电子科技大学材料与能源学院，四川 成都 611731
光谱探测器是用来分析光线各个波长组分强度的仪器，在基础科研、工业生产和日常生活中应用广泛。常用的基于色散元件的光谱探测器通常有难以进一步优化的尺寸和质量，并且色散元件精密，不能满足微型化、低成本的发展趋势。利用旋涂法制备一系列具备不同可见光吸收特性的Cs0.1MA0.9PbX3（X为Cl、Br、I）钙钛矿薄膜，将其组合成滤光片阵列，结合互补金属氧化物半导体传感器构造计算重构型光谱探测器；针对光谱探测器滤光片阵列响应特点，利用非负Tikhonov正则化约束法对光谱进行重建；最后对设计的光谱探测器进行测试验证。所提光谱探测器在500 nm波长处具备27 nm的分辨率，在可见光范围内实现了一定的光谱分辨能力。
光谱探测器 微型化 钙钛矿 Tikhonov正则化约束 滤光片阵列 激光与光电子学进展
2024, 61(5): 0504002
1 北京航空航天大学 仪器科学与光电工程学院 “精密光机电一体化技术”教育部重点实验室，北京 100191
2 北京航空航天大学 人工智能研究院，北京 100191
3 北京航空航天大学 “空天光学-微波一体化精准智能感知”工业和信息化部重点实验室，北京 100191
针对基于中红外声光可调谐滤波器（Acousto-Optic Tunable Filter, AOTF）的光谱成像系统观测运动目标过程存在光谱数据漂移问题，提出了一种基于声光互作用的在线光谱校准方法。根据目标光谱成像位置与驱动频率，构建了逆向光线追迹模型，从而实现了光谱数据的在线校准，满足运动目标探测的实时性要求。该方法能为后续目标检测、识别与跟踪提供稳定且精确的光谱数据立方体。在实验验证方面，利用设计研制的平行光入射的中红外AOTF光谱探测系统，以黑体与中红外滤波片组合作为目标光源，对光谱校准模型开展实验验证。最终实验结果表明，针对位于不同视场处的模拟运动目标，校正后的光谱漂移相对误差均优于4.45%，有利于提升对运动目标光谱探测的应用能力。
声光可调谐滤波器 光谱校准 光线追迹 动目标 光谱探测 acousto-optic tunable filter spectral calibration ray tracing moving targets spectrum detection 红外与激光工程
2023, 52(12): 20230291
1 中国科学院微电子研究所，北京 100029
2 中国科学院大学，北京 100049
3 中国科学院空天信息创新研究院，北京 100094
石墨烯作为一种新型半金属材料，具有良好的导电性、光学透明度和机械性能，自发现以来备受研究者关注。特别是石墨烯的零带隙狄拉克色散关系赋予其特殊的光电性质，如宽带光吸收和高载流子迁移率，使得石墨烯基光电探测器具有宽广谱检测和快速响应能力。然而，传统的石墨烯制备方法包括机械剥离法、化学气相沉积法和氧化还原法等存在产量低、设备昂贵、工艺复杂和化学污染等问题。除此之外，单层石墨烯光吸收率和载流子寿命短，严重影响了石墨烯光电探测器的响应度。为了解决上述问题，文中采用一步激光刻蚀法在三聚氰胺-聚酰亚胺复合薄膜上原位诱导生成氮掺杂的多孔石墨烯，制备了光响应增强的石墨烯宽光谱探测器。这种激光直写的制备工艺效率高、成本低、无污染，可快速制备石墨烯光电探测器。经测试，该探测器在630 nm可见光辐照下的光响应度为2.17 mA·W−1，相比未掺杂的激光诱导石墨烯光电探测器的响应度提高了一个数量级。此外，该探测器在343 nm紫外和1 550 nm红外波段都具有光响应能力，响应度分别为3.06、2.63 mA·W−1。该方法为简单、高效、低成本制备高性能石墨烯基光电器件提供了可行性方案。
激光诱导石墨烯 光电探测器 氮掺杂 宽光谱探测 laser induced graphene photodetector nitrogen doping wide spectral detection 红外与激光工程
