一项新突破有望推动轻便、低成本多光谱相机的应用，例如癌症手术、食品安全检查和精准农业。
研究人员展示了可覆盖前所未有的光频率范围的光电探测器。他们利用定制的电磁材料制造片上光谱滤波器，实现了这一成果。
普通相机只能捕捉可见光，而可见光只是整个可用光谱中的一小部分。例如，其他相机可能专门用于红外或紫外波长，但很少有相机能够捕捉光谱中相距较远的不同波段的光。即使能够做到这一点，也往往存在诸多缺点，例如制造工艺复杂且不可靠、功能运行速度慢、体积笨重而难以运输，以及成本高达数十万美元。
据今天发表于期刊《自然·材料》的研究报道，杜克大学研究人员展示了一种新型宽光谱光电探测器，可集成在单个芯片上，使其能够在几万亿分之一秒内捕捉多光谱图像，成本仅为几十美元。
这项技术基于一种称为等离激元学的物理原理，即利用纳米尺度的物理现象捕获特定频率的光。
“我们能做到这一点，起初完全出乎意料，”杜克大学电气与计算机工程副教授迈肯·米克尔森说。“事实上，这相当令人惊讶：我们的光电探测器不仅在初步实验中发挥了作用，我们还观察到了新的、意料之外的物理现象，这将使我们能够将探测速度提高多个数量级。”
微小的银立方体
米克尔森、研究生乔恩·斯图尔特及其团队制作了宽度仅约100纳米的银立方体，并将其放置在一层透明薄膜上，薄膜位于一层薄金层上方仅几纳米处。当光照射到纳米立方体表面时，会激发银中的电子，捕获光的能量——但仅限于特定频率。
银纳米立方体的尺寸及其与底部金层之间的距离决定了这一频率，而通过控制纳米颗粒之间的间距，可以调节吸收光的量。研究人员通过精确调整这些尺寸和间距，可以使该系统响应所需的任何电磁频率。
要将这一基本物理现象用于商用多光谱相机，研究人员需要将一组微小的独立探测器组成更大的“超像素”，每个探测器都针对不同的光频率进行调谐。
作为朝这一目标迈出的一步，团队展示了四种独立的光电探测器，可针对750至1900纳米之间的波长进行调谐。等离激元超表面吸收入射光的能量并升温，在其正下方一层名为氮化铝的热释电材料中产生电压。随后，硅半导体接触层底层读取这一电压，并将信号传输到计算机进行分析。
更便宜、更快速的光电探测器
米克尔森表示，此前已有商用光电探测器采用这类热释电材料，但始终存在两大缺点：它们无法针对特定电磁频率进行聚焦；而为了产生足够的电信号所需的厚氮化铝层，导致其运行速度非常慢。
“但我们的等离激元探测器可以调谐到任何频率，并捕获大量能量，从而产生相当多的热量，”斯图尔特说。“这种效率意味着我们只需要一层薄薄的氮化铝，这大大加快了整个过程。”
目前，采用热释电材料的相机，其标准探测时间约为53微秒。米克尔森基于等离激元学的方法仅用几纳秒就产生了信号，速度约快2000倍。不过，由于实验设备限制了探测时间，新型光电探测器的实际速度可能还会更快。
多光谱相机能做什么？
米克尔森认为，基于这项技术的商用相机有多种潜在用途，因为制造这些光电探测器的工艺相对快速、成本低且易于规模化。
外科医生或许可以在手术过程中利用多光谱成像区分癌变组织和健康组织。食品和饮用水安全检查人员可以利用它判断是否有有害细菌污染了鸡胸肉。
在戈登和贝蒂·摩尔基金会的支持下，米克尔森将精准农业作为首个目标。肉眼看去，植物可能只有绿色或棕色，但从其叶片和花朵反射出的可见光谱之外的光，包含着大量有价值的信息。
“获取‘光谱指纹’可以精确识别一种材料及其成分，”米克尔森说。“它不仅能判断植物的种类，还能确定其状况，例如是否缺水、受到胁迫或氮含量偏低（这表明需要施肥）。仅仅通过研究植物的光谱图像，我们就能了解到如此多的信息，确实令人惊叹。”
多光谱成像有望推动精准农业，让肥料、杀虫剂、除草剂和水只用于有需要的地方，从而节约水和资金并减少污染。
设想一台安装在无人机上的多光谱相机绘制田地状况图，并将信息传输给拖拉机，由拖拉机根据田间不同区域的情况，以不同用量施用肥料或杀虫剂。
据估计，目前的化肥生产工艺消耗的能源最多可占全球能源消耗总量的2%，产生的二氧化碳排放最多可占全球总量的3%。与此同时，研究人员估计，生产出来的肥料有50%至60%被浪费。仅考虑肥料这一项，精准农业就蕴藏着巨大的节能和温室气体减排潜力；此外，据美国农业部估计，每年还可直接节省85亿美元。
已有多家公司在开展此类项目。例如，IBM正在印度试点一项利用卫星图像评估作物状况的项目。然而，这种方法成本很高且应用受限，因此米克尔森设想开发一种廉价的手持式探测器，能够从地面或通过低成本无人机对农田成像。
“想想看，这不仅会对美国产生影响，也会惠及经常面临肥料、杀虫剂和水短缺的中低收入国家，”米克尔森说。“如果知道这些稀缺资源应该用在哪里，我们就能大幅提高作物产量，并帮助减少饥饿。”
这项研究得到了美国空军科学研究办公室和国防科学与工程研究生奖学金计划的支持。
