文献解读 | 折叠超表面光谱仪：把一台光谱仪折进 7 立方毫米的玻璃片
论文简介
本文解读的是 2018 年发表在 Nature Communications 上的论文：Compact folded metasurface spectrometer（DOI 10.1038/s41467-018-06495-5，arXiv:1807.10985），作者是加州理工学院的 MohammadSadegh Faraji-Dana、Ehsan Arbabi、Amir Arbabi、Seyedeh Mahsa Kamali、Hyounghan Kwon 与 Andrei Faraon。论文为 CC BY 4.0 开放获取。
一句话概括：这篇论文提出”折叠超表面光学”（folded metasurface optics）架构，把色散光栅和聚焦透镜都做成反射式超表面，一次性光刻在同一片 1 毫米厚的玻璃衬底上，让光在衬底内部多次反射”折叠”传播，最终用约 7 立方毫米的体积实现了 760–860 nm 波段、约 1.2 nm 分辨率的光谱仪，并成功测量了滤光片与晶体样品的光谱。
光谱仪为什么做不小？
光谱仪的任务是把一束光的”颜色成分”拆开：不同波长的光被色散元件（棱镜或衍射光栅）偏转到不同角度，再由聚焦元件分别成像到探测器阵列的不同位置，读出每个波长的强度。这套流程的应用很广——医疗诊断、材料表征、质量控制，以及近年来热门的消费电子集成场景。但它有一个天然矛盾：要分辨相近的波长，色散后的光需要足够的传播距离，于是光栅、透镜与探测器之间要留出大片自由空间。传统台式光谱仪因此体积大、笨重、怕震动。
为了让光谱仪变小，此前有几条路线：一是把一系列中心波长不同的带通滤光片直接集成到光电探测器阵列上，器件紧凑、工艺兼容，但分辨率受滤光片品质因数限制，而且”滤光”会扔掉大部分入射光能，灵敏度低；二是平面片上集成光子学（on-chip integrated photonics）光谱仪，分辨率可以很高，但输入光的片上耦合损耗和单模工作的低吞吐量是主要障碍；三是用微光学元件缩小传统架构，但微光学元件对波前的控制能力有限，光程缩短后分辨率通常下降。论文正是从这些路线的共同痛点出发——能不能既保持衍射光栅的高色散与高分辨率，又把整个光路压缩到接近零的自由空间？
思路：把光路”折”进一片玻璃（图 1）
答案是把”传播空间”本身折叠起来。折叠超表面光学的核心想法很朴素：把多块反射式超表面做在同一片透明衬底的两面（演示器件为了简化工艺，只做在一面），衬底本身就是光的传播空间。光进入衬底后，在反射面之间多次弹跳前进，光程被”折”进玻璃里，而不再需要桌面上那几十厘米的直线空间。
图 1b 是论文提出的方案：所有色散与聚焦功能都由反射式超表面完成，两面镜子把光约束在衬底内部传播，探测器可以直接贴在器件出射孔径处；必要时还可在输入、输出孔径上加透射式超表面补充光学功能。
图 1：传统衍射光谱仪与折叠超表面光谱仪示意图。(a) 典型衍射光谱仪的主要组成：前置光学系统、衍射光栅、聚焦透镜与探测器阵列；(b) 折叠式紧凑光谱仪方案：色散与聚焦功能由同一透明衬底两侧的反射式超表面实现，两面镜子把光约束在衬底内传播，探测器可直接放在出射孔径处。
这个方案把一个关键约束转换成了优势：光路变短通常会降低分辨率，但超表面能在亚波长尺度上精确控制相位，衍射光栅的”色散能力”并不依赖长光程；同时超表面与微纳加工工艺天然兼容，多块超表面可以在同一次光刻中完成——这正是后面”一片玻璃”能实现的前提。
设计：三块超表面各司其职（图 2）
演示器件由三块反射式介质超表面组成，全部做在一块 1 毫米厚熔融石英衬底的同一面上。第一块是周期 1 μm 的闪耀光栅（blazed grating），把准直入射光按波长分散到不同角度，810 nm 处的中心偏转角约 33.9°；第二、三块组成”离轴双合透镜”式的聚焦超表面，把来自不同角度（对应不同波长）的光聚焦到与衬底平行的焦面上。焦面设计在衬底外约 200 μm 处，这样探测器阵列可以直接平行于衬底集成——论文指出，正是离轴双合透镜的不对称设计让焦面得以与衬底平行，从而简化集成、提高机械鲁棒性。
光栅的色散关系可以用标准光栅方程描述：
$$m\lambda = d(\sin\theta_i + \sin\theta_m)$$
其中 $m$ 是衍射级次，$d$ 是光栅周期（演示器件取 1 μm），$\theta_i$、$\theta_m$ 是入射角与衍射角。在衬底介质内传播时，实际偏转角还要计入介质的折射率；波长不同，衍射角就不同，于是”波长 → 角度 → 焦面位置”形成一一对应，这正是光谱仪读数的基础。
