极大地释放光电探测器上的驱动电压，这对于器件的稳定性和非常微弱信号的检测至关重要。因此，小型化光谱仪的性能有望得到全面提升 。

图2. 紧凑型超表面光谱仪的演示

要点：

1、基于以上分析，本工作通过结合电子束(E-beam )光刻、反应离子刻蚀和剥离(lift-off，Methods)等技术，实验制备了小型化光谱仪。一台光谱仪的显微图像(图2a)显示其面内活性尺寸小至4×4 μm2。

2、俯视扫描电子显微镜(SEM)图像显示，TiO2超表面(图2b)与设计一致，并且在如此小的区域内保留了钙钛矿的高薄膜质量(图2c)。

3、分别对液晶浸润超表面和钙钛矿光电探测器进行了测试。超表面的透射谱中的特征随着外部电压的变化而发生显著变化，从而构成了重构的基础(图2d)。

4、在400-700 nm的宽光谱范围内，整体重建结果与商用光谱仪(图2g,橙色线)记录的参考光谱吻合得很好。同样，本工作也验证了本工作的光谱仪构建窄线宽光谱的能力。如图2f(上)所示，位于440~660 nm之间的窄峰得到了很好的重构，与参考光谱一致。

图3. 利用紧凑型超表面光谱仪对微型激光器进行表征

图4. 用于光谱成像的超表面光谱仪阵列

要点：

1、在稀疏光谱之外，本工作还对光谱仪重构密集和混合光谱的能力提出了挑战。图3a展示了半径为~13.7 nm的钙钛矿基微盘的俯视SEM图像，支持回音壁模式(WGMs)的激射。微盘由倍频钛宝石激光器激发，并由商用光谱仪和本工作的光谱仪记录发射。

2、自由光谱范围(图3b)约为1.2 nm，半峰全宽仅为0.9 nm。因此，本工作的光谱仪具有在宽光谱范围内解析复杂光谱的能力。本工作用半径为90.99 μm的较大钙钛矿微盘检验了光谱仪的分辨率极限。图3e显示两个波长差为0.4 nm的峰被清晰地分辨出来。

3、将光谱立方体沿λ方向积分，得到伪彩*图色**像(图4c)和光谱测量结果(图4d)，与光学测量结果几乎完全一致。因此，该光谱仪阵列可以实现比光谱成像相机更多的功能，可以表征位置相关的光谱信息。

图5. 角度分辨光谱分析与成像

要点：

1、超小型光谱仪和光谱仪阵列的进步自然导致了紧凑型角度分辨光谱仪的出现。在本工作的研究中，这是通过将光谱仪阵列放置在一个超透镜的后焦面来实现的(图5a)。

2、该超透镜设计并制作在K9玻璃衬底(300 μm)上的1200 nm Si3N4薄膜中。它的直径为600 μm (图5b)，适合手机的摄像头，并且由于其方形像素，对入射光的偏振不敏感。

3、相应的光学特性表明，超透镜可以将入射的平面波聚焦到距离它800 μm处的衍射极限光斑(图5c)。如此长的焦距在空气中留下了焦点和后焦面，使超透镜和光谱仪阵列可以直接集成。

原文链接：

https://www.nature.com/articles/s41563-023-01710-1