由浙江大学、浙江理工大学、英国剑桥大学（University of Cambridge）、上海交通大学、新加坡南洋理工大学（Nanyang Technological University）组成的研究团队提出了一种低成本、在可见光至短波红外 (SWIR)波段的微型光谱仪设计方案。这项研究首次将常见塑料材料引入微型光谱仪的核心结构，利用其双折射效应实现空间光谱编码，开创了一种无需光刻工艺、可大规模生产的宽带微型光谱解决方案。该微型光谱仪可覆盖从可见光到短波红外（400–1600 nm）的宽谱段范围，具备优异的线扫描成像能力，展现出广泛的应用前景，有望推动光谱技术在消费电子、环境监测、医疗诊断等多个领域的落地应用。这项研究以“Stress-engineered ultra-broadband spectrometers”为题发表在Science Advances期刊上。
灵感来自手机摄像头：塑料能替代玻璃镜头也能替代玻璃分光元件
现代智能手机的摄像头早已不再依赖传统玻璃镜片，而是广泛采用高性能塑料透镜，并结合先进的图像算法实现了超高清成像。这种趋势启发了研究人员：既然塑料可以用于高质量成像，是否也可以用来构建光谱仪的核心部件？答案是肯定的。研究人员提出了一种全新的思路：研究团队使用形状记忆环氧树脂（SMP），通过可控机械变形在材料中引入梯度应力，制造出具有分光能力的“塑料棱镜”，实现对光的精确色散调控。这种塑料不仅能替代传统光谱仪中昂贵的光学元件，还能覆盖从可见光到短波红外（400 nm – 1600 nm）的宽谱段范围，具备极强的应用潜力。
塑料也能“变彩虹”：揭秘背后的物理机制
日常生活中，我们常能看到塑料制品在偏振光下呈现出彩虹般的色彩，这是因为它们在制造过程中经历了不均匀的应力施加和固化过程，从而产生了双折射效应 ——不同应力的位置会呈现不同的颜色。
研究人员正是利用这一现象，通过对塑料进行不同程度的拉伸控制内部应力分布，进而调控其透过光谱。实验表明，矩形或三角形塑料在不同拉伸比例下，其颜色和光谱响应都会发生显著变化。更重要的是，他们成功实现了在12 cm × 12 cm的塑料基板上一次性制造近50片光谱渐变薄膜，且具备良好的一致性，同时提出了支持大规模生产的流水线系统，真正实现了“低成本+高通量”的制造目标。
低成本、高性能、便携化：打开光谱应用新大门
传统的光谱仪往往体积庞大、价格高昂，限制了其在消费电子、环境监测、医疗诊断等领域的普及。而这项新技术打破了这一瓶颈。研究人员将这种塑料薄膜直接集成在商用CMOS图像传感器上，形成一个完整的微型光谱系统。配合先进的计算光谱重建算法，它能够准确识别物质的光谱特征，甚至可用于线扫描光谱成像。
该微型光谱仪对单色光、双峰光以及宽谱光源的还原结果都表现出良好的一致性，在可见光波段分辨率达到10 nm，而在更宽泛的400 nm – 1600 nm范围内，平均峰值误差仅为0.73 nm，展现出卓越的性能表现。这项研究不仅推动了微型光谱仪的技术革新，也为未来可穿戴设备、植入式传感器、消费电子产品的发展提供了全新路径。
论文链接：https://doi.org/10.1126/sciadv.adu4225
