用“彩虹”造出迷你光谱仪

梁水源

众所周知，牛顿当年在幽暗房间的护窗板上开了一个小孔，一束太阳光射入，并从放置好的玻璃棱镜上穿过，诞生了科学史上有名的“人造彩虹”。而“人造彩虹”通过反向放置的第二个棱镜重新结合，又变成了白色的光。之前，人们使用的光谱仪正是沿用四百多年前牛顿的实验原理而制造出来的。

光谱仪是近二十年来兴起的一種技术，它能通过测量物质吸收或物质发射的谱线，去分析其成分和结构，是科学研究中最常用的测量工具之一。光谱分析是人类借助光认知世界的重要方式，人类能看到的每种物质，都有对应的光谱信号。如果说肉眼是能看到物质的形状、尺寸等信息，光谱分析则是能获取物质的成分信息，帮助人类看清事物的本质。

比如，在纪录片《我在故宫修文物》中就有这样一个故事：描绘乾隆的母亲崇庆皇太后八十大寿时现场祝寿实景的《崇庆皇太后八旬万寿图》，历经二百五十多年后已变得非常残破，绢面有缺损断裂，甚至还有霉迹。要想恢复原作风貌，修复时就要了解当时所用的颜料。科研人员利用光谱仪对古画颜料进行了扫描，提取了古画颜料的信息，由此推算出当初绘画时所用矿物原料的种类。根据不同颜料光谱曲线的差异，科研人员甚至能反推出颜料的产地——这就为修复选用颜料提供了可靠的依据。

光谱仪的应用非常广泛，大到天文，小到分子，比如它能检测到几百万光年外的星系活动，还能检测纳米尺度中的分子结构。不过，由于此前光谱仪的工作原理一直沿用牛顿的实验原理，即使用棱镜或光栅分光元件，导致光谱仪体积普遍比较庞大，因此很难满足更多应用。而且，光谱仪的光路复杂，内部有着较多精密光学元件，这些元件造价很高，导致光谱仪价格普遍在几万元以上。

能不能把光谱仪的成本降到几十元，并把它的体积做得很小，甚至可以集成到手表或手机中呢？浙江大学信息与电子工程学院研究员杨宗银读研期间，和同学一起发明了在单根纳米线上调控带隙的技术，这种技术得出的纳米线，在荧光显微镜下看起来就像一道彩虹。当时，他猜想这种材料或许可用于分析光谱，但由于条件不足，这项研究被迫搁置。后来，他来到剑桥大学光电子学专业读博，才重新拾起了这个设想。

可是，杨宗银在150个光谱仪器件上做实验，都以失败告终。耗时8年，他心有不甘。一天深夜，杨宗银去测试最后一件样品，结果刚好和商用光谱仪完全对上。2019年，他的论文发表后，引起了业界人士的高度关注。

在具体研究中，杨宗银使用的纳米线只有发丝直径的千分之一，它可以有效地捕获光子，通过使用可重构光信号全光谱的智能计算软件制备出的光谱仪，尺寸仅有几十微米，大小不到市面光谱仪的千分之一，可集成到手机里。杨宗银对原有光谱仪又做出了相应的改进，以前它只是单点的光谱仪，只能对一个点做光谱测量，现在它已经可以集成到手机商用摄像头中，并且每个像素点都是一个光谱。此前，光谱仪使用的是非标芯片工艺，而杨宗银发明的光谱仪使用的是标准芯片工艺，产业化程度得以提高，制备流程也采用标准流程，将成本降低到了十元钱以内。

2021年1月，杨宗银发表了其作为第一作者的第二篇《光学光谱仪的小型化》科研论文，终于用“彩虹”造出了全球最小光谱仪，并将成本降低了数千倍。不久的将来，超微型光谱仪也能走进千家万户。