近日，依托中国科学院上海技术物理研究所的红外科学与技术全国重点实验室，在微型计算光谱与动态光谱感知领域斩获重要突破。这一成果以“Ferroelectric Reconfigurable Homojunction Miniaturized Computational Spectrometers for Dynamic Spectral Sensing”为题，成功登陆材料科学顶刊《先进材料》（Advanced Materials，影响因子26.8、接收率仅16%的严苛门槛，更凸显其学术分量），不仅填补了技术空白，更让小型化、低功耗实时光谱监测有了可落地的全新器件方案。

行业痛点待解，微型化成为破局方向


光谱监测向来是化学现场分析、环境监测、生物传感等领域的“刚需工具”，精准度毋庸置疑，但实际应用中，传统高光谱仪的短板一直困扰着行业从业者——体积大、功耗高、数据处理滞后，根本没法适配可穿戴设备、无人机巡检、产线在线质检这些移动场景，而这类场景对实时动态光谱跟踪的需求又越来越迫切。


正是看到这一缺口，计算重构型微型光谱仪逐渐成为攻关热点。它靠“探测器端编码+算法端重构”的思路，大幅减少了对复杂光学元件的依赖，天生适配小型化、低功耗需求。但这里有个难题：必须构建出丰富且可灵活调控的光谱响应函数库。目前行业主流就两条路，要么是空间复用的固定响应阵列，要么是电控动态可调探测器，其中范德华器件因强可调性和超小尺寸，成了不少团队重点发力的方向。


铁电调控破局，重构光谱感知逻辑


实验室团队没有局限于现有方案的优化，而是另辟蹊径——在WSe?同质结构中引入铁电调控，终做出了这款集紧凑、可重构、低功耗于一体的光谱感知平台。这一设计的巧思在于，通过对铁电裂栅施加互补电压，能在同一个二维通道里灵活切换出空间可重构的PN/NP同质结，打破了传统器件结构固定的局限。


更关键的是铁电极化带来的非易失静电调控能力：结区剖面和器件光谱响应形态能反复写入、擦除，相当于给光谱仪搭了个可循环调用的“编码响应函数库”，彻底摆脱了传统器件响应模式僵化的问题。同时团队还考虑到实际使用场景的差异，设计了快、慢响应分支协同结构，兼顾两种需求——近零功耗的非易失待机模式，能满足长期值守；主动工作模式则专门应对动态光谱重构，精准匹配实时检测场景。


从实验室到产业，落地价值


无论从学术创新还是产业应用来看，这一突破都极具分量。学术上，它为微型光谱技术提供了新的研究范式；产业端，其小型化、低功耗的优势，能直接推动光谱监测技术走进可穿戴健康设备、便携式环境检测仪、无人机遥感、工业产线质检等场景，打破现有设备的使用边界。


随着技术进一步迭代优化，相信它能为我国红外光谱感知领域构建自主可控的技术体系添砖加瓦，真正推动相关产业向智能化、便携化升级，让科研成果切实转化为产业创新动能。


行业痛点凸显，微型光谱仪成破局关键


光谱监测作为化学现场分析、环境监测、生物传感等领域的“火眼金睛”，其精准性早已得到行业公认。但长期以来，传统高光谱仪始终摆脱不了体积庞大、功耗偏高、数据处理延迟的短板，难以适配可穿戴设备、无人机巡检、产线在线质检等移动场景对实时动态光谱跟踪的迫切需求。


在此背景下，计算重构型微型光谱仪凭借“探测器端编码+算法端重构”的逻辑，大幅减少了对复杂光学元件的依赖，成为实现光谱系统小型化、低功耗的方向。而这一技术路径的关键，在于构建出丰富且可灵活调控的光谱响应函数库。目前行业主流方案分为两类：一类是空间复用的固定响应阵列，另一类是电控动态可调探测器，其中范德华器件凭借强可调性与超紧凑尺寸，成为科研人员重点攻关的方向。


铁电调控创新，打造可重构光谱感知平台


为破解现有方案的调控局限，实验室研究团队另辟蹊径，在WSe?同质结构中引入铁电调控技术，成功构建出一款兼具紧凑性、可重构性与低功耗特性的光谱感知平台。这一设计的亮点，在于通过对铁电裂栅施加互补电压，可在同一二维通道内灵活实现空间可重构的PN/NP同质结。


铁电极化带来的非易失静电调控能力，让结区剖面与器件光谱响应形态可被重复写入与擦除，相当于为光谱仪打造了一个可重复调用的“编码响应函数库”，彻底摆脱了传统器件响应模式固定的束缚。同时，团队通过设计快响应与慢响应分支协同结构，为平台赋予了两种适配不同场景的工作模式：一是非易失、近零功耗的待机监测模式，可满足长期值守需求；二是面向动态光谱重构的主动工作模式，精准匹配实时检测场景。


实现动态实时感知新突破


在动态光谱感知的实际应用中，如何平衡功耗与检测效率是行业长期面临的难题。对此，研究团队创新性地提出事件驱动的实时检测策略，实现了两者的解。


在待机模式下，器件保持预极化的双结结构，以近零功耗通过电流失衡被动监测瞬态光谱变化，相当于进入“低功耗警戒状态”；一旦捕捉到光谱信号异常，系统便立即切换至主动测量模式，通过扫描栅压并基于编码响应矩阵快速完成光谱重构。这种“被动值守+主动响应”的架构，将铁电材料的非易失可重构性与事件驱动的自适应感知机制深度融合，为构建紧凑、智能、低功耗的实时跟踪型计算重构光谱系统，提供了极具可行性的技术路径。


技术落地可期，赋能多领域智能化升级


此次研究突破不仅在学术层面为微型光谱技术的发展提供了新范式，更在产业层面展现出广阔的应用前景。其小型化、低功耗的优势，可有效推动光谱监测技术在可穿戴健康设备、便携式环境检测仪、无人机遥感、工业产线实时质检等场景的落地应用，打破现有设备的使用局限。


随着这项技术的进一步迭代优化，未来有望为我国在红外光谱感知领域构建自主可控的技术体系提供支撑，助力相关产业向智能化、便携化方向升级，为科研探索与产业创新注入新动能。