中国科学院南京天文光学技术研究所机构知识库

随着科技的不断发展，光谱分析在天文学、生物学、化学、通信、医学和许多其他的领域有着越来越广泛的应用。光谱仪是光谱分析的重要仪器，传统光谱仪通常体积庞大，质量大，制造成本高，给实际应用带来许多不便。

因此，小型化、集成化、高性能的光谱仪成为了未来的发展趋势。为了实现上述目标，研究人员提出了一种重构类光谱仪，该光谱仪具有测量带宽大、分辨率高和体积小等优点。然而，现有的重构类光谱仪在体积较小的情况下，很难同时兼顾测量带宽和分辨率。为了解决这个问题，本论文提出了一种基于缺陷散射的集成重构光谱仪设计，并进行了相关的优化和算法设计。主要内容包括： 
（1）设计了一种基于多模波导表面缺陷散射的重构型光谱仪结构，其工作波段在0.6 μm - 1.6 μm之间。完成了光谱仪的结构原理验证和材料选型，并针对各种缺陷的形状分析了它们对光谱响应的影响。接着，使用相关度分析对器件波导结构和缺陷阵列结构的尺寸进行了优化。并进一步分析了系统的光谱分辨率和光场分布在整个工作波段上的相关度。优化后的光谱仪理论上具有0.2 nm的分辨率和1 μm的工作带宽。 
（2）实现了光谱重构算法，验证了器件光谱分辨率，并对多色光和宽带光谱进行了重构验证。利用非负最小二乘法和Tikhonov正则化完成了对重构算法的设计。首先，在850 nm - 852 nm的窄波段上验证了器件的0.2 nm极限光谱分辨率。然后，在0.6 μm - 1.6 μm的工作波段上以1 nm为间隔进行单色光标定，获得了器件在整个工作波段上的传输矩阵，并验证了器件在0.6 μm -1.6 μm上的分辨率。接着，通过使用标定好的传输矩阵，在0.6 μm-1.6 μm中的每200 nm分段的波段上，对多色光谱进行重构，验证了器件的在整个工作波段上的光谱识别能力。随后，又在每200 nm波段上进行了宽带光谱的重构，验证了器件在整个工作波段上的宽带光谱重构能力。 
（3）分析了影响重构结果的因素。首先详细研究了器件结构制造误差会对平均相关度带来的影响，并探讨了在实际制造过程中应注意的问题。其次，分析了信噪比对重构结果的影响，并评估了在算法中引入的正则化因子优化重构结果的能力。最后，提出了数据光场区域选择方法，通过适当的光场区域选择，可以提高了光谱重构的准确度。

此外，还模拟了光电探测器空间采样率对重构结果的影响。结果表明，由于器件采用随机尺寸的结构，对加工精度要求不高，易于制造，并且具有一定的抗噪声能力，同时探测区域选择灵活，对光电探测器的空间采样率的要求不高，为器件的量产制造奠定了基础。