日前，中科院上海技術(shù)物理研究所研究員陸衛(wèi)、李冠海、陳效雙團(tuán)隊，研制出基于非線性憶阻計算技術(shù)的新型微型光譜儀，通過結(jié)合光子憶阻器與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法，為解決光譜儀小型化與高性能難以兼容的行業(yè)難題提供新的解決方案，并為材料科學(xué)、工業(yè)檢測和智能傳感領(lǐng)域的發(fā)展提出新方向。相關(guān)研究成果以《Nonlinear memristive computational spectrometer》為題，在線發(fā)表在《光：科學(xué)與應(yīng)用》（Light: Science & Applications）上，并被遴選為重點推薦文章。

光譜分析技術(shù)作為現(xiàn)代科學(xué)的重要表征手段，在材料科學(xué)、工業(yè)檢測和光電傳感領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用。近年來，市場對兼具便攜性、測量精度、高光譜分辨率與寬譜段響應(yīng)特性的光譜設(shè)備的需求激增。然而，傳統(tǒng)光譜儀受制于復(fù)雜光學(xué)系統(tǒng)架構(gòu)，依賴空間色散元件構(gòu)建的長程傳播路徑，與微型化發(fā)展趨勢形成結(jié)構(gòu)性矛盾，制約了集成化光譜設(shè)備的工程實現(xiàn)。當(dāng)前，微型化技術(shù)路線主要有兩種：一是通過光子晶體、超表面等亞波長結(jié)構(gòu)實現(xiàn)光場調(diào)控；二是利用微型干涉系統(tǒng)替代傳統(tǒng)色散式架構(gòu)。盡管上述技術(shù)縮小了設(shè)備體積，但微型化過程普遍伴隨著光譜分辨率降低、動態(tài)范圍收窄和信噪比劣化等問題。

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光子憶阻器中的能帶演變和非線性光譜特性

該研究提出了非線性憶阻計算架構(gòu)，利用鈀離子遷移實現(xiàn)光子憶阻器的動態(tài)能帶調(diào)制，突破了傳統(tǒng)光響應(yīng)矩陣的線性限制。通過構(gòu)建深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)重建算法，實現(xiàn)光譜特征的高精度解析，在保持設(shè)備微型化的同時，實現(xiàn)0.18 nm級波長精度與2 nm光譜分辨率，為智能光電子系統(tǒng)提供了可重構(gòu)光譜感知新路徑，并有望推動微型光譜儀從靜態(tài)濾波向動態(tài)認(rèn)知的范式躍遷。

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非線性憶阻計算光譜儀的架構(gòu)和基本表征

研究工作得到科學(xué)技術(shù)部、國家自然科學(xué)基金委員會、中國科學(xué)院等的支持。

論文鏈接：https://doi.org/10.1038/s41377-024-01703-y