近日，哈尔滨工业大学（深圳）徐科教授和宋清海教授团队提出一种基于级联无序超构表面的硅基片上散斑光谱仪。基于高透过率的亚波长相位调控单元产生富含光谱指纹信息的散斑，最终在亚平方毫米的芯片尺寸内同时实现高分辨率和宽带宽的光谱重构。

该成果以“Scalable on-chip diffractive speckle spectrometer with high spectral channel density”为题发表于Light: Science & Applications。第一作者为哈尔滨工业大学（深圳）博士生张子萌，哈尔滨工业大学（深圳）的徐科教授和宋清海教授为通讯作者。

研究背景

传统台式光谱仪在设计与应用上存在明显局限。它严重依赖复杂的光学分立元件以及精密的机械结构，这些元件和结构不仅增加了仪器的体积，还使其重量大幅上升。在实际使用中，这种光谱仪难以实现小型化和轻量化集成，无法满足当下可移动、便携式光谱检测技术的发展需求。

与之形成鲜明对比的是芯片级微型光谱仪。它具备小体积、轻重量与低功耗等显著优势，这些特点使其更契合可移动、便携式光谱检测技术的发展趋势。无论是在户外的环境监测，还是在医疗现场的快速诊断等场景中，芯片级微型光谱仪都能发挥出巨大的作用，为光谱检测带来了更多的可能性。

硅基光子集成技术在芯片级微型光谱仪的发展中扮演着重要角色。由于其具有高可靠性，并且与微电子工艺兼容，成为了实现高性能片上光谱仪的理想载体。借助硅基光子集成技术，能够将多种光学功能集成在一个微小的芯片上，提高光谱仪的性能和稳定性。

然而，芯片级光谱仪的发展也面临着关键挑战。当前，如何利用微小的芯片尺寸同时实现高光谱分辨率和宽光谱范围的光谱重构，是亟待解决的问题。

创新方案

研究团队所提出的光谱仪是基于绝缘体上硅（SOI）平台进行设计的。其核心架构包含多个关键部分，有输入单模波导、波前准直超构透镜、级联多层无序超构表面以及多模输出衍射光栅。这些部分相互协作，构成了光谱仪的基础结构，为实现光谱信息的处理奠定了基础。

单模波导输出的模场，会经过超构透镜进行波前整形。超构透镜在其中发挥着重要作用，它能将模场进行有效调整，形成准直光束。这束准直光束随后会入射至级联超构表面，为后续的光谱信息处理提供合适的光信号。

级联超构表面是该光谱仪的一个关键组成部分，它由全刻蚀矩形槽的亚波长单元组成。这些亚波长单元通过精准控制槽的长度，能够在引入 0 至 2π 的相移的同时，还能保持高透射率。这种特性使得超构表面能够对光信号进行特殊处理，为光谱信息的编码创造条件。

依据惠更斯－菲涅耳原理，超构表面上随机排布的刻槽阵列会产生无序波前。这些无序波前经过干涉与衍射效应，会转化为波导截面的强度分布。通过这种方式，光谱信息就被编码于散斑图案中。这一过程是光谱仪实现光谱信息处理的核心步骤，将光信号中的光谱信息以散斑图案的形式进行存储和传递。

最终，光谱散斑会由光栅衍射输出。光栅在整个光谱仪系统中起到了输出的作用，将编码后的光谱散斑信息输出，以便后续进行分析和处理。整个光谱仪的设计，通过各个部分的紧密配合，实现了光谱信息的有效处理和输出，为光谱检测等应用提供了一种可行的解决方案。

性能评估

为了全面评估光谱仪的普适性，研究团队精心设计了实验。在实验中，选取了具有代表性的测试样本集，其中包括单峰光谱、多峰复合光谱以及高斯背景叠加的单峰光谱。这些样本涵盖了从简单到复杂的不同光谱类型，能够充分检验光谱仪在各种情况下的性能表现。

为了确保评估的准确性，实验采用了对比分析的方法。将所制备光谱仪的测量结果与商用光谱分析仪的测量结果进行对比，通过相对误差分析来衡量光谱仪的性能。商用光谱分析仪在行业内具有较高的准确性和可靠性，以此作为参照，能够更客观地评估新光谱仪的表现。

从实验结果来看，对于简单的单峰光谱，所制备的光谱仪展现出了出色的性能。它能够准确地捕捉到光谱的特征，实现高精度的重建。这表明光谱仪在处理基础光谱类型时具有良好的适应性和准确性，为其在实际应用中的可靠性提供了有力支持。

当面对复杂的混合光谱时，如多峰复合光谱和高斯背景叠加的单峰光谱，光谱仪同样表现优异。尽管这些光谱的结构更为复杂，包含更多的信息和干扰因素，但光谱仪依然能够准确地解析出其中的光谱信息，实现高精度的重建。这充分证明了光谱仪具有强大的处理能力，能够应对各种复杂的光谱情况。

综合实验结果，可以得出结论：所制备的光谱仪无论是在简单光谱还是复杂光谱的测量中，都能实现高精度重建。这一结果证明了该器件具有通用的光谱测量能力和高准确性，为其在光谱分析领域的广泛应用提供了坚实的基础，有望在科研、工业检测等多个领域发挥重要作用。