ayx安卓：解码光的“指纹”（下）：怎么将光学剖析试验室“装进”芯片

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  在上篇中，咱们回忆了光谱学怎么成为科学家手中解读物质“光学指纹”的利器。但传统光谱仪的“巨大身躯”仍是其走向更宽广天地的桎梏。现在，一场由微型化带来的革新正在打破这一约束。中国科学技能大学与武汉大学的联合团队，成功研制出像芯片相同细小的紫外光谱仪，将试验室等级的剖析才能，凝聚在方寸之间。本期（下篇），咱们将深化这项打破性技能的中心，看它怎么以精巧的规划与前沿的算法，为咱们敞开一个“无处不光谱”的感知新时代。

  虽然光谱仪听起来很高科技，但其实在日常日子中咱们早已触摸过它的“简化版”。比方交警运用的呼气式酒精检测仪和地铁的液体安全检测器，许多都选用了近红外光谱剖析技能。虽然这些光谱设备功用一般、功用简略，但仍有手掌巨细，更遑论功用更优、功用更齐备的试验级光谱仪了。

  为了打破这一约束，中国科学技能大学的孙海定教授iGaN试验室，联合武汉大学刘胜院士团队，成功研制出微型化紫外光谱仪芯片，单个像素的尺度仅为300μm×300μm，光谱分辨率和呼应速度却不输传统紫外光谱仪。

  这项技能的立异之处在于，它不依靠传统的几许分光与机械扫描，而是根据氮化镓（GaN）基笔直级联n-p-n光电二极管阵列，结合深度神经网络算法，完成了高精度光谱勘探与高分辨率多光谱成像。

  其间，n-p-n光电二极管由两个不对称的p-n二极管笔直级联组成。不考虑漏电和反向击穿的状况，二极管具有典型的单导游电特性，其电流只能从阳极流向阴极，无法反导游通。

  即当二极管两头施加正向电压时（不考虑导通电压），二极管进入“敞开”状况，正向电流随正向电压的升高而显着增大；当二极管两头施加反向电压时，二极管处于“封闭”状况，此刻反向电流简直为零。

  笔直级联n-p-n光电二极管结构示意图（左）及二极管的电流-电压特性曲线（右）

  光电二极管与惯例二极管根本类似，但当有能量足够（大于资料的禁带宽度）的光子照耀在光电二极管上时，会激发结区的半导体资料发生电子-空穴对，并在外加电场的效果下定向移动构成光电流，改动二极管的电流的巨细，从而将光信号转化为电信号。当外加电场为负时，光生电子-空穴对快速别离并流向外电路，使反向电流显着增大，因而反向偏压下光电二极管的光信号转化功率、呼应速度和检测灵敏度都显着进步；而正向偏压下，光电二极管的光生电流被正导游通电流掩盖，失掉光敏功用，与一般二极管简直无异。

  关于惯例的氮化镓基（GaN）或铝镓氮基（AlGaN）光电二极管而言，它们仅能对单一波长邻近的窄波段紫外光进行选择性吸收和呼应，该波长由资料的禁带宽度仅有决议。为了扩展二极管对紫外光的呼应带宽，孙海定教授iGaN试验室团队（以下简称iGaN团队）生长了一层铝组分梯度改变的AlGaN外延层，使该资料的禁带宽度随Al组分改变，完成了从250nm从（Al0.6Ga0.4N，深紫外波段）至365nm（GaN，近紫外波段）的宽光谱接连调控。

  Al0.6-0Ga0.4-1N外延层的扫描透射电子显微镜及对应的X线能量色散谱元素散布图

  进一步地，iGaN团队将一个惯例的GaN基二极管（顶部）和一个梯度突变的AlGaN二极管（底部）反向笔直级联在一起，以此完成了电可调谐的双向光谱呼应，使器材具有了紫外光谱剖析的可能性。当有不知道光线照耀时，该级联光电二极管首要有三种作业形式。

  在负偏压状况下（V0），底部二极管反偏作业，顶部二极管正偏导通（类似于单导游线）。此刻，底部二极管发生很多的电子-空穴对并构成反向的光电流，因为两个二极管方向相反，底部二极管的反向电流刚好与顶部二极管的正导游通方向共同，因而可顺畅正向经过顶部二极管，终究构成安稳的光电流回路。得益于梯度突变的AlGaN二极管的宽光谱呼应特性，此刻器材出现宽带呼应。

  在正偏压状况下（V0），底部二极管正偏导通，顶部二极管反偏作业，器材首要呼应惯例的GaN基二极管对应的长波长波段。

  在零偏压状况下（V=0），当入射光为波长较短时，电子-空穴对首要由底部二极管发生；当入射光波长较长时，底部与顶部的二极管均能发生电子-空穴对，但因为两个二极管方向相反，两组电子-空穴对会彼此抵消，终究器材仅保存对短波长光的窄带呼应。

  因为该器材在不同偏压下、对不同波段紫外光的呼应程度不同且具有充沛的正交性，因而该级联光电二极管可以经过外加偏压，调控光谱仪的呼应特性，以此来完成电压可调的双向光谱呼应。该器材的峰值波长精度约为0.62nm，呼应速度小于10ns，作业带宽为250-365nm，此前的微型光谱仪无法掩盖这一波段。收集该器材的光呼应数据，并将其用于算法练习后，便可经过深度神经网络（DNN）的重建算法丈量不知道入射光的光谱。

  在此基础上，iGaN团队进一步制备了10×10的级联光电二极管阵列，每个阵列的总面积仅为1×1平方厘米。根据已有的数据模型和重建算法，iGaN团队终究构建出一个微型片上光谱成像仪，而且每个二极管均可作为独立的紫外光谱剖析仪。

  微型光谱成像仪芯片的示意图（左）及键合引线在PCB板上的什物相片（右）

  为验证成像仪芯片的功用，iGaN团队使用其对橄榄油（A）、花生油（B）、动物油（C）和牛奶（D）四种有机物液滴进行了光谱成像，并经过其在紫外波段的吸收特性，明晰出现出四种资料的空间散布及透射特性，测验结果与商用光谱仪高度共同，空间分辨率高达300μm×300μm，进一步验证了光谱成像芯片的可靠性。

  相较于传统光谱仪，这款微型光谱成像仪在显着缩小体积、进步空间分辨率、下降出产所带来的本钱的一起，还具有更高的便携性、灵活性和可集成性，在许多全新场景中展现出宽广的使用潜力。

  例如，微型光谱仪可以轻松搭载于无人机和机器人中，可以打破人工检测的场景约束，在环境监督测定、工业巡检、农业出产等范畴完成高效、精准且无人化的作业，大幅拓宽光谱剖析技能的使用鸿沟；微型光谱仪本钱较低，可以与其他传感器彼此集成，构建大规模散布式监测体系，完成多参数协同监测的立体化感知，构成掩盖广、密度高、全流程的监测网络。

  更重要的是，芯片化的光谱仪或光谱成像仪可以容易集成到手机和可穿戴设备中，让人类能随时随地辨认果蔬外表的农药残留、辨别珠宝首饰的原料真假、检测呼出气体的特定成分、判别饮用水的纯净度和空气中的污染物含量。这种便携式光谱查验测验手法，不只打破了传统光谱剖析对专业场景、大型设备的依靠，更让一般群众能以极低的门槛享用科技带来的安全与便当。

  或许不久后，微型光谱仪将从头界说光谱剖析技能的使用鸿沟，为才智日子与工业晋级注入全新动能。

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