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中國科大研制微型紫外光譜儀，響應(yīng)速度破紀(jì)錄?

2025-10-15

中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授孫海定聯(lián)合中國科學(xué)院院士、武漢大學(xué)教授劉勝團(tuán)隊，成功研制出微型紫外光譜儀，實現(xiàn)片上光譜成像。該光譜成像儀基于新型氮化鎵基級聯(lián)光電二極管架構(gòu)，并與深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法融合，實現(xiàn)了高精度光譜探測與高分辨率多光譜成像，其光譜響應(yīng)速度達(dá)到超快納秒級。日前，相關(guān)成果在線發(fā)表于《自然-光子學(xué)》。

光譜信息被稱為物質(zhì)的“光基因”，能夠揭示組成與特性。光譜成像技術(shù)可同時獲取光譜與空間信息，在成分分析、環(huán)境監(jiān)測、衛(wèi)星遙感和深空探測等領(lǐng)域具有重要價值。然而，傳統(tǒng)光譜儀依賴光柵分光和機(jī)械掃描，系統(tǒng)復(fù)雜、體積龐大、價格高昂，難以滿足便攜式和實時化檢測需求。尤其在深紫外/紫外波段，由于材料與工藝限制，片上微型紫外光譜成像技術(shù)成為長期制約相關(guān)領(lǐng)域發(fā)展的關(guān)鍵瓶頸。

孫海定團(tuán)隊聯(lián)合國內(nèi)外學(xué)者提出了一種氮化鎵基級聯(lián)光電二極管架構(gòu)，研制出工作于紫外波段的微型光譜成像儀，實現(xiàn)了高精度光譜探測與高分辨率多光譜成像。該結(jié)構(gòu)由上下兩個不對稱p-n二極管垂直級聯(lián)組成，可在兩英寸和更大尺寸的晶圓上陣列化制備。器件實現(xiàn)電壓可調(diào)的雙向光譜響應(yīng)，結(jié)合深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法，可對未知光譜進(jìn)行高精度重構(gòu)。該光譜成像儀工作波段覆蓋250至365納米的紫外波段，光譜分辨率可達(dá)0.62納米，響應(yīng)速度約10納秒。

基于此，研究團(tuán)隊進(jìn)一步實現(xiàn)片上光譜空間一體化成像陣列，并成功對橄欖油、花生油、動物油脂和牛奶等不同有機(jī)物質(zhì)液滴進(jìn)行了空間分辨與單次直接成像，顯示出在食品檢測和分子識別等方面的應(yīng)用潛力。

該研究提出并實現(xiàn)了利用寬禁帶氮化物半導(dǎo)體作為微型光譜成像儀的材料載體。這種新型微型光譜成像儀的成功研制，為下一代小型、便攜和可穿戴光譜技術(shù)的普及提供了新的思路和解決方案。

來源： 中國科學(xué)報   王敏

相關(guān)論文信息：https://doi.org/10.1038/s41566-025-01754-6