图 2a 是三个波长（波段中心与两端）的光线追迹结果与两块聚焦超表面的优化相位分布；图 2b 的点列图显示几何像差可忽略；图 2c 是按衍射极限艾里斑半径与”焦点随波长横向移动量”计算的光谱分辨率，全波段理论值优于 1.1 nm；图 2d 进一步显示，仿真中相距 1.1 nm 的两个波长（分别在 760、810、860 nm 中心波长处）都能分辨出两个峰。
图 2：折叠光谱仪的光线追迹设计与仿真结果。(a) 三个波长（波段中心与两端）的光线追迹仿真，系统由周期 1 μm 的闪耀光栅与两块聚焦超表面组成，右侧为两块超表面的优化相位分布；(b) 三个波长的点列图（比例尺 5 μm）；(c) 由衍射极限艾里斑半径与焦点随波长的横向位移计算的光谱分辨率；(d) 相距 1.1 nm 的两个波长在 760、810、860 nm 中心波长处的仿真强度分布，理论上可分辨（比例尺 20 μm）。
一片玻璃上的制备与实测（图 3）
器件制备走的是标准微纳加工流程：先在 1 毫米厚熔融石英衬底上沉积 395 nm 厚非晶硅（α-Si），再用电子束光刻（EBL）一次性写出全部超表面图形，经过剥离与干法刻蚀完成图案反转；随后覆盖约 2 μm 厚 SU-8 聚合物并沉积 100 nm 金作反射镜，衬底另一面再沉积第二层金。输入、输出孔径直径分别为 790 μm 与 978 μm，由光刻与剥离定义。
单元结构是 α-Si 纳米柱（高 395 nm），光栅与聚焦超表面的晶格常数分别为 250 nm 与 246 nm，柱上覆盖 SU-8、背面有金反射镜。设计上特意选择 TE 与 TM 偏振反射相位相等的参数路径，因此器件对输入偏振不敏感——这在实际应用中很重要，因为真实光源与光学系统的偏振状态往往不确定。
实验上用可调谐连续波激光在 760–860 nm 以 10 nm 步进垂直入射输入孔径，再用自制显微镜成像焦面。图 3b、c 显示两种偏振下焦点位置随波长移动、背景可忽略；图 3d、e 显示相距 1.25 nm 的两个波长在波段中心与两端都能分辨出两个峰，实测平均分辨率约 1.2 nm，略差于理论值 1.1 nm——论文把差距归因于衬底实际厚度偏差与工艺引起的相位偏差。角度容差方面，保持 1.25 nm 分辨率时 y-z 平面最大倾角为 ±0.15°，x-z 平面接受角为 ±1°。
图 3：折叠光谱仪的实验表征。(a) 制备器件的光学显微照片（沉积第二层金之前），插图为一块聚焦超表面的扫描电镜照片（比例尺从左至右：10 mm、500 μm、1 μm）；(b, c) TE 与 TM 偏振下多个波长的焦斑一维强度分布（760 nm 蓝线起，10 nm 步进至 860 nm 红线）；(d, e) TE 与 TM 偏振下相距 1.25 nm 的两个波长的实测强度分布，插图为二维强度分布，两个峰可分辨（比例尺 10 μm）；(f) TE 与 TM 偏振的聚焦效率计算值与实测值，平均约 25%。
图 3f 的聚焦效率定义为”焦点周围 30 μm 直径小孔内的光功率除以照射输入孔径的总功率”，两种偏振实测平均约 25%。这个数字看起来不高，但要注意它的口径：它包含了输入孔径、光在衬底内 7 次金镜反射、光栅与两块超表面的全部损耗。仅考虑界面反射损耗的估算值约为 48%；论文指出，改用更高反射率的反射镜（如分布式布拉格反射镜 DBR）与增透膜后，效率有望提升到 70% 以上。
真实光谱测量：与商用仪器对得上（图 4）
效率与分辨率之外，光谱仪最终要用”测出来的光谱准不准”说话。论文用超连续激光加 840 nm 短通滤光片作宽谱光源，同时用折叠光谱仪（MS）与商用光谱分析仪（OSA）测量，相除得到校准曲线（图 4a），补偿器件响应与测量系统的非均匀性。随后用这条校准曲线测量了两类样品。
表 1：折叠超表面光谱仪的两类样品实测。数字与结论来自论文正文，来源见文末参考资料。
| 样品 | 测量内容 | 对比基准 | 结果 |
|---|---|---|---|
| 中心 800 nm、带宽 10 nm 的带通滤光片 | 透射光谱 | 厂家数据表 | 与数据表一致 |
| Nd:YVO4 晶体（z 切） | 透射谱与光学深度 | 商用光谱分析仪（OSA） | 与 OSA 结果一致 |
