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首頁(yè) > 新聞中心 > “中國(guó)創(chuàng)造”的典范：多光柵折疊光譜——訪復(fù)旦大學(xué)陳良堯教授
2006年，兩家光電子雜志Laser Focus World和Photonics Spectra的編輯曾分別主動(dòng)在世界技術(shù)新聞專欄中特別介紹了復(fù)旦大學(xué)陳良堯教授課題組研發(fā)的多光柵二維折疊光譜技術(shù)，認(rèn)為該技術(shù)的創(chuàng)新原理和方法將能夠被拓廣并應(yīng)用于更具挑戰(zhàn)性的高效率光譜獲取和分析領(lǐng)域，以及推廣到中遠(yuǎn)紅外光譜分析領(lǐng)域。
上海市計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究院的資深光學(xué)科學(xué)家袁海林教授也曾評(píng)論到，“采用多光柵結(jié)構(gòu)對(duì)成像光譜進(jìn)行高密度折疊，在很寬的光譜區(qū)內(nèi)實(shí)現(xiàn)高分辨率、快速和長(zhǎng)時(shí)間可靠測(cè)量，將會(huì)成為現(xiàn)代光譜儀設(shè)計(jì)中一個(gè)主流技術(shù)和發(fā)展趨勢(shì)”！ 【烤故窃鯓拥募夹g(shù)讓國(guó)內(nèi)外一片贊譽(yù)之聲?為了尋求答案，近日儀器信息網(wǎng)編輯采訪了多光柵折疊光譜儀技術(shù)的研究者——復(fù)旦大學(xué)陳良堯教授。
“原理性創(chuàng)新”
光譜分析儀器在科學(xué)研究和工業(yè)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，為滿足應(yīng)用需求，上已經(jīng)發(fā)展了各種類型的光譜分析原理和方法，其中*主要的是采用棱鏡和光柵等光學(xué)色散元件，結(jié)合高靈敏度探測(cè)器對(duì)各種光譜（如反射、透射、吸收、散射、橢圓、熒光、拉曼等光譜）進(jìn)行測(cè)量和分析。但受到光電探測(cè)器光譜響應(yīng)、光柵色散和機(jī)械掃描等因素的制約，只能被迫在光譜工作區(qū)寬度、分辨率和速度等參數(shù)之間做出妥協(xié)，從而嚴(yán)重影響和限制了其在許多重要領(lǐng)域的應(yīng)用。這是學(xué)術(shù)和產(chǎn)業(yè)界長(zhǎng)期未能解決的瓶頸和難題。
“傳統(tǒng)的光柵光譜儀需要使用機(jī)械裝置對(duì)色散元件進(jìn)行位移和旋轉(zhuǎn)，這將限制測(cè)量速度的提高，而且機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)部件的定位精度低，可靠性差，容易在操作過程中發(fā)生故障;另外，由于國(guó)內(nèi)機(jī)械加工水平所限，使得國(guó)產(chǎn)光柵光譜儀的機(jī)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范圍，衍射效率為非均勻性分布，在其光譜衍射工作區(qū)的兩端效率較低，影響了儀器的信噪比質(zhì)量。”
在長(zhǎng)期的光譜分析研究中，為克服傳統(tǒng)儀器的這兩方面局限性困難是陳良堯當(dāng)初決定研發(fā)“多光柵折疊光譜分析儀”的原因，他希望能夠研制出一種沒有任何移動(dòng)部件、光譜工作區(qū)寬、測(cè)量速度快的光譜儀；谶@一想法，陳良堯于90年代末開始“多光柵折疊光譜分析儀”的研制。“這是原理和方法的創(chuàng)新，并非是‘陽(yáng)春白雪’，它的物理概念清楚，技術(shù)可靠，易于普及推廣，只不過很多人沒朝這方面去想。”但是，當(dāng)前光譜儀技術(shù)可以說是非常成熟了，再要嘗試原理性創(chuàng)新，可能并不像陳良堯說的那么容易。
