近日，中国科学技术大学教授孙海定联合武汉大学刘胜院士团队，成功研制出微型紫外光谱仪，并实现片上光谱成像。该光谱成像仪基于新型氮化镓基级联光电二极管架构，并与深度神经网络算法融合，实现了高精度光谱探测与高分辨率多光谱成像，其光谱响应速度达到超快纳秒级。相关成果于9月26日在线发表于《自然-光子学》。

微型紫外光谱成像仪系统。中国科大供图

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光谱信息被称为物质的“光基因”，能够揭示组成与特性。光谱成像技术可同时获取光谱与空间信息，在成分分析、环境监测、卫星遥感和深空探测等领域具有重要价值。但传统光谱仪依赖光栅分光和机械扫描，系统复杂、体积庞大、价格高昂，难以满足便携式和实时化检测需求。尤其在对生物制药和有机物检测至关重要的深紫外/紫外波段，由于材料与工艺限制，片上微型紫外光谱成像技术长期处于空白，成为制约该领域发展的关键瓶颈。

为此，孙海定团队联合国内外研究学者提出了一种氮化镓基级联光电二极管架构，研制出工作于紫外波段的微型光谱成像仪，实现了高精度光谱探测与高分辨率多光谱成像。该结构由上下两个不对称p-n二极管垂直级联组成，可在两英寸和更大尺寸的晶圆上阵列化制备。器件通过外加偏压调控载流子的波长依赖传输行为，实现电压可调的双向光谱响应，并结合深度神经网络算法，可对未知光谱进行高精度重构。该光谱成像仪工作波段覆盖250至365纳米的紫外波段，光谱分辨率可达到0.62纳米，约10纳秒的超快响应速度。基于此，研究团队进一步实现片上光谱空间一体化成像阵列，并成功地对不同有机物质（如橄榄油、花生油、动物油脂和牛奶）液滴进行了空间分辨与单次直接成像，显示出它们在食品检测和分子识别等方面的应用潜力。

该研究提出并实现了利用宽禁带氮化物半导体作为微型光谱成像仪的材料载体。未来，通过调控材料组分和掺杂，或采用二六族和三五族半导体材料，该架构可以将工作范围扩展至可见光和红外波段。同时，由于工艺完全兼容现有大规模半导体制造工艺，器件尺寸还可缩小至亚微米甚至纳米级，可实现更低成本更高分辨光谱成像。研究团队预计，其成本有望降至传统光谱仪的百分之一。正如硅基CCD/CMOS技术推动数码相机普及一样，这枚新型微型光谱成像仪的研制成功，为下一代小型化、便携式和可穿戴光谱技术的普及提供了新的思路和解决方案。

相关论文信息：https://www.nature.com/articles/s41566-025-01754-6