图 4：样品光谱实测结果。(a) 宽谱光源（超连续激光加 840 nm 短通滤光片）由商用 OSA 与折叠光谱仪（MS）测得的光谱，用于提取校准曲线；(b) 中心 800 nm、带宽 10 nm 的带通滤光片光谱（MS 实测与数据表对比）；(c) Nd:YVO4 晶体样品的透射光谱（MS 与 OSA 对比）；(d) 由光谱提取的样品光学深度（MS 与 OSA 对比）。
值得注意的细节是，Nd:YVO4 晶体沿 z 平面切割，两个偏振的吸收谱相同，因此所有测量可以用同一条校准曲线。整体上，折叠光谱仪测出的光谱与商用仪器和厂家数据表吻合，说明”折起来”并没有牺牲读数质量。
一张表看懂：传统光谱仪 vs 折叠超表面光谱仪
表 2：传统台式衍射光谱仪与本文折叠超表面光谱仪的对比。数字与结论来自论文正文及补充材料，来源见文末参考资料。
| 对比项 | 传统衍射光谱仪 | 折叠超表面光谱仪 |
|---|---|---|
| 色散元件 | 棱镜或衍射光栅（自由空间） | 周期 1 μm 的反射式闪耀光栅超表面 |
| 聚焦元件 | 透镜或反射镜 | 两块离轴双合透镜式聚焦超表面 |
| 光传播 | 自由空间长光程 | 1 mm 玻璃衬底内多次反射”折叠” |
| 器件体积 | 台式（数十厘米量级） | 约 7 mm³ |
| 分辨率 | 依配置而定 | 实测约 1.2 nm（理论约 1.1 nm） |
| 工作波段 | 依配置而定 | 760–860 nm，80+ 个光谱点 |
| 偏振依赖 | 依元件而定 | 偏振无关（TE/TM 相位相等设计） |
| 制造方式 | 多元件装配、逐件对准 | 三块超表面单次电子束光刻 |
意义与展望
这篇论文的意义在于把”光谱仪小型化”从”缩小每个零件”推进到了”重新设计光路的形状”：三块超表面一次性光刻在同一片玻璃上，衬底既是传播空间又是结构基底，器件体积小到约 7 mm³，却保持约 1.2 nm 的分辨率。这是首个用超过两块超表面实现光谱仪这类复杂光学功能的”光学超系统”，也是折叠超表面光学这一架构的代表性起点。加州理工官方新闻稿指出，这类紧凑光谱仪有望用于无创血糖监测等便携健康场景。
从原理验证走向实际应用，还有几条路值得继续铺。一是效率：当前聚焦效率约 25%，主要损耗来自金镜反射与界面反射，采用分布式布拉格反射镜与增透膜后有望超过 70%；二是角度容差：目前 y-z 平面约 ±0.15° 的容差较紧，需要与光学系统设计联合优化；三是扩展性：批量制造可大幅降低成本，可以把多个工作波段做进同一芯片，配合探测器阵列的片上集成，演化为超紧凑的高光谱成像仪。这一方向此后仍在演进，例如 2024 年已有工作在单个探测器上把光谱感知、光谱重建与长期图像记忆集成在一起（见参考资料 6）。沿着”把功能折进衬底”的思路，折叠超表面光学还适用于干涉仪、光学信号处理器与计算光学系统，值得持续观察。
参考资料
- Faraji-Dana M, Arbabi E, Arbabi A, Kamali SM, Kwon H, Faraon A. Compact folded metasurface spectrometer（PMC 全文与配图）. Nature Communications 9, 4196 (2018). DOI: 10.1038/s41467-018-06495-5.
- Faraji-Dana M, et al. Compact Folded Metasurface Spectrometer（arXiv 预印本）. arXiv:1807.10985 (2018).
- Faraji-Dana M, et al. Compact folded metasurface spectrometer（Nature Communications 官方页面）. Nature Communications 9, 4196 (2018).
- Caltech Applied Physics and Materials Science. “Folded” Optical Devices Manipulate Light in a New Way（加州理工新闻稿）. 2018-10-30.
- CaltechAUTHORS. Compact folded metasurface spectrometer（机构库记录）. 2018.
- Miniaturized spectrometer with intrinsic long-term image memory（小型化光谱仪后续进展示例）. Nature Communications (2024).