「中國創造」的典範:多光柵摺疊光譜——訪復旦大學陳良堯教授

　　2006年，國際兩家光電子雜誌Laser Focus World和Photonics Spectra的編輯曾分別主動在世界技術新聞專欄中特別介紹了復旦大學陳良堯教授課題組研發的多光柵二維摺疊光譜技術，認為該技術的創新原理和方法將能夠被拓廣並應用於更具挑戰性的高效率光譜獲取和分析領域，以及推廣到中遠紅外光譜分析領域。

　　上海市計量測試技術研究院的資深光學科學家袁海林教授也曾評論到，「採用多光柵結構對成像光譜進行高密度摺疊，在很寬的光譜區內實現高解析度、快速和長時間可靠測量，將會成為現代光譜儀設計中一個主流技術和發展趨勢」。

　　究竟是怎樣的技術讓國內外一片讚譽之聲?為了尋求答案，近日儀器信息網編輯採訪了多光柵摺疊光譜儀技術的研究者——復旦大學陳良堯教授。

復旦大學 陳良堯教授

　　「原理性創新」

　　光譜分析儀器在科學研究和工業領域有著廣泛的應用，為滿足應用需求，國際上已經發展了各種類型的光譜分析原理和方法，其中最主要的是採用稜鏡和光柵等光學色散元件，結合高靈敏度探測器對各種光譜(如反射、透射、吸收、散射、橢圓、螢光、拉曼等光譜)進行測量和分析。但受到光電探測器光譜響應、光柵色散和機械掃描等因素的制約，只能被迫在光譜工作區寬度、解析度和速度等參數之間做出妥協，從而嚴重影響和限制了其在許多重要領域的應用。這是國際學術和產業界長期未能解決的瓶頸和難題。

　　「傳統的光柵光譜儀需要使用機械裝置對色散元件進行位移和旋轉，這將限制測量速度的提高，而且機械轉動部件的定位精度低，可靠性差，容易在操作過程中發生故障;另外，由於國內機械加工水平所限，使得國產光柵光譜儀的機械部件精度和可靠性不高，從而影響了光譜儀的整體性能水平，」陳良堯說，「另外，一塊光柵難以覆蓋全光譜範圍，衍射效率為非均勻性分布，在其光譜衍射工作區的兩端效率較低，影響了儀器的信噪比質量。」

　　在長期的光譜分析研究中，為克服傳統儀器的這兩方面局限性困難是陳良堯當初決定研發「多光柵摺疊光譜分析儀」的原因，他希望能夠研製出一種沒有任何移動部件、光譜工作區寬、測量速度快的光譜儀。基於這一想法，陳良堯於90年代末開始「多光柵摺疊光譜分析儀」的研製。「這是原理和方法的創新，並非是『陽春白雪』，它的物理概念清楚，技術可靠，易於普及推廣，只不過很多人沒朝這方面去想。」

　　但是，當前光譜儀技術可以說是非常成熟了，再要嘗試原理性創新，可能並不像陳良堯說的那麼容易。在10多年時間的持續研究努力中，陳良堯教授經歷了很多，如最初雖有設想，但缺少研究經費支持，在市場上也買不到現成的關鍵元器件，業內對這類極具應用前景的新原理和新技術的認識也不統一等等。不過，「梅花香自苦寒來」，2012年，最終實現的研究成果被選為國家自然科學基金「十一五」優秀成果。至今已經推出了多種可供實用的樣機，集成組合的光柵數也由最初的3塊增加到了10塊。日前，陳良堯教授的「極高密度二維摺疊光譜成像裝置」課題入選了2014年高校自然基金國家重大科研儀器研製項目。

已研製完成的二維摺疊光譜分析儀的整體外形圖，250mm焦距，優於0.1nm光譜解析度，全譜測量時間小於0.1s，重約8.9公斤。

　　多光柵摺疊光譜儀採用了時間並聯模式的快速光譜信號獲取的新原理和方法，利用二維面陣探測器的優點，在一臺光譜儀中，同時滿足寬光譜區、高解析度和快速測量的三項關鍵功能要求。在10光柵二維摺疊光譜分析儀中，是將具有不同閃耀角和色散特性的10塊子構成一個光柵陣列，克服了面陣CCD信號接受面的張角限制，在200-1000nm光譜區將一維約276mm光譜探測區的近2萬個光譜數據點進行二維10重摺疊，快速成像在二維面陣探測器的焦平面上。由於無任何機械位移部件，使得最小的光譜獲取時間僅受限制於將光譜從CCD傳輸到數據存儲器件所需要的時間，實現了全光譜高精度快速測量和分析。

