近期，华中科技大学光电学院唐明教授的研究团队，依托其在光纤技术领域的深入研究，开发出一种基于光谱-空间-时间映射技术和单像素光电探测的新型高速光谱仪。通过创新性地结合多模光纤的散斑特性与多芯光纤的采样能力，该技术在维持高精度的同时，实现了100MHz的光谱测量速度。

目前，该成果以“Breaking the speed limitation of wavemeter through spectra-space-time mapping”为题发表于Light: Advanced Manufacturing。华中科技大学博士生高正和博士生姜婷为该论文共同第一作者，华中科技大学唐明教授和吴昊老师为论文通讯作者。

光纤光谱测量

在光学研究和工业应用中，光谱测量技术对于环境监测、生物医学分析和材料表征等领域的研究都至关重要，研究人员一直在追求更高的测量速度与精度，以便能够捕捉到快速变化的光谱信息。然而，传统的光谱仪在分辨率上受限于器件的物理尺寸，这一直是一个难以逾越的障碍。

在这样的背景下，一种基于多模光纤的紧凑型高精度光谱仪应运而生。多模光纤允许多种模式的光在其中传播，受模式色散等效应的影响，在光纤的输出端会产生一个功率近似随机分布的二维散斑图案。这种散斑图案与入射光的波长密切相关，通过分析散斑图案的特征，可以用来重建入射光的光谱，从而提供了一种结构紧凑、高光谱分辨率的光谱仪。然而，输出的散斑通常需要用相机进行采集，相机的帧率限制了这类光谱仪的探测速度，这成为了提升光谱测量速度的瓶颈。

多模-多芯光纤结构实现光谱-空间-时间映射

为了突破测量速度的限制，华中科技大学的研究团队引入了多芯光纤，提出了一种创新的光谱-空间-时间映射方案。利用两种光纤的结构特性，将多芯光纤熔接在多模光纤的输出端。多芯光纤包含多个单模纤芯，每个纤芯作为一个独立的采样通道对散斑图案进行采样，代替了传统方案中相机的作用，将二维强度分布转换为脉冲信号序列。这样，传统的相机便被高速的单像素光电探测器所取代，克服了相机帧率的限制，实现了测量速度的飞跃。

图1：多模-多芯光纤结构与光脉冲的变化示意图

图2：散斑图案与脉冲序列示意图

高探测速度与探测精度

研究团队在实验中证明了这种新型光谱测量方法的有效性。他们的设备能够以100MHz的速率进行测量，同时保持了2.7pm的高分辨率。该测量方法在许多领域都具有较大的应用潜力。（来源：先进制造微信公众号）

图3：快速测量结果

相关论文信息：https://doi.org/10.37188/lam.2024.013