分辨率增強(qiáng)傅立葉微光譜儀的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種分辨率增強(qiáng)傅立葉微光譜儀，其包括：干涉儀：其用于借助電光效應(yīng)對(duì)待測(cè)光信號(hào)進(jìn)行位相調(diào)制，且其光輸出端設(shè)置有光反射裝置，使得進(jìn)入所述干涉儀的待測(cè)光信號(hào)被反射后按原路返回；光波傳輸裝置：其為二分支結(jié)構(gòu)，待測(cè)光信號(hào)通過(guò)所述二分支結(jié)構(gòu)的第一分支輸入，通過(guò)所述二分支結(jié)構(gòu)的主干枝耦合進(jìn)入所述干涉儀的光輸入端；而所述二分支結(jié)構(gòu)的第二分支用于接收經(jīng)所述干涉儀上的光反射裝置反射后的待測(cè)光信號(hào)；光電探測(cè)器：其用于測(cè)量進(jìn)入所述二分支結(jié)構(gòu)的第二分支的待測(cè)光信號(hào)的強(qiáng)度變化，并獲得待測(cè)光信號(hào)的干涉圖譜。待測(cè)光信號(hào)在光波導(dǎo)電光調(diào)制器內(nèi)的往返傳播增大了光程差變化量，進(jìn)而提高了光譜分辨率。
【專利說(shuō)明】分辨率增強(qiáng)傅立葉微光譜儀
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于光波導(dǎo)傳感技術(shù)、光譜測(cè)量技術(shù)和微光機(jī)電系統(tǒng)(MOEMS)加工【技術(shù)領(lǐng)域】，特別涉及一種基于集成光波導(dǎo)電光調(diào)制器端面反射的分辨率增強(qiáng)傅立葉微光譜儀。
【背景技術(shù)】
[0002]光譜儀是分析物質(zhì)組成成份及其結(jié)構(gòu)的強(qiáng)有力工具，在環(huán)境監(jiān)測(cè)、化學(xué)分析、生物醫(yī)學(xué)、空間探測(cè)、軍事科技和功能材料等眾多領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用，尤其是小型化、便攜式光譜儀在這些領(lǐng)域有著巨大的市場(chǎng)需求。傅立葉微光譜儀由于具有較高的信噪比和較快的掃描速度，同時(shí)，僅需要一個(gè)光電探測(cè)器，避免使用昂貴的CCD探測(cè)器，成為了微小型便攜式光譜儀的一個(gè)研究熱點(diǎn)。但大多數(shù)傅立葉微光譜儀仍然使用動(dòng)鏡邁克爾遜干涉儀對(duì)光程差進(jìn)行調(diào)制，而這種運(yùn)動(dòng)部件則會(huì)削弱微光譜儀的抗環(huán)境干擾能力。為了克服常規(guī)傅立葉微光譜儀的上述缺點(diǎn)，本發(fā)明的同一 申請(qǐng)人:提出利用集成光波導(dǎo)電光調(diào)制技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)光程差的靜態(tài)調(diào)制，在此基礎(chǔ)上提出了傅里葉變換芯片光譜儀(申請(qǐng)?zhí)?201010138943.2)和衰減全反射測(cè)量式傅里葉微光譜儀(申請(qǐng)?zhí)?201010263095.8)以及一種獲取光源光譜的方法(申請(qǐng)?zhí)?201210506070.5)。這些發(fā)明公開的傅立葉微光譜儀不包含運(yùn)動(dòng)部件，不需要精密的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，不需要特殊的減震環(huán)境，同時(shí)導(dǎo)波光的使用克服了空間自由光束易受干擾的缺點(diǎn)。
