對于從事有線或無線頻譜幾乎任何部分工作的電氣工程師來說，頻譜分析儀是一個關(guān)鍵的測試和測量工具。對于光學(xué)工程來說，對應(yīng)的工具是光譜儀，隨著電子學(xué)和光學(xué)的接口、融合和重疊，光譜儀正日益成為電氣工程師的重要工具。

雖然無線和光學(xué)都處理電磁能量，但實際上它們各自的射頻和光學(xué)波段屬性和對應(yīng)的傳感器有很大差異。即使關(guān)鍵參數(shù)——光譜每個定義切片的能量——是相同的，情況依然如此。傳統(tǒng)上，能夠在寬光帶高分辨率工作時，需要配備濾光片、光柵和傳感器的布置，這增加了復(fù)雜性和成本。

微型光譜儀可能會引領(lǐng)掌上型設(shè)備

材料的新發(fā)展正在重新定義這一局面。北卡羅來納州立大學(xué)的研究人員成功展示了一臺光譜儀，其體積比現(xiàn)有技術(shù)小好幾個數(shù)量級，能夠準(zhǔn)確測量從紫外到近紅外波段的光。

這項技術(shù)使得手持光譜設(shè)備能夠?qū)崿F(xiàn)，并為開發(fā)集成多款新傳感器的設(shè)備，作為下一代成像光譜儀提供了前景。

除了如預(yù)期詳細(xì)介紹他們的工作外，研究人員還細(xì)致地概述了微型光譜儀的替代方法及其權(quán)衡問題。

微型光譜儀的挑戰(zhàn)與權(quán)衡

研究人員指出，此前實現(xiàn)微型化的努力伴隨著頻譜分辨率和作帶寬的下降。

多種策略已被用于便攜式或集成應(yīng)用的規(guī)?；庾V儀，包括微型色散光學(xué)、窄帶濾波器、基于傅里葉變換的系統(tǒng)以及基于計算重建的系統(tǒng)。

前三種策略由于光學(xué)路徑長度限制以及色散光學(xué)器件的使用使其難以制成成像系統(tǒng)，難以擴展到亞毫米尺寸。基于重建的系統(tǒng)可以幫助減少或消除對外部光學(xué)元件的需求。

使用帶空間調(diào)制的陣列通常需要更復(fù)雜的制造方案，且空間分辨率可能降低。電調(diào)制能夠利用單個像素實現(xiàn)光譜重建，但調(diào)制探測器響應(yīng)度需要時間。盡管如此，這種方法有潛力更緊湊、更易于成像陣列擴展，同時具有更快的探測速度。

利用半導(dǎo)體納米線、黑磷、二維半導(dǎo)體、鈣鈦礦和有機半導(dǎo)體進行微型化光譜儀的重建演示已發(fā)表?；诤诹?、二維半導(dǎo)體和鈣鈦礦的器件采用外部電壓偏置以實現(xiàn)光譜變化的響應(yīng)。然而，這些演示在光學(xué)帶寬、探測率或線性動態(tài)范圍上均有限。

制造可重復(fù)的二維材料器件可能具有挑戰(zhàn)性，尤其是在實現(xiàn)探測器陣列時。

有機光電探測器：新方法的關(guān)鍵

團隊負(fù)責(zé)人、機械與航空航天工程教授布倫丹·奧康納指出：“我們創(chuàng)造了一種能快速、低電壓運行且對寬光譜敏感的光譜儀。”他補充說：“我們的演示原型只有幾平方毫米的大小。這種高性能成像光譜儀不需要外部光柵或濾光片?！?/p>

該設(shè)備的關(guān)鍵是一個微型有機光電探測器（OPD），其活性面積為7.6 mm2，能夠感測光與目標(biāo)材料相互作用后的波長。對光電探測器施加不同電壓會改變光探測器最敏感的光波長（見圖1）。

1. 有機光電探測器（OPD）方法概述。

掃描光譜時，會對光電探測器施加一個斜振控制電壓，從而調(diào)節(jié)其光譜響應(yīng)。光譜儀單元隨后測量在遞增周期內(nèi)的輸出電壓，對應(yīng)于每個電壓下捕獲的光波長。這提供了足夠的數(shù)據(jù)，使得利用測量到的光譜響應(yīng)矩陣進行簡單的計算重建，能夠準(zhǔn)確重現(xiàn)穿過或反射目標(biāo)材料的光特征。

該光譜儀基于有機光電探測器，利用靶有機半導(dǎo)體（D18-Cl、L8BO、PTB7-Th和COTIC-4F）的互補光譜響應(yīng)，采用“串聯(lián)單元”設(shè)計。每個子細(xì)胞設(shè)計具有不同的吸收特性，且這些特性相互重疊（見圖2）。

2. 微型化光譜儀的概念與工作原理：（A和B）串聯(lián)OPD光譜儀中使用的有機半導(dǎo)體的化學(xué)結(jié)構(gòu)（A）和吸收率（B）。（C）串聯(lián)OPD光譜儀設(shè)備架構(gòu)，具有層厚和依賴偏置的作。（D）OPD光譜儀外部偏置依賴響應(yīng)度的示意圖。

這些子細(xì)胞具有相反的極性，導(dǎo)致其光譜響應(yīng)可偏置，對紫外到近紅外波段（400至1000納米）均敏感。偏置調(diào)諧電壓低于1伏，使該傳感器兼容電池供電設(shè)計，整個調(diào)諧掃描過程不到一毫秒。

前亞電池和后亞電池由一層高功相互作用層（聚（3,4-乙烯二氧噻吩）聚苯乙烯磺酸鹽（PEDOT：PSS）和低功函數(shù)電子輸運層（ZnO）氧化鋅（ZnO）組成，位于細(xì)胞對側(cè)。最后，探測器的前后電極由氧化銦錫（ITO）和銀組成。

測試結(jié)果

團隊評估了不同模式的性能，包括寬帶和窄帶模式（見圖3）。他們使用高性能商用光譜儀作為比較標(biāo)準(zhǔn)。

3. 高分辨率波長解析能力和寬譜重建：（A） 588至624 nm的高分辨率光譜響應(yīng)矩陣，訓(xùn)練步長為1 nm。（B）從單色儀的OPD重建的2納米步長光譜，并與商業(yè)光譜儀參考進行對比。（C） 重建和參考光譜峰值波長與輸入波長的關(guān)系，顯示平均誤差為0.18 nm。（D）使用商業(yè)光譜儀測量的光譜（參考），與綠光LED（左）和白光在不同顏色濾光片下的OPD重建光譜進行比較。

探測器表現(xiàn)出0.27 A/W的響應(yīng)率，2.82/3.72微秒的升降時間，光學(xué)探測率為1.4 × 1012 Jones。[參數(shù)“x' Jones的光學(xué)探測度”指的是R.C. Jones在論文中定義的一種特定的光學(xué)探測器靈敏度單位，稱為Jones。它是廣泛使用的衡量器捕捉弱光信號能力的指標(biāo)，定義為噪聲等效功率（NEP）的倒數(shù)，歸一化為探測器面積和帶寬的平方根。]