微型紫外光譜成像儀研制成功

微型紫外光譜成像儀。圖片來源：中國科學技術大學

中國科學技術大學教授孫海定聯合中國科學院院士、武漢大學教授劉勝團隊，成功研制出微型紫外光譜儀，實現片上光譜成像。該光譜成像儀基于新型氮化鎵基級聯光電二極管架構，并與深度神經網絡算法融合，實現了高精度光譜探測與高分辨率多光譜成像，其光譜響應速度達到超快納秒級。日前，相關成果在線發表于《自然-光子學》。

光譜信息被稱為物質的“光基因”，能夠揭示組成與特性。光譜成像技術可同時獲取光譜與空間信息，在成分分析、環境監測、衛星遙感和深空探測等領域具有重要價值。然而，傳統光譜儀依賴光柵分光和機械掃描，系統復雜、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成為長期制約相關領域發展的關鍵瓶頸。

孫海定團隊聯合國內外學者提出了一種氮化鎵基級聯光電二極管架構，研制出工作于紫外波段的微型光譜成像儀，實現了高精度光譜探測與高分辨率多光譜成像。該結構由上下兩個不對稱p-n二極管垂直級聯組成，可在兩英寸和更大尺寸的晶圓上陣列化制備。器件實現電壓可調的雙向光譜響應，結合深度神經網絡算法，可對未知光譜進行高精度重構。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0.62納米，響應速度約10納秒。

基于此，研究團隊進一步實現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物質液滴進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用潛力。

該研究提出并實現了利用寬禁帶氮化物半導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的普及提供了新的思路和解決方案。

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