分子在2到12μm的中红外(IR)该区域被称为分子的化学指纹，具有特征的振动模式。通过检测特定的分子指纹光谱，可以区分和定量分析分子的类型。因此，红外检测技术在光电检测技术领域具有重要的科学意义。
然而，傅里叶变换红外光谱仪等高分辨率红外光谱仪通常需要大型光学测量系统和昂贵的光电探测器组件，具有系统复杂、成本高、灵活性差等缺点，不能满足环境监测、地质监测、食品安全监测等应用的需要。这促使人们研究一种可以直接检测波长的微型中红外光谱仪。
Benjamin Cerjan和Naomi J. Halas开发了一种团队研究CMOS微型中红外光谱仪兼容。该光谱仪通过多路复用20个探测器元件的响应，最高能够实现40nm的分辨率。如图1所示，该装置共有20个铝光栅，光栅间距为1250-36000nm间隙为总间距的20%(例如，对于1250)nm有250个间距 nm的间隙)和300nm的厚度。所有光栅都有相同的方向(图1a)。由于探测器响应的物理机制，导致设备电阻的变化。这里的铝光栅有两个功能：一是过滤透射到基板上部波长的光作为等离子光栅；二是作为电触点连接芯片外围电路。
采用可调红外激光垂直照射光栅，在设备外端施加电压，通过锁定放大器测量每个光栅的电流，连续表示每个光栅作为波长函数的唯一响应（图1E)(所有相关响应率曲线，见图2)。每个光栅都有不同的间距，所以它们都有不同的响应曲线。响应矩阵由这些响应函数构成D，再结合L1范数的压缩感知算法可以重构测试光源的光谱。
图1 光谱仪的结构布局和原理图
图2 本工作中使用的所有光栅的归一化响应曲线为1250 nm(左上)增加到3600 nm(右下)间距。
为了验证我们的微红外光谱仪可以进行分子检测，我们在光谱仪的光刺激路径上放置了一层薄薄的聚甲基丙烯酸甲酯(2)3μm)如图3所示，石英窗按照指示进入并通过薄膜分束器，然后通过反射镜引导样品，电线连接到锁定放大器，用于测量单个探测器元件的响应。固定波长(3387) nm重叠为中心CH2和CH3延伸区)从可调中红外激光器依次定向每个光栅，测量是否有和PMMA层各60s响应的情况。
由图4a,b可以看出，重建光谱后，我们可以检测光谱PMMA光学强度的变化是由分子振动吸收引起的。可见，由于薄分子层的存在，检测到的强度明显降低，与未涂覆的石英窗相比。为了验证光束路径中的分子吸收而不是其他影响，我们还模拟了单独测量的强度变化PMMA光谱重建过程(虚线-点线)(见图5)。假设模拟曲线和实验曲线(图4)b)实验噪声在测量光谱中产生的位移大于理论预测。然而，峰值位置匹配得很好，这表明振幅下降是由于PMMA层的存在也证明了我们的微光谱仪具有良好的实用价值。
图3 实验装置实拍图
图4 使用集成光光光谱仪进行分子检测
图5 PMMA在石英窗和裸石英窗上FTIR吸收光谱
1. 本文使用的压缩感知算法不同于传统的压缩感知算法。压缩感知算法的目标是使用固定数量的探测器元件来产生尽可能高分辨率的光谱。
2. 本工作采用模拟法确定光谱重构的最佳光栅数量。将高斯曲线的随机强度和宽度与随机线性偏移相匹配，以接近实验测量的响应曲线。然后用这些响应率曲线来为给定的输入频谱产生理想化的响应电流。最后，利用这些响应率曲线和电流进行光谱重建，以确定光谱重建所需的最佳光栅数量。这种方法法是允许我们模拟任何数量的光栅，减少对实际实验条件的依赖。缺点是，如果使用错误的参数，很容易引入大量的数值误差。
作者研究的微中红外光谱仪揭示了增加探测器数量以提高光谱分辨率的局限性，证明了压缩感知技术可以最大限度地保证光谱分辨率的精度，同时实现光谱仪系统的微型化，为光谱仪的微型化提供了新的思路。
文献链接：
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsphotonics.8b01503
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