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上海交通大学研究团队开发微型混沌计算光谱仪 突破传统性能限制
2025年10月06日 10:10:12
来源：化工仪器网 作者：宋池 点击量：9964
上海交通大学研究团队开发出一款基于光学混沌的微型计算光谱仪。该器件通过单一变形混沌微盘，在20×22 μm²超小尺寸和16.5 mW低功耗下，实现了10 pm高光谱分辨率与100 nm宽带宽，成功突破了光谱仪在带宽、分辨率与尺寸之间的经典难题。
近日，上海交通大学集成电路学院(信息与电子工程学院)郭旭涵教授与苏翼凯教授课题组在微型计算光谱仪技术领域取得重要进展。研究团队通过引入光学混沌效应，成功研制出一种基于单一混沌微盘的微型计算光谱仪。该器件在极小尺寸与低功耗条件下，实现了超高光谱分辨率与宽可测带宽，为突破光谱仪性能与尺寸间的传统权衡提供了新思路。相关研究成果以“Miniaturized Chaos-assisted Spectrometer”为题，发表于学术期刊《Light: Science & Applications》。
随着便携式应用场景的快速发展，对小型化、高性能光谱传感技术的需求日益迫切。传统台式光谱仪因依赖体积庞大的光学元件与复杂光路，其小型化进程面临瓶颈。近年来，微型计算光谱仪作为一种集成化解决方案受到广泛关注。该类光谱仪通过微型编码器件构建光谱响应矩阵，并利用算法重建入射光谱。其重建精度与稳定性高度依赖于响应矩阵的随机性和去相关性。为提升性能，现有技术通常需要级联复杂光学结构以增强随机性，但这往往导致器件尺寸增大，难以从根本上解决性能与尺寸之间的矛盾。
针对上述挑战，研究团队创新性地引入了光学混沌概念。他们将传统的圆形微盘变形为帕斯卡蜗线形状，人为地在微盘腔内激发了光学混沌效应。这种混沌效应使得光在腔内的传输行为对波长高度敏感，突破了圆形微盘中谐振模式需严格满足相位匹配条件的限制，从而能够支持更丰富、更多样的谐振模式。仅利用这一个经过形变的单一微型腔体，即可生成具备高度随机性和去相关性的光谱响应。
在具体实现上，研究团队通过射线动力学模型和庞加莱截面分析，高效地确定了最优的微盘形变参数。通过线性扫描仅16.5 mW的外部加热功率，成功生成了准随机光谱响应矩阵。经评估，该响应矩阵的列正交性和行相关性分别低至约0.210和0.08，证明了其优异的结构随机性。
在性能验证实验中，该光谱仪在双峰光谱、三峰光谱及连续光谱的重建任务中均表现出色。实验结果表明，其光谱分辨率达到10 pm，可测带宽覆盖100 nm，在仅为20×22 μm²的超紧凑尺寸下，实现了单位尺寸带宽分辨率比的突破。
该研究首次将光学混沌系统成功应用于计算光谱仪，为解决微型光谱仪的性能与尺寸权衡难题提供了一条全新路径。通过单一混沌微盘结构，在极低功耗下实现了高性能光谱传感。这项技术为开发低成本、低功耗的便携式光谱传感设备及集成化高光谱成像系统开辟了新的技术方向。
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