光譜儀由大型科研儀器走向便攜應(yīng)用的轉(zhuǎn)化

光譜，被視為物質(zhì)的“指紋”，是各類物質(zhì)與生俱來的“身份證”，而光譜儀就像一雙分辨光波的“眼睛”，通過準(zhǔn)確測量物質(zhì)“指紋”，“一眼洞穿”其化學(xué)成分和物理特性。

近期，利用光譜原理，中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院集成所副研究員林慧成功研發(fā)了一系列面向食品、藥品、照明檢測的超微型光譜儀，實現(xiàn)了光譜儀由大型科研儀器走向便攜應(yīng)用的轉(zhuǎn)化。

林慧團(tuán)隊從古代活字印刷術(shù)中獲得靈感，發(fā)明了用于曲面的柔性納米壓印技術(shù)，改進(jìn)了關(guān)鍵器件，創(chuàng)新性地將光譜儀與合成生物學(xué)大設(shè)施、爬壁機器人等新領(lǐng)域結(jié)合，碰撞出全新應(yīng)用場景。

集成所精密工程研究中心副主任林慧

自然界中的太陽光、人造日光燈發(fā)出的光，都是由幾種單色光合成的復(fù)色光。將復(fù)色光分解為單色光的光柵，是光譜儀運轉(zhuǎn)的關(guān)鍵。

用光譜儀測量物品的反射或透射光，將復(fù)雜成分的光分解為光譜，然后通過數(shù)據(jù)分析，就可以知道物品的成分。“其中光柵相當(dāng)于光譜儀的‘心臟’，是核心器件?！绷只郾硎荆麄兊难芯烤褪菑墓鈻派舷鹿Ψ?。

林慧團(tuán)隊研發(fā)的曲面光柵

團(tuán)隊在研發(fā)過程中發(fā)現(xiàn)，與傳統(tǒng)光譜儀使用的平面光柵相比，凹面衍射光柵具有像差校正性能，可以代替多個光學(xué)元件，起到簡化光路的作用，推動原本體積較大的光譜儀實現(xiàn)小型化和輕型化。

不過，制作工藝限制了凹面光柵的發(fā)展。凹面光柵的表面刻蝕了微納米尺度的溝槽，而且這些溝槽的間距是不均勻的?，F(xiàn)階段的技術(shù)要么通過金剛石刻刀，沿曲面進(jìn)行步進(jìn)刻畫，要么通過全息曝光與離子束刻蝕制作，這些都需要依賴昂貴的設(shè)備，效率低、成本高。

為解決該問題，林慧團(tuán)隊與香港中文大學(xué)陳世祈老師團(tuán)隊合作，經(jīng)過3年研發(fā)，發(fā)明柔性納米壓印技術(shù)，實現(xiàn)了曲面光柵的高效印刻。

所謂納米壓印，可以形象地理解為古代的活字印刷術(shù)。柔性壓印則是采用硅橡膠等材料作為軟模板，先制作帶有光柵圖案的軟模板，再通過模板的變形與曲面貼合，從而實現(xiàn)圖形從平面向曲面的轉(zhuǎn)印。

目前團(tuán)隊已經(jīng)完成了柔性納米壓印機的樣機開發(fā)，在實驗室內(nèi)實現(xiàn)了高效、靈活的柔性/曲面微納結(jié)構(gòu)制作。據(jù)了解，該技術(shù)在曲面屏、AR顯示等消費電子產(chǎn)品中也將有廣闊的應(yīng)用前景。