在10多年時(shí)間的持續(xù)研究努力中，陳良堯教授經(jīng)歷了很多，如*初雖有設(shè)想，但缺少研究經(jīng)費(fèi)支持，在市場(chǎng)上也買不到現(xiàn)成的關(guān)鍵元器件，業(yè)內(nèi)對(duì)這類極具應(yīng)用前景的新原理和新技術(shù)的認(rèn)識(shí)也不統(tǒng)一等等。不過，“梅花香自苦寒來”，2012年，*終實(shí)現(xiàn)的研究成果被選為國(guó)家自然科學(xué)基金“十一五”優(yōu)秀成果。至今已經(jīng)推出了多種可供實(shí)用的樣機(jī)，集成組合的光柵數(shù)也由*初的3塊增加到了10塊。日前，陳良堯教授的“極高密度二維折疊光譜成像裝置”課題入選了2014年高校自然基金國(guó)家重大科研儀器研制項(xiàng)目。
多光柵折疊光譜儀采用了時(shí)間并聯(lián)模式的快速光譜信號(hào)獲取的新原理和方法，利用二維面陣探測(cè)器的優(yōu)點(diǎn)，在一臺(tái)光譜儀中，同時(shí)滿足寬光譜區(qū)、高分辨率和快速測(cè)量的三項(xiàng)關(guān)鍵功能要求。在10光柵二維折疊光譜分析儀中，是將具有不同閃耀角和色散特性的10塊子構(gòu)成一個(gè)光柵陣列，克服了面陣CCD信號(hào)接受面的張角限制，在200-1000nm光譜區(qū)將一維約276mm光譜探測(cè)區(qū)的近2萬個(gè)光譜數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行二維10重折疊，快速成像在二維面陣探測(cè)器的焦平面上。由于無任何機(jī)械位移部件，使得*小的光譜獲取時(shí)間僅受限制于將光譜從CCD傳輸?shù)綌?shù)據(jù)存儲(chǔ)器件所需要的時(shí)間，實(shí)現(xiàn)了全光譜高精度快速測(cè)量和分析！
“所有用到光譜測(cè)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(cè)量分析的地方都可以用，如可以應(yīng)用于食品環(huán)境等領(lǐng)域的科研與日常檢測(cè)，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?qū)Χ喙鈻殴庾V儀的應(yīng)用前景非常樂觀，“隨著高性能低成本面陣光電探測(cè)器的普及，二維折疊光譜將成為主流光譜分析技術(shù)在更多領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)推廣應(yīng)用。”“而且，由于改進(jìn)了傳統(tǒng)光譜儀的一些不足，使得該儀器可以用于一些極端條件檢測(cè)。”例如：由于無任何機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)部件，多光柵光譜儀的全譜掃描速度*快能達(dá)幾毫秒至數(shù)十毫秒，所以在清華大學(xué)等離子體實(shí)驗(yàn)室中，能利用它在真空條件下對(duì)等離子體原子譜線進(jìn)行原位全譜檢測(cè)分析，在相同的實(shí)驗(yàn)條件下，對(duì)各種原子態(tài)譜線進(jìn)行比較分析，獲得較為可靠的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和結(jié)果。“并且，等離子體實(shí)驗(yàn)室還希望通過合作，研究該技術(shù)在真空紫外條件下的應(yīng)用。”多光柵光譜儀既可以作為一種標(biāo)準(zhǔn)配置的光譜儀獨(dú)立使用，也可以成為一個(gè)載體——作為光譜分析儀器的核心部件，可以極大簡(jiǎn)化分析儀器的結(jié)構(gòu)。“光譜儀是光譜分析儀器的‘心臟’，目前很多國(guó)產(chǎn)光學(xué)分析儀器采用的還都是傳統(tǒng)掃描型光譜儀，如果多光柵光譜儀能夠得到普及，將會(huì)顯著促進(jìn)國(guó)產(chǎn)光譜儀器的更新?lián)Q代。”“探測(cè)器技術(shù)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(guó)PI公司的CCD面陣探測(cè)器，單價(jià)在7萬美元左右。高性能光電探測(cè)器依然是限制我國(guó)光譜分析技術(shù)發(fā)展的瓶頸，也是成本無法降下來、難于大規(guī)模普及的主要原因。”不過，陳良堯也高興地說到，已有國(guó)內(nèi)企業(yè)正從海外引進(jìn)新一代CMOS光電傳感器技術(shù)，“我們將會(huì)成為他們產(chǎn)品的批實(shí)驗(yàn)室用戶。”另一個(gè)關(guān)鍵元件——光柵則可以根據(jù)具體需求，既可以購(gòu)買進(jìn)口產(chǎn)品，也可以選擇國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的。“我們已經(jīng)在國(guó)內(nèi)找到一家企業(yè)，可以研制和生產(chǎn)出我們所需的光柵和其他光學(xué)器件。”