　　「所有用到光譜測量分析的地方都可以用」

　　「多光柵光譜是通用型光譜儀，所有用到光譜測量分析的地方都可以用，如可以應用於食品環境等領域的科研與日常檢測，而且未來完全可能替代常見的紫外、紅外等光譜分析儀器。」陳良堯對多光柵光譜儀的應用前景非常樂觀，「隨著高性能低成本面陣光電探測器的普及，二維摺疊光譜將成為主流光譜分析技術在更多領域實現推廣應用。」

　　「而且，由於改進了傳統光譜儀的一些不足，使得該儀器可以用於一些極端條件檢測。」例如：由於無任何機械轉動部件，多光柵光譜儀的全譜掃描速度最快能達幾毫秒至數十毫秒，所以在清華大學等離子體實驗室中，能利用它在真空條件下對等離子體原子譜線進行原位全譜檢測分析，在相同的實驗條件下，對各種原子態譜線進行比較分析，獲得較為可靠的實驗數據和結果。「並且，等離子體實驗室還希望通過合作，研究該技術在真空紫外條件下的應用。」

　　多光柵光譜儀既可以作為一種標準配置的光譜儀獨立使用，也可以成為一個載體——作為光譜分析儀器的核心部件，可以極大簡化分析儀器的結構。「光譜儀是光譜分析儀器的『心臟』，目前很多國產光學分析儀器採用的還都是傳統掃描型光譜儀，如果多光柵光譜儀能夠得到普及，將會顯著促進國產光譜儀器的更新換代。」

　　「探測器技術與成本亟待突破」

　　「目前在10光柵集成的儀器中，使用的是美國PI公司的CCD面陣探測器，單價在7萬美元左右。高性能光電探測器依然是限制我國先進光譜分析技術發展的瓶頸，也是成本無法降下來、難於大規模普及的主要原因。」不過，陳良堯也高興地說到，已有國內企業正從海外引進新一代CMOS光電傳感器技術，「我們將會成為他們產品的第一批實驗室用戶。」

　　另一個關鍵元件——光柵則可以根據具體需求，既可以購買進口產品，也可以選擇國內生產的。「我們已經在國內找到一家企業，可以研製和生產出我們所需的光柵和其他光學器件。」

　　對於下一步研發方向，陳良堯介紹到，「當前最重要的是把研究項目做好，並努力將這一技術應用到不同領域;另外，組合的多光柵模塊本身也可以成為一個產品，現在的組合光柵的方位角還需要人工調試，未來希望能夠採用自動化雷射準直技術，研製出已被封裝好、不需要調節的光柵組，用戶拿到手裡可以直接使用。組合的光柵數也有可能進一步增大，由現在的3-10光柵增至40-50塊光柵的組合，滿足更高精度的光譜分析需求。」

　　經過持續的研究努力，多光柵光譜儀已能夠被實際應用。據介紹，除了面陣探測器國內目前還做不出來，其它重要部件都實現了在自己的實驗室或在國內找到企業進行加工生產。說到這裡，顯現出了陳良堯教授比較獨特的研究態度和模式，陳良堯將項目研究經費的很大一部分用於改造實驗室環境，如在高性能光學儀器研究中，將購買高精度數控工具機，用於儀器核心零部件的高品質研製和加工，保證質量，這在目前中國大學的實驗室還比較少，對此，陳良堯說，「這麼做一方面是希望提高科學儀器的研究水平和效率，掌握核心技術，另一方面也十分需要培養研究生們的實際動手能力，不僅進行原理和方法創新，還需要採用先進位造技術，在學生時期就有能力親手把這些儀器做出來，可靠實現創新科學儀器的各種新功能，在這方面與發達工業化國家相比，我國在培養學生具有硬科學技術研究能力方面的差距還比較大。」

　　「由於高性能探測器價格一直居高不下，不利於大範圍普及，目前僅根據一些用戶需求進行定製，需要不斷解決問題，讓用戶滿意，建立良好的聲譽，」陳良堯說到。

　　後記

　　據了解，在陳良堯教授的研究成果2003年正式發表後，2007年在美國Light Smyth公司的廣告中也出現了採用4種不同光柵結構參數組合的二維摺疊光譜分析技術。而關於這一中國自主創新原理和技術的產業化途徑，陳良堯無奈的說到，「產業化的路還會比較長。」究其原因，一是關鍵部件技術的局限，另外國家的支持政策等也是重要原因。就像採訪最後陳良堯所說的，「希望能夠獲得國家較高強度的產業化應用研究項目的支持，並與工業界的合作夥伴一起，使得這項技術被產業化，促進我國高性能光譜分析儀器的進步和發展，將會在國際上有自己的地位，產生出中國乃至世界上最好的光譜儀。」

　　編輯：劉豐秋