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24
2026
-
04
浙江大学，微涡旋-聚碳酸酯，热塑性聚合物-微型化光谱仪
作者：
在光分析、光谱成像及光学传感等领域，微型化光谱仪具有重要应用价值。然而，在微尺度下，提供多种光谱响应且无需外部刺激的色散元件，一直极具挑战。传统色散结构如光栅在极端微型化时，面临尺寸相关的性能权衡，且通常体积较大，难以与便携式设备集成。
近日，浙江大学邱建荣教授、王卓博士、张博助理研究员等在Nature Electronics上发文，提出了一种在聚碳酸酯（Polycarbonate）等热塑性聚合物基底中，利用超快激光诱导微涡旋（micro-vortices）来产生复杂色散信号的新方法。
该方案基于光致弹性效应，在10×10 μm² 的紧凑足迹内，提供丰富多样的光谱响应。这些色散结构工作带宽广（400-1,550 nm），且具有无观测角依赖、环境鲁棒性强等优点。通过将微涡旋结构与图像传感器集成，可用于片上光谱分析和高分辨率微观光谱成像。
Optical dispersion using micro-vortices in thermoplastic polymers for integrated microspectrometers.用于集成微光谱仪的热塑性聚合物中，微涡流的光学色散
图1 | 热塑性聚合物中超快激光诱导的色散微涡旋及其光谱应用。a, 在聚碳酸酯基阵中利用超快激光创建色散微涡旋的示意图及实验结果，其中 P? 和 P? 为偏振片。b, 色散微涡旋在不同波长下的光谱响应（标尺：20 μm）。c, 基于色散微涡旋的典型光谱应用示意：区分单色光峰值波长（上）、分析未知复色光的宽带光谱（中）以及收集物体几何与光谱信息的光谱成像（下）。
图2 | 热塑性介质中超快激光诱导色散微涡旋的形成机制。a, 热塑性基阵中超快激光诱导微爆炸的示意图。b, 超快激光照射区域的背散射电子（BSE）图像；内图为沿红色虚线的拉曼光谱制图（标尺：20 μm）。c, 微爆炸区域内不同位置的拉曼光谱。d, 自然界中由差异流速引起的涡旋。e, 基于热塑性基阵内梯度流速调控的涡旋形成模型示意图。f, 利用两次激光照射在基阵中产生的微涡旋结构的理论模拟（左）与实验结果（右）。g, 涡旋感知的序列依赖性和方向依赖性。
图3 | 色散微涡旋的优越性能。a, 超快激光照射诱导涡旋的重复性（标尺：50 μm）。b, 在透射模式和反射模式下获得的光谱色散信号。c, 通过表征不同放大倍数（NA 为数值孔径）下的色散信号验证微涡旋的鲁棒性。d, 通过调节照明光的偏振方向来操控微涡旋的光学响应。e, 这种微涡旋制造方案在多种材料（PETG、PES、PSU）中的通用性。
图4 | 利用色散微涡旋进行光谱检测。a, 实验制造的色散微涡旋光谱仪。b, 通过按一定池化因子合并原始图像像素进行的池化操作。c, 像素阵列中不同像素的光谱响应曲线。d, 不同池化因子下对单色光（中心波长 530 nm）的重建结果。e, 不同池化因子下重建结果与参考光谱的均方误差（MSE）。f, 池化因子为 8 时，校准步长为 1 nm 的像素阵列光谱响应矩阵。
来源：今日新材料
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