具有扁平光学元件的紧凑型高分辨率光谱仪

光谱仪是一种用于测量光谱特定部分的光特性的仪器。这些设备已经找到了广泛的实际应用。色散光学元件(例如，衍射光栅或棱镜)是用于实现所需色散的传统光谱仪的关键组件。

色散源于材料折射率随入射光束波长的变化。这种自由空间光学元件与自由空间传播体积的结合导致体积庞大的光谱仪，这与片上集成技术不兼容。为了满足系统集成的要求，迫切需要一种紧凑、简单和高效的方法来实现高分辨率光谱仪。

在《光：科学与应用》上发表的一篇论文中，由英国赫瑞瓦特大学工程与物理科学学院光子学与量子科学研究所的陈先忠教授领导的一组研究人员提出了一种新的色散控制方法。

他们通过使用基于新型透镜模型设计的单个超表面器件控制色散，开发了一种具有纳米分辨率的超薄光谱仪。该技术的独特之处在于新颖的镜头设计，可以同时实现波长分裂和光聚焦。

光谱仪的紧凑性和超薄特性使该技术对于片上集成光子学的潜在应用非常有吸引力，在这些应用中，光谱分析和信息处理可以在紧凑的平台中进行。

使用所提出的设备将入射光束的波长精确映射到焦平面上的不同位置。该装置由位于玻璃基板上具有空间变化方向的金纳米棒组成。在左圆偏振光的照射下，右圆偏振光(转换部分)会聚在所需位置，即预先设计的环。环设计为包含多个焦点，每个焦点对应于不同的入射波长。

所提出的超表面光谱仪的设计过程包括一种独特的波长信息多焦点超透镜设计技术。研究人员解释说：

“我们最初考虑的是超透镜的相位分布，它可以在费马原理控制的所需位置产生单个焦点。具有单个焦点的不同超镜头的单个相位剖面可以集成到一个组合的相位剖面中。然后，将每个焦点的波长视为一个设计变量，并添加到多焦点超镜头的相位分布中。采用由具有空间变化取向的金纳米棒组成的单层超表面来实现所需的功能。

“较大的超表面样本将实现精确的线宽检测和连续光谱识别。样本量的增加将增加波长相关焦点的数量，这将有助于提高超表面光谱仪的分辨率和工作带宽，“他们补充说。

“所提出的方法非常灵活和稳健，提供了一种在单色和多色入射光束照明下控制所需色散的新方案。设计灵活性和超薄特性使超紧凑型光谱仪在单片片上集成传感器技术方面非常有吸引力。这项技术可以有效地用于光谱分析，信息安全和信息处理领域的许多令人兴奋的应用，“科学家们说。

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