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美國加州大學(xué)戴維斯分校研究團(tuán)隊在最新《先進(jìn)光子學(xué)》雜志上發(fā)表研究稱，他們開發(fā)出一種僅有砂礫大小的芯片級光譜儀。該光譜儀通過16個微型硅探測器結(jié)合人工智能（AI）算法，實現(xiàn)了實驗室級的光譜分析功能，能在可見光至近紅外波段高精度還原光譜，為便攜式醫(yī)學(xué)診斷、食品檢測和環(huán)境監(jiān)測提供了新工具。
無論是用于診斷疾病、評估食品質(zhì)量還是分析污染，要了解材料的化學(xué)成分，都依賴于光譜儀。這些儀器的工作原理是：接收光線，利用棱鏡或光柵將其分散成彩虹，然后測量每種顏色的強(qiáng)度。問題在于，分散光線需要較長的物理路徑，這使得儀器本身體積龐大。此次研究旨在解決小型化難題。
研究摒棄了傳統(tǒng)的空間光散射方法。新型芯片并未像傳統(tǒng)光譜儀那樣通過棱鏡或光柵在空間上物理分離不同顏色的光，而是僅集成16個彼此獨立的硅探測器。每個探測器都經(jīng)過專門設(shè)計，對入射光的響應(yīng)略有不同。這種工作方式好比給幾個專用傳感器調(diào)制一杯“混合飲料”，每個傳感器各自“品嘗”飲料的不同成分，從而獲得對整體光譜的編碼信息。
研究的首個關(guān)鍵突破在于探測器結(jié)構(gòu)設(shè)計。團(tuán)隊在硅光電二極管表面引入“光子俘獲表面紋理”（PTST），顯著提升了近紅外光的吸收效率，彌補(bǔ)了硅材料在該波段探測能力不足的問題，使芯片覆蓋可見光至近紅外（約1100納米）范圍。此外，高速傳感架構(gòu)還使器件具備超快測量光子壽命的能力。
破解這杯“飲料”配方的第二個關(guān)鍵在于人工智能（AI）。由于探測器輸出的是被編碼且含噪的信號，研究人員訓(xùn)練了一個全連接神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，通過大量樣本學(xué)習(xí)探測器信號與真實光譜之間的映射關(guān)系，成功解決了光譜重構(gòu)這一問題，實現(xiàn)約8納米分辨率的光譜還原，并顯著提升了系統(tǒng)的抗噪性能。
該芯片系統(tǒng)面積僅0.4平方毫米，兼具高靈敏度與強(qiáng)抗干擾能力，適合在低功耗、低成本條件下運(yùn)行。這種設(shè)計為開發(fā)真正集成化、實時高精光譜傳感器提供了新路徑。
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