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美國(guó)加州大學(xué)戴維斯分校研究團(tuán)隊(duì)在最新《先進(jìn)光子學(xué)》雜志上發(fā)表研究稱，他們開(kāi)發(fā)出一種僅有砂礫大小的芯片級(jí)光譜儀。該光譜儀通過(guò)16個(gè)微型硅探測(cè)器結(jié)合人工智能（AI）算法，實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)室級(jí)的光譜分析功能，能在可見(jiàn)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(cè)和環(huán)境監(jiān)測(cè)提供了新工具。

無(wú)論是用于診斷疾病、評(píng)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(cè)量每種顏色的強(qiáng)度。問(wèn)題在于，分散光線需要較長(zhǎng)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(guò)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(gè)彼此獨(dú)立的硅探測(cè)器。每個(gè)探測(cè)器都經(jīng)過(guò)專門設(shè)計(jì)，對(duì)入射光的響應(yīng)略有不同。這種工作方式好比給幾個(gè)專用傳感器調(diào)制一杯“混合飲料”，每個(gè)傳感器各自“品嘗”飲料的不同成分，從而獲得對(duì)整體光譜的編碼信息。

研究的首個(gè)關(guān)鍵突破在于探測(cè)器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。團(tuán)隊(duì)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(cè)能力不足的問(wèn)題，使芯片覆蓋可見(jiàn)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(cè)量光子壽命的能力。

破解這杯“飲料”配方的第二個(gè)關(guān)鍵在于人工智能（AI）。由于探測(cè)器輸出的是被編碼且含噪的信號(hào)，研究人員訓(xùn)練了一個(gè)全連接神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)大量樣本學(xué)習(xí)探測(cè)器信號(hào)與真實(shí)光譜之間的映射關(guān)系，成功解決了光譜重構(gòu)這一問(wèn)題，實(shí)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(jì)為開(kāi)發(fā)真正集成化、實(shí)時(shí)高精光譜傳感器提供了新路徑。