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“中国创造”的典范：多光栅折叠光谱——访复旦大学陈良尧教授
发布时间：2015-09-16
[导读] 究竟是怎样的技术让国内外一片赞誉之声?为了寻求答案，近日仪器信息网编辑采访了多光栅折叠光谱仪技术的研究者——复旦大学陈良尧教授。
2006年，国际两家光电子杂志Laser Focus World和Photonics Spectra的编辑曾分别主动在世界技术新闻专栏中特别介绍了复旦大学陈良尧教授课题组研发的多光栅二维折叠光谱技术，认为该技术的创新原理和方法将能够被拓广并应用于更具挑战性的高效率光谱获取和分析领域，以及推广到中远红外光谱分析领域。
上海市计量测试技术研究院的资深光学科学家袁海林教授也曾评论到，“采用多光栅结构对成像光谱进行高密度折叠，在很宽的光谱区内实现高分辨率、快速和长时间可靠测量，将会成为现代光谱仪设计中一个主流技术和发展趋势”。
究竟是怎样的技术让国内外一片赞誉之声?为了寻求答案，近日仪器信息网编辑采访了多光栅折叠光谱仪技术的研究者——复旦大学陈良尧教授。
复旦大学 陈良尧教授
“原理性创新”
光谱分析仪器在科学研究和工业领域有着广泛的应用，为满足应用需求，国际上已经发展了各种类型的光谱分析原理和方法，其中最主要的是采用棱镜和光栅等光学色散元件，结合高灵敏度探测器对各种光谱(如反射、透射、吸收、散射、椭圆、荧光、拉曼等光谱)进行测量和分析。但受到光电探测器光谱响应、光栅色散和机械扫描等因素的制约，只能被迫在光谱工作区宽度、分辨率和速度等参数之间做出妥协，从而严重影响和限制了其在许多重要领域的应用。这是国际学术和产业界长期未能解决的瓶颈和难题。
“传统的光栅光谱仪需要使用机械装置对色散元件进行位移和旋转，这将限制测量速度的提高，而且机械转动部件的定位精度低，可靠性差，容易在操作过程中发生故障;另外，由于国内机械加工水平所限，使得国产光栅光谱仪的机械部件精度和可靠性不高，从而影响了光谱仪的整体性能水平，”陈良尧说，“另外，一块光栅难以覆盖全光谱范围，衍射效率为非均匀性分布，在其光谱衍射工作区的两端效率较低，影响了仪器的信噪比质量。”
在长期的光谱分析研究中，为克服传统仪器的这两方面局限性困难是陈良尧当初决定研发“多光栅折叠光谱分析仪”的原因，他希望能够研制出一种没有任何移动部件、光谱工作区宽、测量速度快的光谱仪。基于这一想法，陈良尧于90年代末开始“多光栅折叠光谱分析仪”的研制。“这是原理和方法的创新，并非是‘阳春白雪’，它的物理概念清楚，技术可靠，易于普及推广，只不过很多人没朝这方面去想。”
但是，当前光谱仪技术可以说是非常成熟了，再要尝试原理性创新，可能并不像陈良尧说的那么容易。在10多年时间的持续研究努力中，陈良尧教授经历了很多，如最初虽有设想，但缺少研究经费支持，在市场上也买不到现成的关键元器件，业内对这类极具应用前景的新原理和新技术的认识也不统一等等。不过，“梅花香自苦寒来”，2012年，最终实现的研究成果被选为国家自然科学基金“十一五”优秀成果。至今已经推出了多种可供实用的样机，集成组合的光栅数也由最初的3块增加到了10块。日前，陈良尧教授的“极高密度二维折叠光谱成像装置”课题入选了2014年高校自然基金国家重大科研仪器研制项目。
已研制完成的二维折叠光谱分析仪的整体外形图，250mm焦距，优于0.1nm光谱分辨率，全谱测量时间小于0.1s，重约8.9公斤。
多光栅折叠光谱仪采用了时间并联模式的快速光谱信号获取的新原理和方法，利用二维面阵探测器的优点，在一台光谱仪中，同时满足宽光谱区、高分辨率和快速测量的三项关键功能要求。在10光栅二维折叠光谱分析仪中，是将具有不同闪耀角和色散特性的10块子构成一个光栅阵列，克服了面阵CCD信号接受面的张角限制，在200-1000nm光谱区将一维约276mm光谱探测区的近2万个光谱数据点进行二维10重折叠，快速成像在二维面阵探测器的焦平面上。由于无任何机械位移部件，使得最小的光谱获取时间仅受限制于将光谱从CCD传输到数据存储器件所需要的时间，实现了全光谱高精度快速测量和分析。