[0003]基于集成光波導(dǎo)電光調(diào)制技術(shù)的各種傅里葉微光譜儀雖然消除了運(yùn)動(dòng)部件，使得其抗干擾能力獲得極大提高，但是其光譜分辨率仍然面臨挑戰(zhàn)。光譜分辨率的不足已經(jīng)成為限制光波導(dǎo)傅立葉微光譜儀進(jìn)一步發(fā)展和廣泛應(yīng)用的瓶頸。在保持或進(jìn)一步減小光波導(dǎo)傅立葉微光譜儀尺寸的同時(shí)，提高其光譜分辨率具有重要的科研意義和實(shí)用價(jià)值。傅立葉光譜儀的光譜分辨率隨干涉儀兩臂光程差變化量的增大而提高。增大光波導(dǎo)傅立葉微光譜儀的光程差變化量，是提高微光譜儀光譜分辨率的主要方法。由于光程差變化量正比于電光調(diào)制區(qū)間長(zhǎng)度，通過(guò)提高電光調(diào)制區(qū)間的長(zhǎng)度可以增大光程差的變化量，但這會(huì)導(dǎo)致光波導(dǎo)傅立葉微光譜儀尺寸的增大，不利于光譜儀的微型化。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]在保持或縮小基于電光調(diào)制的光波導(dǎo)傅立葉微光譜儀尺寸的同時(shí)，為進(jìn)一步提高光波導(dǎo)傅立葉微光譜儀的光譜分辨率，本發(fā)明提出了一種利用端面反射使待測(cè)光信號(hào)在電光調(diào)制區(qū)域往返傳播，進(jìn)而增大干涉儀兩臂光程差的變化范圍，以提高光譜分辨率的光譜儀。
[0005]本發(fā)明公開了一種分辨率增強(qiáng)傅立葉微光譜儀，其包括:
[0006]干涉儀:其用于借助電光效應(yīng)對(duì)待測(cè)光信號(hào)進(jìn)行位相調(diào)制，且其光輸出端設(shè)置有光反射裝置，使得進(jìn)入所述干涉儀的待測(cè)光信號(hào)被反射后按原路返回；
[0007]光波傳輸裝置:其為二分支結(jié)構(gòu)，待測(cè)光信號(hào)通過(guò)所述二分支結(jié)構(gòu)的第一分支輸入，通過(guò)所述二分支結(jié)構(gòu)的主干枝耦合進(jìn)入所述干涉儀的光輸入端；而所述二分支結(jié)構(gòu)的第二分支用于接收經(jīng)所述干涉儀上的光反射裝置反射后的待測(cè)光信號(hào)；
[0008]光電探測(cè)器:其用于測(cè)量進(jìn)入所述二分支結(jié)構(gòu)的第二分支的待測(cè)光信號(hào)的強(qiáng)度變化，并獲得待測(cè)光信號(hào)的干涉圖譜。
[0009]本發(fā)明公開的分辨率增強(qiáng)傅立葉微光譜儀能有效提高光波導(dǎo)傅立葉微光譜儀的光譜分辨率，在保持電光調(diào)制區(qū)域長(zhǎng)度不變的情況下，本發(fā)明提出的光波導(dǎo)傅立葉微光譜儀的光譜分辨率能較傳統(tǒng)的具有馬赫-曾德爾干涉儀結(jié)構(gòu)的光波導(dǎo)傅立葉微光譜儀提高一倍。同時(shí)，還可以避免傳統(tǒng)的光波導(dǎo)傅立葉微光譜儀中馬赫-曾德爾干涉儀的雙Y形3dB分歧波導(dǎo)結(jié)構(gòu)；單￥形3dB分歧波導(dǎo)結(jié)構(gòu)使微光譜儀的尺寸進(jìn)一步減小，或使得其電光調(diào)制區(qū)域長(zhǎng)度有進(jìn)一步增大的空間，從而可以進(jìn)一步提高光譜分辨率；單Y形3dB分歧波導(dǎo)結(jié)構(gòu)同時(shí)也降低了光波導(dǎo)傅立葉微光譜儀的加工難度。另一方面，該微光譜儀與多種樣品池，如具有消逝波敏感窗口的光纖、芯片消逝波敏感窗口，具有良好的兼容性，用途廣泛，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單新穎。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0010]圖1是本發(fā)明中基于光波導(dǎo)電光調(diào)制器端面反射的分辨率增強(qiáng)傅立葉微光譜儀結(jié)構(gòu)示意圖；
