光学散应 能够将复光分解为不同波长的单光，在光学计、传感、精密测量、成像等前沿域具有不可替代的作用。随着对便携式、可穿戴及植入式光电子器件需求的日益增长，构建具有微尺度散元件对于新代小型化装备的开发至关重要。然而， 传统的散元件 （如光栅和棱镜）在端微型化时，面临着不可逾越的物理限制（如光谱分辨率下降、工作带宽变窄）。近年来，基于计重建的微型光谱仪虽然通过微纳光子结构（如光子晶体、构表面）减小器件体积， 但往往需要庞大的光谱编码阵列来保证检测精度，或者引入额外的热/电刺激来增加采样多样。这不仅增加了系统复杂度和制造成本，也限制了工作率。 开发兼具宽带响应、紧凑尺寸、精度及强稳定的微尺度光学散器件，并实现其简捷的设计制造，是当前亟待突破的科学与技术挑战。
近日，浙江大学光电学院 张博研究员、邱建荣教授 等 利用快激光及流体动力学法，在热塑基体中成功构建了自组织散微涡旋，在其紧凑的空间中精确产生了具有复杂光谱响应、可灵活调控、稳定、便于集成的微尺度光学散，研制出具备宽工作范围、精度、鲁棒、低成本的微型片上光谱仪和光谱成像器件（图1）。 该法为将微尺度光学散结构嵌入热塑介质开辟有路径，为新型宽带片上微型光谱仪、光谱成像系统等提供了全新技术案，为三维集成光子学的发展提供新思路。
相关成果以“ Optical dispersion using micro-vortices in thermoplastic polymers for integrated microspectrometers ”为题发表于 Nature Electronics 。浙江大学 张博研究员 、博士生 刘世奇 为论文作者， 卓助理研究员 、 邱建荣教授 为论文通讯作者。该工作还得到了澳大利亚皇墨尔本理工大学 贾宝华教授 团队、浙江大学信电学院 杨宗银教授 的支持。
图1：快激光诱聚物中散微涡旋的产生与应用湖北万能胶厂家
、散微涡旋的产生
在自然界中，当流体速度场不均匀且存在黏时，就会产生涡旋（如河流中的漩涡现象）。受此启发，研究团队提出：在聚物内部，通过快激光人为构建材料流动的速度梯度，也能产生微涡旋。具体而言，当束快激光被聚焦到热塑介质内部，焦点区域的能量密度致材料温度瞬间过熔点发生气化和微爆炸，产生微孔结构，伴随的冲击波将周围软化的材料向外挤，形成密度调制区域。当通过快激光在焦点附近再次辐照时，二次微爆炸产生的材料向外扩散会经过次辐照形成的密度调制区域。扩散前沿在朝向个微孔中心的向上传播快，而偏离这向的速度逐渐减小，这种速度梯度会驱动黏流体中产生涡量，终形成对自组织微涡旋结构。基于该物理机制，微涡旋的形成具有显著的顺序依赖与向依赖，即涡旋总是出现在先形成的密度调制区域中，并沿着次辐照中心向初始辐照中心的轴线向对称排列。涡旋形成区域具有复杂应力集中，表现出显著的光学各项异，利用光弹应能够产生微尺度光学散信号（ 图2 ）。
图2：快激光诱散微涡旋的形成原理
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二、散微涡旋的特能
如 图3 所示，微涡旋的产生是个简的自组织过程，仅需两次静态激光照射，这使得散微涡旋具有大规模制备能力和的重复，同时，其尺寸可压缩至10x10 µm 2 的紧凑型空间内，保温护角专用胶比传统散元件小几个数量。散微涡旋可以在透射模式和反射模式下工作，兼容不同类型的光学系统，可在400-1550 nm 的宽波段内工作，且对入射角度不敏感，特别适集成到可能面对机械振动/冲击的户外便携式设备中。该法的另个亮点是材料普适，涡旋形成机制本质上依赖于热塑材料的“软化-流动-凝固”普遍特，而非特定化学组成。这种跨材料通用意味着可以根据具体应用场景选择具有特定物理化学能的基板，如耐热、耐化学腐蚀或生物相容，从而进步提升器件的环境适应。
图3：散微涡旋的优异能
三、宽带片上集成微型光谱仪 湖北万能胶厂家
本研究提出的散微涡旋策略在片上集成光谱探测域展现出巨大潜力。散微涡旋能够通过对入射光进行复杂的梯度相位调制，并行生成多种不同的透射光谱特征，可等为多个在像素尺度上运行的微型光谱响应单元集，从而需外部刺激即可在微米尺寸内实现丰富的光谱响应（ 图4 ）。基于散涡旋的片上集成光谱系统在可见光至近红外的宽工作波长范围内对于单峰、双峰、宽谱均展现出灵敏、稳定的探测能力，波峰误差仅0.15 nm，波长分辨力 λ/∆λ 达6000，双峰分辨率达3 nm。值得提的是，散涡环的创建通过自组织材料改实现，需EBL等纳米制造工艺，大降低了应用成本。鉴于微尺度光学散元件优异的可扩展、稳定、可重复和经济，这种集成光谱探测架构可广泛应用于包括环境监测、生物医学、食品安全和工业检测等多种场景，尤其是在端条件下的次/消耗任务中具有显著优势。
图4：基于散微涡旋的光谱探测
四、分辨率微区光谱成像
研究团队进步验证了散微涡环在分辨率显微光谱成像域的应用前景（ 图5 ）。对于微尺度物质的损检测直是细胞学和生物医学域的挑战，针对这难题，团队利用单个散微涡旋对由复杂组成的微观生物细胞进行了光谱成像，通过扫描成像策略使得来自样本不同空间位置的光依次通过微涡旋并被传感器记录，获得光谱响应矩阵，利用光谱计法将矩阵中每个位置的强度数据转换为光谱信息，从而生成每个像素点的完整光谱曲线。结果表明，仅用面积为10x10 µm 2 的光谱响应单元即可实现步长分辨率低至1 µm的空间映射，分辨率达25400 dpi。同时，光谱成像数据包含了越传统RGB显微镜的维信息，从而能够清晰地区分在RGB模式下具有近乎相同视觉特征的微观亚结构。
图5：基于散微涡旋的光谱成像
五、总结与展望
综上所述，本研究通过快激光辐照在热塑介质中制备微涡旋结构，并利用光弹应生成复杂的微尺度光学散信号。该法可制造微米光学散元件，制造法简，并具有度可重复，能够实现微尺度散元件的大规模生产，可应用于宽带片上集成光谱探测和分辨率光谱成像等域。所提出的制造法、散机制和操控原理为增强透明介电材料中的光与物质相互作用研究以及自由空间集成光谱器件开发提供了新的视角，为进微型化散元件广泛应用于下代便携式、可穿戴和模块化光电系统奠定了基础。
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