“所有用到光谱测量分析的地方都可以用”
“多光栅光谱是通用型光谱仪，所有用到光谱测量分析的地方都可以用，如可以应用于食品环境等领域的科研与日常检测，而且未来完全可能替代常见的紫外、红外等光谱分析仪器。”陈良尧对多光栅光谱仪的应用前景非常乐观，“随着高性能低成本面阵光电探测器的普及，二维折叠光谱将成为主流光谱分析技术在更多领域实现推广应用。”
“而且，由于改进了传统光谱仪的一些不足，使得该仪器可以用于一些极端条件检测。”例如：由于无任何机械转动部件，多光栅光谱仪的全谱扫描速度最快能达几毫秒至数十毫秒，所以在清华大学等离子体实验室中，能利用它在真空条件下对等离子体原子谱线进行原位全谱检测分析，在相同的实验条件下，对各种原子态谱线进行比较分析，获得较为可靠的实验数据和结果。“并且，等离子体实验室还希望通过合作，研究该技术在真空紫外条件下的应用。”
多光栅光谱仪既可以作为一种标准配置的光谱仪独立使用，也可以成为一个载体——作为光谱分析仪器的核心部件，可以极大简化分析仪器的结构。“光谱仪是光谱分析仪器的‘心脏’，目前很多国产光学分析仪器采用的还都是传统扫描型光谱仪，如果多光栅光谱仪能够得到普及，将会显著促进国产光谱仪器的更新换代。”
“探测器技术与成本亟待突破”
“目前在10光栅集成的仪器中，使用的是美国PI公司的CCD面阵探测器，单价在7万美元左右。高性能光电探测器依然是限制我国先进光谱分析技术发展的瓶颈，也是成本无法降下来、难于大规模普及的主要原因。”不过，陈良尧也高兴地说到，已有国内企业正从海外引进新一代CMOS光电传感器技术，“我们将会成为他们产品的第一批实验室用户。”
另一个关键元件——光栅则可以根据具体需求，既可以购买进口产品，也可以选择国内生产的。“我们已经在国内找到一家企业，可以研制和生产出我们所需的光栅和其他光学器件。”
对于下一步研发方向，陈良尧介绍到，“当前最重要的是把研究项目做好，并努力将这一技术应用到不同领域;另外，组合的多光栅模块本身也可以成为一个产品，现在的组合光栅的方位角还需要人工调试，未来希望能够采用自动化激光准直技术，研制出已被封装好、不需要调节的光栅组，用户拿到手里可以直接使用。组合的光栅数也有可能进一步增大，由现在的3-10光栅增至40-50块光栅的组合，满足更高精度的光谱分析需求。”
经过持续的研究努力，多光栅光谱仪已能够被实际应用。据介绍，除了面阵探测器国内目前还做不出来，其它重要部件都实现了在自己的实验室或在国内找到企业进行加工生产。说到这里，显现出了陈良尧教授比较独特的研究态度和模式，陈良尧将项目研究经费的很大一部分用于改造实验室环境，如在高性能光学仪器研究中，将购买高精度数控机床，用于仪器核心零部件的高品质研制和加工，保证质量，这在目前中国大学的实验室还比较少，对此，陈良尧说，“这么做一方面是希望提高科学仪器的研究水平和效率，掌握核心技术，另一方面也十分需要培养研究生们的实际动手能力，不仅进行原理和方法创新，还需要采用先进制造技术，在学生时期就有能力亲手把这些仪器做出来，可靠实现创新科学仪器的各种新功能，在这方面与发达工业化国家相比，我国在培养学生具有硬科学技术研究能力方面的差距还比较大。”
“由于高性能探测器价格一直居高不下，不利于大范围普及，目前仅根据一些用户需求进行定制，需要不断解决问题，让用户满意，建立良好的声誉，”陈良尧说到。
后记
据了解，在陈良尧教授的研究成果2003年正式发表后，2007年在美国Light Smyth公司的广告中也出现了采用4种不同光栅结构参数组合的二维折叠光谱分析技术。而关于这一中国自主创新原理和技术的产业化途径，陈良尧无奈的说到，“产业化的路还会比较长。”究其原因，一是关键部件技术的局限，另外国家的支持政策等也是重要原因。就像采访最后陈良尧所说的，“希望能够获得国家较高强度的产业化应用研究项目的支持，并与工业界的合作伙伴一起，使得这项技术被产业化，促进我国高性能光谱分析仪器的进步和发展，将会在国际上有自己的地位，产生出中国乃至世界上最好的光谱仪。”
编辑：刘丰秋