梁水源

眾所周知，牛頓當(dāng)年在幽暗房間的護(hù)窗板上開了一個(gè)小孔，一束太陽(yáng)光射入，并從放置好的玻璃棱鏡上穿過(guò)，誕生了科學(xué)史上有名的“人造彩虹”。而“人造彩虹”通過(guò)反向放置的第二個(gè)棱鏡重新結(jié)合，又變成了白色的光。之前，人們使用的光譜儀正是沿用四百多年前牛頓的實(shí)驗(yàn)原理而制造出來(lái)的。

光譜儀是近二十年來(lái)興起的一種技術(shù)，它能通過(guò)測(cè)量物質(zhì)吸收或物質(zhì)發(fā)射的譜線，去分析其成分和結(jié)構(gòu)，是科學(xué)研究中最常用的測(cè)量工具之一。光譜分析是人類借助光認(rèn)知世界的重要方式，人類能看到的每種物質(zhì)，都有對(duì)應(yīng)的光譜信號(hào)。如果說(shuō)肉眼是能看到物質(zhì)的形狀、尺寸等信息，光譜分析則是能獲取物質(zhì)的成分信息，幫助人類看清事物的本質(zhì)。

比如，在紀(jì)錄片《我在故宮修文物》中就有這樣一個(gè)故事：描繪乾隆的母親崇慶皇太后八十大壽時(shí)現(xiàn)場(chǎng)祝壽實(shí)景的《崇慶皇太后八旬萬(wàn)壽圖》，歷經(jīng)二百五十多年后已變得非常殘破，絹面有缺損斷裂，甚至還有霉跡。要想恢復(fù)原作風(fēng)貌，修復(fù)時(shí)就要了解當(dāng)時(shí)所用的顏料?？蒲腥藛T利用光譜儀對(duì)古畫顏料進(jìn)行了掃描，提取了古畫顏料的信息，由此推算出當(dāng)初繪畫時(shí)所用礦物原料的種類。根據(jù)不同顏料光譜曲線的差異，科研人員甚至能反推出顏料的產(chǎn)地——這就為修復(fù)選用顏料提供了可靠的依據(jù)。

光譜儀的應(yīng)用非常廣泛，大到天文，小到分子，比如它能檢測(cè)到幾百萬(wàn)光年外的星系活動(dòng)，還能檢測(cè)納米尺度中的分子結(jié)構(gòu)。不過(guò)，由于此前光譜儀的工作原理一直沿用牛頓的實(shí)驗(yàn)原理，即使用棱鏡或光柵分光元件，導(dǎo)致光譜儀體積普遍比較龐大，因此很難滿足更多應(yīng)用。而且，光譜儀的光路復(fù)雜，內(nèi)部有著較多精密光學(xué)元件，這些元件造價(jià)很高，導(dǎo)致光譜儀價(jià)格普遍在幾萬(wàn)元以上。

能不能把光譜儀的成本降到幾十元，并把它的體積做得很小，甚至可以集成到手表或手機(jī)中呢？浙江大學(xué)信息與電子工程學(xué)院研究員楊宗銀讀研期間，和同學(xué)一起發(fā)明了在單根納米線上調(diào)控帶隙的技術(shù)，這種技術(shù)得出的納米線，在熒光顯微鏡下看起來(lái)就像一道彩虹。當(dāng)時(shí)，他猜想這種材料或許可用于分析光譜，但由于條件不足，這項(xiàng)研究被迫擱置。后來(lái)，他來(lái)到劍橋大學(xué)光電子學(xué)專業(yè)讀博，才重新拾起了這個(gè)設(shè)想。

可是，楊宗銀在150個(gè)光譜儀器件上做實(shí)驗(yàn)，都以失敗告終。耗時(shí)8年，他心有不甘。一天深夜，楊宗銀去測(cè)試最后一件樣品，結(jié)果剛好和商用光譜儀完全對(duì)上。2019年，他的論文發(fā)表后，引起了業(yè)界人士的高度關(guān)注。

在具體研究中，楊宗銀使用的納米線只有發(fā)絲直徑的千分之一，它可以有效地捕獲光子，通過(guò)使用可重構(gòu)光信號(hào)全光譜的智能計(jì)算軟件制備出的光譜儀，尺寸僅有幾十微米，大小不到市面光譜儀的千分之一，可集成到手機(jī)里。楊宗銀對(duì)原有光譜儀又做出了相應(yīng)的改進(jìn)，以前它只是單點(diǎn)的光譜儀，只能對(duì)一個(gè)點(diǎn)做光譜測(cè)量，現(xiàn)在它已經(jīng)可以集成到手機(jī)商用攝像頭中，并且每個(gè)像素點(diǎn)都是一個(gè)光譜。此前，光譜儀使用的是非標(biāo)芯片工藝，而楊宗銀發(fā)明的光譜儀使用的是標(biāo)準(zhǔn)芯片工藝，產(chǎn)業(yè)化程度得以提高，制備流程也采用標(biāo)準(zhǔn)流程，將成本降低到了十元錢以內(nèi)。

2021年1月，楊宗銀發(fā)表了其作為第一作者的第二篇《光學(xué)光譜儀的小型化》科研論文，終于用“彩虹”造出了全球最小光譜儀，并將成本降低了數(shù)千倍。不久的將來(lái)，超微型光譜儀也能走進(jìn)千家萬(wàn)戶。