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数据库张博/邱建荣团队 Nature Electronics | 自然流体现象启发的色散微涡旋片上集成光谱仪
Banner本文由论文作者团队撰稿
导读
光学色散效应能够将复色光分解为不同波长的单色光，在光学计算、传感、精密测量、成像等前沿领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，构建具有微尺度色散元件对于新一代小型化装备的开发至关重要。然而，传统的色散元件（如光栅和棱镜）在极端微型化时，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，基于计算重建的微型光谱仪虽然通过微纳光子结构（如光子晶体、超构表面）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性。这不仅增加了系统复杂度和制造成本，也限制了工作效率。开发兼具宽带响应、紧凑尺寸、高精度及强稳定性的微尺度光学色散器件，并实现其简捷高效的设计制造，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副研究员、邱建荣教授等利用超快激光及流体动力学方法，在热塑性基体中成功构建了自组织色散微涡旋，在极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色散，研制出具备宽工作范围、高精度、高鲁棒性、低成本的微型片上光谱仪和光谱成像器件（图1）。该方法为将微尺度光学色散结构嵌入热塑性介质开辟有效路径，为新型超宽带片上微型光谱仪、高光谱成像系统等提供了全新技术方案，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。浙江大学张博副研究员、博士生刘世奇为论文第一作者，王卓助理研究员、邱建荣教授为论文通讯作者。该工作还得到了澳大利亚皇家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：超快激光诱导聚合物中色散微涡旋的产生与应用
图片来源：Nature Electronics
一、色散微涡旋的产生
在自然界中，当流体速度场不均匀且存在黏性时，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：在聚合物内部，通过超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，当一束超快激光被聚焦到热塑性介质内部，焦点区域极高的能量密度导致材料温度瞬间超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推挤，形成密度调制区域。当通过超快激光在焦点附近再次辐照时，第二次微爆炸产生的材料向外扩散会经过第一次辐照形成的密度调制区域。扩散前沿在朝向第一个微孔中心的方向上传播最快，而偏离这一方向的速度逐渐减小，这种速度梯度会驱动黏性流体中产生涡量，最终形成一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性与方向依赖性，即涡旋总是出现在先形成的密度调制区域中，并沿着次级辐照中心向初始辐照中心的轴线方向对称排列。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性，利用光弹效应能够产生微尺度光学色散信号（图2）。
图2：超快激光诱导色散微涡旋的形成原理
图片来源：Nature Electronics
二、色散微涡旋的独特性能
如图3所示，微涡旋的产生是一个极简的自组织过程，仅需两次静态激光照射，这使得色散微涡旋具有大规模制备能力和极高的重复性，同时，其尺寸可压缩至10x10 µm2的超紧凑型空间内，比传统色散元件小几个数量级。色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 的超宽波段内工作，且对入射角度不敏感，特别适合集成到可能面对机械振动/冲击的户外便携式设备中。该方法的另一个亮点是材料普适性，涡旋形成机制本质上依赖于热塑性材料的“软化-流动-凝固”普遍特性，而非特定化学组成。这种跨材料通用性意味着可以根据具体应用场景选择具有特定物理化学性能的基板，如更高耐热性、耐化学腐蚀性或生物相容性，从而进一步提升器件的环境适应性。
图3：色散微涡旋的优异性能
图片来源：Nature Electronics
三、超宽带片上集成微型光谱仪
本研究提出的色散微涡旋策略在片上集成光谱探测领域展现出巨大潜力。色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，可等效为多个在像素尺度上运行的微型光谱响应单元集合，从而无需外部刺激即可在微米级尺寸内实现丰富的光谱响应（图4）。基于色散涡旋的片上集成光谱系统在可见光至近红外的超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，双峰分辨率高达3 nm。值得一提的是，色散涡环的创建完全通过自组织材料改性实现，无需EBL等纳米制造工艺，极大降低了应用成本。鉴于微尺度光学色散元件优异的可扩展性、稳定性、可重复性和经济性，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，尤其是在极端条件下的一次性/消耗性任务中具有显著优势。
图4：基于色散微涡旋的光谱探测
图片来源：Nature Electronics
四、超高分辨率微区光谱成像
研究团队进一步验证了色散微涡环在高分辨率显微光谱成像领域的应用前景（图5）。对于微尺度物质的无损检测一直是细胞学和生物医学领域的挑战，针对这一难题，团队利用单个色散微涡旋对由复杂组成的微观生物细胞进行了高光谱成像，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，利用光谱计算方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 µm2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，分辨率高达25400 dpi。同时，光谱成像数据包含了超越传统RGB显微镜的高维信息，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：基于色散微涡旋的光谱成像
图片来源：Nature Electronics
五、总结与展望
综上所述，本研究通过超快激光辐照在热塑性介质中制备微涡旋结构，并利用光弹效应生成复杂的微尺度光学色散信号。该方法可高效制造微米级光学色散元件，制造方法极简，并具有高度可重复性，能够实现微尺度色散元件的大规模生产，可应用于宽带片上集成光谱探测和高分辨率光谱成像等领域。所提出的制造方法、色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，为推进微型化色散元件广泛应用于下一代便携式、可穿戴和模块化光电系统奠定了基础。
论文信息
Zhang, B., Liu, S., Zeng, F. et al. Optical dispersion using micro-vortices in thermoplastic polymers for integrated microspectrometers. Nat Electron (2026).
https://doi.org/10.1038/s41928-026-01618-z
编辑：赵唯
审核：赵阳
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