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重構(gòu)光譜儀

在過去的十年中，出現(xiàn)了一種新的光譜儀，顧名思義，它依賴于計算技術(shù)從一組檢測器中編碼的預(yù)校準(zhǔn)信息中近似或“重構(gòu)"入射光譜。更具體地，這里的“重構(gòu)"是指線性方程組的解。到目前為止，通?？梢钥吹絻煞N用于在一組檢測器中對光譜信息進(jìn)行編碼的策略：復(fù)雜的光譜到空間映射和光譜響應(yīng)工程。

復(fù)雜的光譜到空間映射

在常規(guī)的基于光柵的光譜儀中，光譜域中的點(diǎn)（波長）被映射到空間域中的點(diǎn)（檢測器）。檢測器的讀數(shù)直接構(gòu)成光譜。然而，如前所述，光譜分辨率與從光柵到檢測器的距離（路徑長度）成比例。因此，當(dāng)希望以減小的占位面積增加頻譜分辨率時，一對一的頻譜到空間映射受到極大限制。復(fù)雜的光譜到空間映射是一種替代方法，它通過在每個波長的空間域中創(chuàng)建一個特征碼圖案（一維或二維）來區(qū)分波長（圖5A）。例如，當(dāng)單色光穿過諸如長多模光纖之類的色散元件時，由于光纖中的引導(dǎo)模式之間的干擾，它將在光纖的輸出端創(chuàng)建與波長相關(guān)的特征圖案。因此，當(dāng)任意多色光通過多模光纖時，輸出將是每個單獨(dú)波長創(chuàng)建的縮放簽名圖案的疊加。要重構(gòu)的目標(biāo)頻譜本質(zhì)上是與這些模式相對應(yīng)的縮放權(quán)重的集合。此外，還可以通過將光饋入諸如無序光子芯片、螺旋波導(dǎo)、色散孔陣列或多色器之類的小型光學(xué)元件來生成特征圖案[圖5B至E）]。

圖5 計算微光譜儀。A、基于光譜到空間映射的光譜儀的工作原理。（B到E）復(fù)雜光譜到空間映射的光學(xué)系統(tǒng)示例：B、無序光子芯片，C、螺旋波導(dǎo)，D、色散孔陣列，E、多色儀。F、基于工程光譜響應(yīng)濾波或檢測的重建光譜儀的原理。到空間映射的光譜儀的工作原理。（G到J）使用光譜工程過濾或探測的不同重建系統(tǒng)：膠體量子點(diǎn)混合物（G）、光子晶體板的陣列（H）、結(jié)構(gòu)有色納米線（I）和單個成分工程納米線的陣列（J）。

如果兩個不同波長的特征圖案相同，則無法確定哪個波長導(dǎo)致了所測圖案。這樣，特征圖案之間的差異決定了重建光譜儀的分辨能力。在數(shù)學(xué)上，特征模式是矩陣的列；特征圖案之間的相似性越高，矩陣的條件數(shù)越大，導(dǎo)致數(shù)值解越差，特征圖案應(yīng)盡可能地多樣化。研究發(fā)現(xiàn)，分集與光路長度的擴(kuò)展成正比（所選光學(xué)元件內(nèi)的傳播模式的最短和最長光路之間的差）。使用倏逝耦合的多模螺旋波導(dǎo)，研究人員已實現(xiàn)了0.01 nm的分辨率，從而大大增強(qiáng)了光程長度擴(kuò)展。如此高的分辨率可以大大拓寬小型化光譜儀的應(yīng)用范圍。另外，這些系統(tǒng)在制造缺陷方面是魯棒的，可以通過校準(zhǔn)來補(bǔ)償。但是，它們遭受溫度變化的影響，這會改變特定波長的特征圖案。光譜分辨率越高，光譜儀遭受熱不穩(wěn)定性的影響就越大。因此，應(yīng)采取其他措施，例如，添加溫度控制器或溫度相關(guān)的校準(zhǔn)。此外，由于需要從數(shù)量增加的方程式中求解更多變量，因此，計算成本隨固定光譜范圍內(nèi)的光譜分辨率而增加。