【哈工大（深圳） 宣】（理学院/文、图）近期，哈工大（深圳）理学院宋清海教授团队提出了一种基于动态超表面阵列的角度分辨光谱技术。该成果以“Compact angle-resolved metasurfacespectrometer”为题发表在《自然-材料》（Nature Materials）上。

角分辨光谱仪同时携带物质的结构和“指纹”信息，可以精确检测材料和结构参数，为智能感知技术开拓了一个新的信息维度，在工业自动化、智慧医疗、机器视觉、消费电子等诸多领域有着巨大的应用需求，如在13.5纳米EUV光刻系统中用于描述薄膜粗糙度，在医学领域实现早期癌症的诊断，在集成电路和光电子产业的微纳制程中测量纳米结构的特征等。然而传统的角分辨光谱仪包含常用样品的逐步旋转和后焦平面成像两种技术。这两类包含成像装置和光谱仪的系统对于下一代光子仪器来说太大（米），因此阻碍了它们在物联网、定点诊断和消费电子等新兴领域的应用。

针对以上难题，理学院宋清海团队提出了一种基于动态超表面阵列的角度分辨光谱技术。通过把集成液晶的二氧化钛超表面与钙钛矿探测器直接结合形成微型化阵列光谱仪，将入射光的光谱信息进行编码，随后根据单像素光电探测器采集到的透射光强随液晶电压的变化关系，通过重建算法对多维光场信息进行解码，恢复重建入射光的光谱信息，进一步将阵列光谱仪集成到超构透镜的后焦面，利用重建不同平面分布的单像素光电探测器的光电流，可以实现高角分辨率的光谱实时探测。

为了同时实现高光谱分辨率和高角度分辨率，该系统将基于动态超表面的微型光谱仪阵列与超构透镜结合在一起。其中微型光谱仪由面积仅有 4×4 μm2的超表面阵列组成，通过设计优化，超表面在可见光波段可以支持多个各向同性的高品质因子谐振模式，在超表面结构上集成厚度约为2微米的液晶层，通过对液晶上下基板施加不同大小的直流电压时，超表面透过率会随液晶转角变化而发生变化，不同谐振的变化程度具有明显的弱相关性，从而保证光谱信息计算重构的准确性。进一步的将由微米量级像素光谱仪集成到超构表面的后焦面上，不同角度出射的光会聚焦在不同像素点上，微米量级的像素点可以保证实现高角度分辨率。

该项工作的超光谱、超角度分辨成像芯片是微纳光电子与光谱技术的深度交叉融合，首次展示了一种具有创纪录的小尺寸、高光谱分辨率和高角度分辨率超小型角度分辨光谱仪，该工作所采用的加工方式与CMOS工艺和标准液晶封装工艺完全兼容，具有大面积量产的潜力和优势；系统单次光谱测量和计算恢复所需总时间约15.7ms；像素面积仅有 4×4 μm2，系统总体积仅为0.226 mm3；实现的光谱和角度分辨率都达到了现有仪器的先进水平。该技术为发展下一代小体积、小重量、低功耗的光学成像、即时检测、可穿戴光电子器件开拓了新的思路。

该论文第一作者为哈工大（深圳）理学院博士研究生蔡贵一、李言浩，宋清海教授、肖淑敏教授、鹏城实验室余少华院士和澳大利亚国立大学尤里·基夫沙尔教授为通讯作者。哈工大（深圳）是第一完成单位。该项研究得到了国家重点研发项目、自然科学基杰出青年项目、深圳市基础研究重点项目和哈尔滨工业大学中央高校基本科研业务费专项资金资助等的支持。（编辑 丁波皓 审核 张惠屏 谢梁晖）

图一：角分辨集成光谱仪的系统设计图

图2：角分辨集成光谱仪的工作原理图。（a）工作原理示意图。（b）后焦面实现彩色图像的光谱重建。（c）单个光谱仪像素的示意图。（d）多次测量的输入控制液晶电压步长。（e）重建光谱的信噪比的变化。