[0011]圖2是本發(fā)明中基于單Y形3dB鈮酸鋰分歧光波導(dǎo)端面反射的分辨率增強(qiáng)傅立葉微光譜儀結(jié)構(gòu)示意圖；
[0012]圖3是本發(fā)明中用作分辨率增強(qiáng)傅立葉微光譜儀消逝波敏感窗口的光纖結(jié)構(gòu)示意圖；
[0013]圖4是本發(fā)明中基于雙Y形3dB鈮酸鋰分歧光波導(dǎo)端面反射的分辨率增強(qiáng)傅立葉微光譜儀結(jié)構(gòu)示意圖；
·[0014]圖5是本發(fā)明中基于鈮酸鋰光波導(dǎo)電光調(diào)制器得到的仿真干涉圖譜；
[0015]圖6是利用鈮酸鋰光波導(dǎo)電光調(diào)制器和利用本發(fā)明中分辨率增強(qiáng)傅立葉微光譜儀得到的光信號(hào)光譜的對(duì)比圖。
【具體實(shí)施方式】
[0016]為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合具體實(shí)施例，并參照附圖，對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。
[0017]需要說(shuō)明的是，在附圖或說(shuō)明書描述中，相似或相同的部分都使用相同的圖號(hào)。附圖中各部分的尺寸并不與真實(shí)尺寸成比例以方便標(biāo)示。再者，附圖中未繪示或描述的元件或?qū)崿F(xiàn)方式，為所屬【技術(shù)領(lǐng)域】中普通技術(shù)人員所知的形式。另外，雖然本文可提供包含特定值的參數(shù)的示范，但應(yīng)了解，參數(shù)無(wú)需確切等于相應(yīng)的值，而是可在可接受的誤差容限或設(shè)計(jì)約束內(nèi)近似于相應(yīng)的值。
[0018]在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，如圖1所示，提出了一種基于光波導(dǎo)電光調(diào)制器端面反射的分辨率增強(qiáng)傅立葉微光譜儀，其包括:光波導(dǎo)電光調(diào)制器1、二分支光纖5、光隔離器
6、光源8、光電探測(cè)器9、電壓函數(shù)發(fā)生器10和信號(hào)處理芯片11。所述光波導(dǎo)電光調(diào)制器I的光輸出端口光連接有反射鏡2,用于端面反射。光波導(dǎo)電光調(diào)制器I具有在X切割y傳輸鈮酸鋰基底上，由鈦擴(kuò)散鈮酸鋰波導(dǎo)3構(gòu)成的馬赫-曾德爾干涉儀結(jié)構(gòu)，該干涉儀用于借助電光效應(yīng)對(duì)待測(cè)光信號(hào)進(jìn)行位相調(diào)制；干涉儀兩臂兩側(cè)設(shè)置有推挽電極4，用于電光調(diào)制，進(jìn)而使干涉儀產(chǎn)生隨調(diào)制電壓變化的干涉圖譜。二分支光纖5的主光纖枝5a與光波導(dǎo)電光調(diào)制器I的光輸入端口光連接；第一光纖枝5b用于接收待測(cè)光信號(hào),與光隔離器6、光源8依次光連接，所述光隔離器6用于消除反射光對(duì)待側(cè)光信號(hào)的影響；第二光纖枝5c與光電探測(cè)器9光連接。