2023, 52(11): 20230140
1 太原科技大学, 山西省精密测量与在线检测装备工程研究中心, 应用科学学院, 山西 太原 030024
2 山西瑞豪生物科技有限公司, 山西 太原 030025
目前, 核酸检测已成为了我国新型冠状病毒感染确诊的“金标准”, 然而核酸检测在检测过程中受到病程、 标本采集、 检测过程、 检测试剂等因素的影响, 容易出现检测结果“假阴性”而漏诊的情况。 检测血清中的新型冠状病毒特异性IgM和IgG抗体已作为新冠病毒检测的辅助手段, 可以用来弥补核酸检测的“假阴性”短板, 提高检测阳性率。 论文介绍了一种成本低的便携式新冠IgM和IgG抗体定量检测仪。 检测仪由CPU信号处理模块、 光源驱动模块、 多光谱探测模块、 电源模块、 显示存储和通信模块等组成。 采用荧光免疫层析技术使待测样本中的IgM和IgG抗体与量子点相结合, 并将其截留在试纸条的T线。 方波调制后的光源驱动模块驱动紫外LED, 其出射紫外光通过一种屋脊形的光学系统垂直照射在免疫荧光层析试纸条的T线和C线上, 量子点标记物被光源激发辐射出红色荧光, 红色荧光透过窄带滤光片后被多光谱探测模块所捕获； 多光谱信号在CPU中进行FFT变换得到其频谱特征量, 利用信号波段和参考波段的特征量的比值进行归一化处理消除背景和环境干扰信号计算得到荧光强度, 根据标定系数, 从而确定IgM和IgG抗体的含量。 最终检测结果显示到UI界面上同时上传到服务器数据库中, 可通过计算机端进行远程查询实现数据共享和信息化管理。 采用正常人血清样本作为测量试剂, 进行了重复性实验, 实验表明, CV值在0～8.30%之间, 其中T线的CV值仅为3.45%。 将含有IgG与IgM抗体的溶液, 利用梯度稀释法得到一系列不同质量浓度的样品溶液进行线性度实验, 采用线性度最小二乘法对检测结果进行曲线拟合, 拟合系数为0.997 5。 最后, 通过新冠疫苗血清抗体检测的实验表明, 检测仪的阳性检出率为75%。 该检测仪结构精巧、 功耗低、 操作简便、 性能良好, 可作为辅助手段有效提高新型冠状病毒感染的阳性检出率。
新型冠状病毒 多光谱探测 光谱分析 量子点 抗体定量检测 SARS-Cov-2 Multi-spectral detection Spectral analysis Quantum dots Antibody quantitative detection 光谱学与光谱分析
2023, 43(4): 1012
1 南开大学电子信息与光学工程学院现代光学研究所，天津 300350
2 天津市微尺度光学信息技术科学重点实验室，天津 300350
设计并制备了口径为20 mm的法布里-珀罗干涉仪，该干涉仪在632.8 nm处的光谱分辨率为0.5 nm，自由光谱范围为9.0 nm。将口径为1.1 m的低成本菲涅耳透镜用作集光元件，使用自行搭建的法布里-珀罗干涉仪和工业电荷耦合器件（CCD）相机成功探测到30 m外平均功率为0.7 mW的汞灯光谱，实现了μlx量级的弱光光谱探测。采用增强型互补金属氧化物半导体（ICMOS）相机，可在10 m外检测到飞秒激光光丝诱导的质量分数为13×10-6的NaCl气溶胶的时间分辨荧光光谱。建立的基于菲涅耳透镜和法布里-珀罗干涉仪的光谱测量装置在空气污染物和有害物质远程检测中具有广阔的应用前景。
光谱学 法布里-珀罗干涉仪 菲涅耳透镜 远程光谱探测 光丝诱导荧光光谱
