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上海交大蔡伟伟特别研究员《Science》发文系统分析光谱仪微型化的技术路线、技术突破及其后续应用

1月29日,上海交大机械与动力工程学院叶轮机械研究所蔡伟伟特别研究员在《Science》上发表题为“Miniaturization of optical spectrometers”的论文,对光谱仪微型化的技术路线、技术突破及其后续应用进行了系统的分析。蔡伟伟特别研究员和剑桥大学Hasan教授为共同通讯作者,这是机械与动力工程学院教师首次作为通讯作者在Science上发表研究成果。

光谱仪是科学研究和工业应用中最常用的测量工具之一,可表征物质的特征光谱,从而对其成分及结构进行分析。传统的光谱仪结构复杂,体积庞大,且便携性较差,而光谱仪的微型化引起了广泛关注。论文全面总结分析了过去三十年中所发展的四种微型光谱仪,即色散型(dispersive optics)、窄带滤光型(narrowband filters)、傅里叶变换型(Fourier transform)和计算光谱(reconstructive)四大类。

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光谱仪微型化的四种技术路线

论文指出了微型光谱仪发展历程中的重要技术突破,认为微型光谱仪的发展主要依赖于加工技术的进步和计算能力的提升。早期微型光谱仪的发展主要利用了20世纪80年代到21世纪初微制造领域的突破,光刻和蚀刻工艺的进步、MEMS技术的持续发展使得复杂的微型色散器件、滤光器件和傅里叶变换系统的制造成为可能。过去十年,计算能力的大幅度提升、计算成本的大幅度降低、压缩感知和深度学习等数学工具的发展为微型光谱仪的改进注入了新活力。目前,计算光谱仪已成为最具发展前景的技术,相关研究人员相继提出了一系列新型光谱仪如量子点光谱仪、超表面光谱仪等。

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微型光谱仪发展历程中的重要技术突破及时间节点

微型光谱仪具有广阔的应用前景。消费级的微型光谱仪即将出现在智能手机、智能手环、智能眼镜等电子设备上,成为万物互联传感器网络中的重要一环,并创造千亿级的市场;微型高光谱相机的出现将为智慧农业、地质勘探、肿瘤诊断等领域带来新变革;纳米光电器件和计算光谱技术的结合为高速(≥100kHz)高光谱成像提供了全新思路,可为先进发动机湍流燃烧和激波风洞高温气体动力学的实验研究提供全新的测试手段。

蔡伟伟特别研究员致力于计算成像与燃烧诊断技术的交叉与融合,形成了具有特色的热物性与热物理测试研究方向。近年来,相继在Science、Progress in Energy and Combustion Science、Journal of Fluid Mechanics等期刊发表论文50余篇。相关工作得到了国家自然科学基金(E0606,No. 52061135108、51976122、51706141)及国家高层次人才引进计划青年项目的支持。

论文链接: https://science.sciencemag.org/content/371/6528/eabe0722


作者:叶轮机械研究所

供稿单位:机械与动力工程学院


       

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