電壓函數(shù)發(fā)生器10與光波導(dǎo)電光調(diào)制器I的調(diào)制電極端口電連接，信號(hào)處理芯片11分別與光電探測(cè)器9和電壓函數(shù)發(fā)生器10電連接。待測(cè)光信號(hào)從二分支光纖5的第一光纖枝5b輸入,通過(guò)主光纖枝5a稱合進(jìn)入光波導(dǎo)電光調(diào)制器I,并經(jīng)與光輸出端光連接的反射鏡2端面反射沿原路返回至光波導(dǎo)電光調(diào)制器I光輸入端后，固定比例的待測(cè)光信號(hào)進(jìn)入二分支光纖5的第二光纖枝5c，并由光電探測(cè)器9接收。利用電壓函數(shù)發(fā)生器10給光波導(dǎo)電光調(diào)制器I施加隨時(shí)間線性變化的三角波電壓，同時(shí)用光電探測(cè)器9探測(cè)待測(cè)光信號(hào)的光強(qiáng)變化，獲得干涉圖譜，再用與光電探測(cè)器9、電壓函數(shù)發(fā)生器10相連的信號(hào)處理芯片11對(duì)干涉圖譜進(jìn)行傅立葉變換和后續(xù)處理，得到待測(cè)光信號(hào)光譜。其中，所述光波導(dǎo)電光調(diào)制器的光輸入端和光輸出端可以是構(gòu)成光波導(dǎo)電光調(diào)制器的光波導(dǎo)兩端面，也可以是分別與光波導(dǎo)兩端面光連接的兩根光纖的端面。
[0019]上述微光譜儀與未知光源8連接時(shí)，可以用于測(cè)量未知光源的發(fā)光光譜，而其還可以測(cè)量待測(cè)物質(zhì)的衰減全反射吸收光譜。當(dāng)該微光譜儀用于測(cè)量待測(cè)物質(zhì)的衰減全反射吸收光譜時(shí)，第一光纖枝5b的一端與光源8連接，其中所述光源8為已知光源；且在第一光纖枝5b的另一端的局部區(qū)間還開設(shè)有放置待測(cè)物質(zhì)的消逝波敏感窗口 7，用于使經(jīng)過(guò)該第一光纖的光與設(shè)置在該窗口的待測(cè)物質(zhì)相互作用；其中，具有消逝波敏感窗口的光纖結(jié)構(gòu)如圖3所示，圖3 (a)，3 (b)，3 (c)，3 (d)分別為用作消逝波敏感窗口的側(cè)邊拋光光纖區(qū)域、D型光纖區(qū)域、雙錐形光纖區(qū)域、去包層光纖結(jié)構(gòu)示意圖；將待測(cè)物質(zhì)放置在所述消逝波敏感窗P。
[0020]待測(cè)光信號(hào)在光波導(dǎo)電光調(diào)制器I中往返傳播，由二分支光纖5的第二光纖枝5c輸出的干涉圖譜可以寫作:
【權(quán)利要求】
1.一種分辨率增強(qiáng)傅立葉微光譜儀，其包括: 干涉儀:其用于借助電光效應(yīng)對(duì)待測(cè)光信號(hào)進(jìn)行位相調(diào)制，且其光輸出端設(shè)置有光反射裝置，使得進(jìn)入所述干涉儀的待測(cè)光信號(hào)被反射后按原路返回； 光波傳輸裝置:其為二分支結(jié)構(gòu)，待測(cè)光信號(hào)通過(guò)所述二分支結(jié)構(gòu)的第一分支輸入，通過(guò)所述二分支結(jié)構(gòu)的主干枝耦合進(jìn)入所述干涉儀的光輸入端；而所述二分支結(jié)構(gòu)的第二分支用于接收經(jīng)所述干涉儀上的光反射裝置反射后的待測(cè)光信號(hào)； 光電探測(cè)器:其用于測(cè)量進(jìn)入所述二分支結(jié)構(gòu)的第二分支的待測(cè)光信號(hào)的強(qiáng)度變化，并獲得待測(cè)光信號(hào)的干涉圖譜。
2.如權(quán)利要求1所述的分辨率增強(qiáng)傅立葉微光譜儀，其特征在于: 所述干涉儀包括光波導(dǎo)電光調(diào)制器，所述光波導(dǎo)電光調(diào)制器具有馬赫-曾德爾干涉儀結(jié)構(gòu)，所述待測(cè)光信號(hào)通過(guò)所述光傳輸裝置耦合進(jìn)入光波導(dǎo)電光調(diào)制器，并經(jīng)所述光反射裝置反射后沿原路返回。