针对低轨卫星激光通信和大气层短波红外光谱分析的应用需求, 设计并研制了一种星用短波红外成像仪。由于低轨卫星系统的抗总剂量辐射能力要求为20kRad(Si)以上, 因此, 该成像仪选用抗总剂量辐射能力达到20kRad(Si)的InGaAs焦平面探测器; 采用宇航级元器件设计相应的时序驱动、温度控制、模数转换、图像传输、遥控遥测等硬件电路模块, 组成成像仪硬件部分; 应用PID温控算法实现成像仪精准控温, 采用非均匀性校正算法和图像增强算法提升成像仪图像质量。经试验验证, 研制的短波红外成像仪抗总剂量辐射能力达到25kRad(Si), 动态范围大于等于61dB, 非均匀性小于等于1.9%, 满足低轨卫星短波红外光谱探测的要求。
北京理工大学 光电学院 “精密光电测试仪器及技术”北京市重点实验室, 北京 100081
Czerny-Turner型光栅光谱探测技术凭借其色散均匀、灵敏度高、光谱探测范围宽等优势成为现代光谱仪器研究的热点, 广泛应用在生物学、医学、材料科学等领域, 但受限于像散, 系统的成像质量和分辨力难以进一步提高。为解决上述问题, 提出了基于复曲面镜的高分辨Czerny-Turner光谱探测技术, 通过复曲面镜子午和弧矢方向焦距不同的特性来校正像散, 在保证C-T型光谱仪高灵敏、宽谱段优点的前提下, 改善成像质量, 提高系统分辨力。理论分析和实验结果表明, 复曲面镜消像散光谱仪样机基于10nm扫描间隔的光谱拼接技术, 在400~800nm工作波段范围内光谱分辨力达到0.020nm。为C-T型光谱仪的分辨力改进提供了一种可行途径。
应用光学 像散校正 复曲面镜 高分辨光谱探测 applied optics Czerny-Turner Czerny-turner astigmatism correction toric mirror High-resolution spectrral detection
1 中国科学院光电技术研究所微细加工光学技术国家重点实验室，四川 成都 610209
2 中国科学院大学光电学院，北京 100049
3 中国科学院光电技术研究所矢量光场研究中心，四川 成都 610209
得益于体积小、结构紧凑、易集成等优势，基于超构表面的微型光谱探测技术近年来被广泛研究。然而，现有基于超构表面的微型光谱探测系统设计过程中，通常缺乏对超构表面透射光谱相关性均值与重建质量的定量分析。现有设计过程中采用随机选择方法，无法保证重建质量最优。本文定量分析了超构表面透射光谱的相关性均值与重建质量的关系，提出了一种用于微型光谱探测的超构表面设计方法。此外，本文还验证了基于超构表面的微型光谱探测技术的光谱特性，相较于随机选择设计方法，本文所提出方法可提高宽带光谱和图像光谱的重建质量。
量化分析 超构表面 方法 微型光谱探测 quantitative analysis metasurfaces methodology miniature spectral detection
1 西北工业大学宁波研究院, 深圳研究院, 机电学院, 陕西 西安 710072
2 西北工业大学空天微纳系统教育部重点实验室, 陕西省微纳机电系统重点实验室, 陕西 西安 710072
3 西安现代控制技术研究所, 陕西 西安 710065
4 北京理工大学信息与电子学院, 北京 100081
光谱探测技术在未来智能装备中发挥着视觉检测、理化分析和过程控制等智能识别的作用,广泛应用于食品安全、医学诊断、环境监测、防伪鉴别、植物病害抑制、预警侦察等领域。传统光谱探测系统因受限于分光元件而存在体积大、成本高和定制化能力有限等问题。基于微机电系统(MEMS)技术的法布里-珀罗(FP)滤波芯片为微型化、低成本和定制化的光谱探测系统提供了新的解决途径。近三十年来,针对实用化MEMS-FP滤波芯片的研究已取得长足的进展,并已应用于实际的微小型光谱探测系统中,但在芯片制造、器件性能和系统集成方面仍面临诸多要攻克的难题。对MEMS-FP滤波芯片的原理和性能、器件分类、实用化研究进展进行了综述,并分析了目前存在的问题和未来的发展趋势。
光学器件 法布里-珀罗滤波芯片 光谱探测 光谱成像 分光元件