對(duì)于下一步研發(fā)方向，陳良堯介紹到，“當(dāng)前*重要的是把研究項(xiàng)目做好，并努力將這一技術(shù)應(yīng)用到不同領(lǐng)域;另外，組合的多光柵模塊本身也可以成為一個(gè)產(chǎn)品，現(xiàn)在的組合光柵的方位角還需要人工調(diào)試，未來希望能夠采用自動(dòng)化激光準(zhǔn)直技術(shù)，研制出已被封裝好、不需要調(diào)節(jié)的光柵組，用戶拿到手里可以直接使用。組合的光柵數(shù)也有可能進(jìn)一步增大，由現(xiàn)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(jīng)過持續(xù)的研究努力，多光柵光譜儀已能夠被實(shí)際應(yīng)用。據(jù)介紹，除了面陣探測(cè)器國(guó)內(nèi)目前還做不出來，其它重要部件都實(shí)現(xiàn)了在自己的實(shí)驗(yàn)室或在國(guó)內(nèi)找到企業(yè)進(jìn)行加工生產(chǎn)。說到這里，顯現(xiàn)出了陳良堯教授比較獨(dú)特的研究態(tài)度和模式，陳良堯?qū)㈨?xiàng)目研究經(jīng)費(fèi)的很大一部分用于改造實(shí)驗(yàn)室環(huán)境，如在高性能光學(xué)儀器研究中，將購(gòu)買高精度數(shù)控機(jī)床，用于儀器核心零部件的高品質(zhì)研制和加工，保證質(zhì)量，這在目前中國(guó)大學(xué)的實(shí)驗(yàn)室還比較少，對(duì)此，陳良堯說，“這么做一方面是希望提高科學(xué)儀器的研究水平和效率，掌握核心技術(shù)，另一方面也十分需要培養(yǎng)研究生們的實(shí)際動(dòng)手能力，不僅進(jìn)行原理和方法創(chuàng)新，還需要采用制造技術(shù)，在學(xué)生時(shí)期就有能力親手把這些儀器做出來，可靠實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新科學(xué)儀器的各種新功能，在這方面與發(fā)達(dá)工業(yè)化國(guó)家相比，我國(guó)在培養(yǎng)學(xué)生具有硬科學(xué)技術(shù)研究能力方面的差距還比較大。”“由于高性能探測(cè)器價(jià)格一直居高不下，不利于大范圍普及，目前僅根據(jù)一些用戶需求進(jìn)行定制，需要不斷解決問題，讓用戶滿意，建立良好的聲譽(yù)，”陳良堯說到！
后記
據(jù)了解，在陳良堯教授的研究成果2003年正式發(fā)表后，2007年在美國(guó)Light Smyth公司的廣告中也出現(xiàn)了采用4種不同光柵結(jié)構(gòu)參數(shù)組合的二維折疊光譜分析技術(shù)。而關(guān)于這一中國(guó)自主創(chuàng)新原理和技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化途徑，陳良堯無奈的說到，“產(chǎn)業(yè)化的路還會(huì)比較長(zhǎng)。”究其原因，一是關(guān)鍵部件技術(shù)的局限，另外國(guó)家的支持政策等也是重要原因。就像采訪*后陳良堯所說的，“希望能夠獲得國(guó)家較高強(qiáng)度的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用研究項(xiàng)目的支持，并與工業(yè)界的合作伙伴一起，使得這項(xiàng)技術(shù)被產(chǎn)業(yè)化，促進(jìn)我國(guó)高性能光譜分析儀器的進(jìn)步和發(fā)展，將會(huì)在上有自己的地位，產(chǎn)生出中國(guó)乃至世界上的光譜儀。”
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