材料创新推动可扩展光谱仪设计，满足多样化应用需求

一款受智能手机启发的光谱仪平台采用低成本塑料材料替代玻璃制成，有望推动光谱成像技术在科学、工业和消费领域的普及应用。该光谱仪覆盖可见光至短波红外波段，采用可大规模生产的非光刻工艺制造。这些特性使其适用于家庭健康监测、食品质量检测、农业传感等诸多需要经济型宽带传感能力的应用场景。

这项光谱仪设计成果来自剑桥大学、浙江大学、浙江理工大学和南洋理工大学研究人员组成的跨学科团队，成员专业背景涵盖材料科学、光学工程和信号处理领域。

智能手机摄像头采用塑料光学元件实现超紧凑结构下的高性能表现。受此启发，研究团队运用透明形状记忆环氧树脂，通过应力工程制备塑料光学色散元件。所用双酚A环氧树脂材料在可见光至短波红外波段具有高度透光性。

实验室塑料制品的双折射现象。（比例尺：1厘米）

形状记忆环氧树脂在高温下可进行机械拉伸，从而在材料内部编程形成精确稳定的应力分布。这些应力会产生双折射效应——一种根据波长分离光线的光学现象。通过温控机械拉伸工艺，团队成功实现环氧树脂的应力工程调控，定制其光学特性。相比其他塑料材料，形状记忆环氧树脂具有更优异的应力存储能力，可通过应力工程实现大范围的频谱编码。

“通过调控聚合物内部应力，能够以高度可重复和可调谐的方式设计光谱行为，这是传统光学元件极难实现的，”Gongyuan Zhang教授表示。由此制成的薄膜可作为光谱滤波器，其编码信息可由标准CMOS图像传感器读取，并通过算法重建。研究人员证实，当这些平面应力工程环氧薄膜与商用CMOS图像传感器集成，并采用光谱重建算法对像素输出进行运算处理时，即可构成完整的光谱仪装置。

采用大面积拉伸环氧薄膜作为滤波器，显著提高了光谱仪的生产良率。团队成功研制出同时覆盖可见光（400-800nm）和近红外（800-1600nm）波段的微型光谱仪。环氧薄膜层还使该光谱仪能作为二维图像的线扫描设备进行光谱成像，获取相应的光谱数据立方体，展示了其作为便携式高光谱成像工具的潜力。

这种应力工程薄膜无需光刻或昂贵纳米加工即可一步成型，使得光谱仪适合大规模生产并集成至手机、可穿戴设备等消费电子产品中。“我们证明可用可编程塑料覆盖比典型微型系统更宽的光谱范围——直达短波红外，”Zongyin Yang教授指出，“这对农业监测、矿物勘探和医疗诊断等应用至关重要。”

新型光谱仪设计可用于污染物检测、药品真伪验证、无创血糖监测乃至实时可回收材料分拣。通过打破尺寸、成本和光谱范围之间的传统制约关系，该技术有望推动计算光子学和可持续传感技术的研究进展。

“这项工作展示了如何运用机械设计原理重塑光子功能，”Tawfique Hasan授表示，“通过在透明聚合物中嵌入应力，我们创建了一类新型色散光学元件，不仅重量轻、可扩展，还能适应宽光谱范围。这种灵活性水平是依赖静态光刻结构的传统光学元件难以企及的。”

随着团队持续优化设计并探索商业化路径，这种应力工程塑料光谱仪或将成为新一代智能紧凑传感器的核心组件，嵌入日常使用的电子设备中。