基于光子晶体平板阵列的光谱传感器

本工作展示了一种基于光子晶体（PC）平板阵列的单帧片上光谱传感器，为紧凑型高光谱成像及便携式应用提供了创新解决方案。

图 1 对比了不同光谱仪的光谱响应特性，传统光栅或微腔光谱仪通过单一尖锐峰逐点采样光谱，傅里叶变换光谱仪依赖正弦函数采样且需移动部件，而光子晶体平板（PC slab）光谱仪利用复杂光学结构产生包含导模共振、法布里 - 珀罗共振等特征的多变光谱响应，基于随机基采样，结构紧凑适用于单帧测量。

图1 不同的光谱仪及其光谱响应。

图 2 展示基于 PC slab 的微型光谱仪，其由参数各异的 PC slab 阵列集成在 CMOS 传感器上构成，光学与 SEM 图像显示 6×6 PC 结构阵列及纳米图案细节，实测透射光谱呈现多峰和宽背景等复杂特征，验证了可制造性与光谱多样性。

图 2基于光子晶体（PC）平板的微型光谱仪

图 3 展示了基于光子晶体平板（PC slab）的光谱仪在宽带光谱重建中的性能表现，其中图 3a 将绿色 LED（570 nm）与红色 LED（630 nm）的混合光作为光源，商用单色仪测量的参考光谱显示两个宽峰，PC 光谱仪通过 36 个 PC slab 阵列单帧捕获的重建光谱（蓝色圆圈）与参考值（红色实线）在峰值位置和强度比例上高度吻合，且测量时间仅需数十毫秒，远快于单色仪的数秒扫描时间；图 3b 采用多色 LED（LEDRY）光源，其包含复杂的橙色 / 红色混合光谱，PC 光谱仪重建的光谱曲线准确还原了主要特征，验证了对非规则宽带信号的适应性；图 3c-d 则展示了同色异谱信号的鉴别能力，样本 1 为绿红混合光（3:4 功率比），样本 2 为单一 590 nm 窄带光，两者在 RGB 相机中颜色相近，但 PC 光谱仪重建结果显示样本 1 具有双峰值，样本 2 仅有单峰，清晰区分了光谱成分差异，体现了其在食品检测、生物医学等领域通过光谱指纹鉴别物质的潜力。

图 3 光谱响应率矩阵学习

图 4 针对窄带光谱分辨率，氦氖激光和单色仪生成的窄带信号重建结果显示峰位误差小、带宽匹配良好，量化了亚纳米级的光谱分辨率，接近商用设备精度。