3.如權(quán)利要求1所述的分辨率增強(qiáng)傅立葉微光譜儀，其特征在于: 所述干涉儀包括Y形分歧波導(dǎo)，所述Y形分歧波導(dǎo)具有兩個(gè)相互平行波導(dǎo)臂，其端面被拋光后鍍上金屬膜，形成所述光反射裝置；在所述兩個(gè)相互平行的波導(dǎo)臂兩側(cè)設(shè)置有推挽電極，用于電光調(diào)制；所述待測(cè)光信號(hào)通過(guò)所述光傳輸裝置耦合進(jìn)入所述Y形分歧波導(dǎo)的主波導(dǎo)后被等強(qiáng)度分配進(jìn)入所述兩波導(dǎo)臂，并經(jīng)設(shè)置在其端面的反射裝置反射后沿原路返回。
4.如權(quán)利要求1或2或3所述的分辨率增強(qiáng)傅立葉微光譜儀，其特征在于:所述光傳輸裝置為光纖裝置，所述二分支結(jié)構(gòu)為二分支光纖。
5.如權(quán)利要求1或3所述的分辨率增強(qiáng)傅立葉微光譜儀，其特征在于:所述光傳輸裝置為Y形分歧波導(dǎo)裝置，該Y形分歧波導(dǎo)裝置的主波導(dǎo)與干涉儀的光輸入端相連。
6.如權(quán)利要求1所述的分辨率增強(qiáng)傅立葉微光譜儀，其特征在于:所述分辨率增強(qiáng)傅立葉微光譜儀還包括電壓函數(shù)發(fā)生器，該電壓函數(shù)發(fā)生器向所述干涉儀施加隨時(shí)間線性變化的三角波電壓信號(hào)。
7.如權(quán)利要求1所述的分辨率增強(qiáng)傅立葉微光譜儀，其特征在于:所述分辨率增強(qiáng)傅立葉微光譜儀還包括信號(hào)處理裝置，其用于對(duì)所述干涉圖譜進(jìn)行傅里葉變換以得到所述待測(cè)信號(hào)的光譜。
8.如權(quán)利要求1所述的分辨率增強(qiáng)傅立葉微光譜儀，其特征在于:所述分辨率增強(qiáng)傅立葉微光譜儀還包括光隔離器，其與所述二分支結(jié)構(gòu)的第一分支光連接，用于消除反射光對(duì)待測(cè)光信號(hào)的影響。
9.如權(quán)利要求1所述的分辨率增強(qiáng)傅立葉微光譜儀，其特征在于:所述待測(cè)光信號(hào)為未知光源發(fā)出的光信號(hào)。
10.如權(quán)利要求1所述的分辨率增強(qiáng)傅里葉微光譜儀，其特征在于:所述待測(cè)光信號(hào)為已知光源發(fā) 出的光經(jīng)待測(cè)物質(zhì)衰減后產(chǎn)生的光信號(hào)；其中，所述待測(cè)物質(zhì)放置在所述二分支結(jié)構(gòu)的第一分支的局部區(qū)間上開設(shè)的消逝波敏感窗口中，所述消逝波敏感窗口為側(cè)邊拋光區(qū)域、D型區(qū)域、雙錐形區(qū)域、去包層區(qū)域其中之一。
11.如權(quán)利要求2所述的分辨率增強(qiáng)傅立葉微光譜儀，其特征在于:所述干涉儀的光輸入端和光輸出端是構(gòu)成所述光波導(dǎo)電光調(diào)制器的光波導(dǎo)兩端面，或者是分別與光波導(dǎo)兩端面光連接的 兩根光纖的端面。
【文檔編號(hào)】G01J3/45GK103630239SQ201310053568
【公開日】2014年3月12日 申請(qǐng)日期:2013年2月19日 優(yōu)先權(quán)日:2013年2月19日
【發(fā)明者】祁志美, 李金洋, 逯丹鳳 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院電子學(xué)研究所