專(zhuān)利名稱(chēng)：基于液體折射率調(diào)制的集成光波導(dǎo)傅里葉變換光譜儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及集成光波導(dǎo)傳感技術(shù)領(lǐng)域，是一種基于對(duì)液體折射率高度敏感的集成光波導(dǎo)干涉計(jì)芯片的傅里葉變換光譜儀，特別是一種基于集成光波導(dǎo)干涉原理和表面液體折射率調(diào)制方法的新型便攜式傅里葉變換光譜儀。
背景技術(shù)：
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。光譜儀在環(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。不同于實(shí)驗(yàn)室大型的光譜分析設(shè)備，小型化，便攜式光譜儀能夠滿(mǎn)足現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)快速測(cè)試的要求，因此具有更加廣闊的應(yīng)用前景和良好的發(fā)展趨勢(shì)。光譜儀有多種分類(lèi)方法，根據(jù)工作原理，可分為三類(lèi)棱鏡色散式光譜儀、光柵分光式光譜儀、以及調(diào)制變換式光譜儀。棱鏡色散式和光柵分光式光譜儀是建立在幾何光學(xué)原理上的經(jīng)典的光譜儀，而調(diào)制變換式光譜儀是建立在調(diào)制計(jì)算原理基礎(chǔ)上的光譜分析儀器。前者是基于狹縫的光譜儀器，采用棱鏡或光柵作為空間色散元件，后者是基于光學(xué)調(diào)制來(lái)完成光譜成份檢測(cè)的儀器，主要基于干涉調(diào)制來(lái)完成色散。與前者不同的是，調(diào)制變換式光譜儀所采集得到的結(jié)果必須再經(jīng)過(guò)計(jì)算變換才能得到實(shí)際的測(cè)量光譜。常見(jiàn)的調(diào)制變換式光譜儀包括傅里葉變換光譜儀、阿達(dá)瑪變換光譜儀及法布里-珀羅分光計(jì)。經(jīng)典色散光譜儀結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，系統(tǒng)成熟，應(yīng)用廣泛；而調(diào)制變換式光譜儀在系統(tǒng)組成上較經(jīng)典色散光譜儀復(fù)雜，通常包含運(yùn)動(dòng)部件，但調(diào)制變換式光譜儀不受入射狹縫的限制，能夠通過(guò)擴(kuò)散的入射孔徑或者干涉調(diào)制得到信噪比更高、分辨率更大的光譜信號(hào)，適用于更高端的應(yīng)用。常見(jiàn)的傅里葉變換光譜儀大都是基于傳統(tǒng)的動(dòng)鏡Michelson干涉儀結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)的傅里葉變換光譜儀雖然具有高通量、多通道、高光譜分辨率和寬光譜范圍的優(yōu)勢(shì)，但是光譜儀中用作反射鏡的動(dòng)鏡需要一套高精度的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，而且需要良好的減震環(huán)境。同時(shí)該系統(tǒng)也存在著體積大、質(zhì)量重、機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜以及不易微型化的缺點(diǎn)。此外，光譜儀采用空間自由光束，很容易受到環(huán)境干擾。微光機(jī)電系統(tǒng)(M0EMQ技術(shù)、光電探測(cè)技術(shù)及先進(jìn)加工技術(shù)的不斷發(fā)展為調(diào)制式傅里葉變換光譜儀的小型化、微型化提供了越來(lái)越多的可能。其中較為突出的是1999年瑞士Neuchitel大學(xué)微技術(shù)研究所(IMT)的Omar Manzardo等人研制的一種基于MOEMS技術(shù)的微型傅里葉變換光譜儀
，該光譜儀使用硅微鏡作為Michelson干涉計(jì)的掃描反射鏡，使用范圍在-IOV +IOV的斜坡電壓靜電驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)硅微鏡的移動(dòng)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)微鏡系統(tǒng)的精確掃描，最大位移可達(dá)39 μ m,重復(fù)誤差士 13nm，可以在可見(jiàn)光波段獲得IOnm的分辨力，同時(shí)該光譜儀結(jié)構(gòu)緊湊，尺寸僅為5mmX 4mm。但是這種光譜儀在使用過(guò)程中同樣是采用了空間自由光束進(jìn)行干涉，容易受到外界環(huán)境干擾的缺點(diǎn)仍然存在。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是公開(kāi)一種基于液體折射率調(diào)制的集成光波導(dǎo)傅里葉變換光譜儀， 以克服上述現(xiàn)有基于傳統(tǒng)動(dòng)鏡的Michelson干涉計(jì)結(jié)構(gòu)的傅里葉變換光譜儀的不足，實(shí)現(xiàn)了一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、抗環(huán)境干擾，無(wú)需使用運(yùn)動(dòng)部件的高速、高靈敏光譜儀。為達(dá)到上述目的，本發(fā)明的技術(shù)解決方案是一種基于液體折射率調(diào)制的集成光波導(dǎo)傅里葉變換光譜儀，包括光源、集成光波導(dǎo)干涉計(jì)芯片、光探測(cè)器、樣品池、流控進(jìn)樣系統(tǒng)、數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)；其樣品池固定在光波導(dǎo)干涉計(jì)芯片表面，流控進(jìn)樣系統(tǒng)與樣品池相通連；光源發(fā)射的光經(jīng)棱鏡耦合進(jìn)入集成光波導(dǎo)干涉計(jì)芯片成為導(dǎo)波光，從集成光波導(dǎo)干涉計(jì)芯片耦合輸出的干涉光信號(hào)被光探測(cè)器接收，光探測(cè)器產(chǎn)生的電信號(hào)被傳輸至與光探測(cè)器相連的數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)進(jìn)行處理，實(shí)現(xiàn)對(duì)輸入光譜的反演重建。所述的基于液體折射率調(diào)制的集成光波導(dǎo)傅里葉變換光譜儀，其所述集成光波導(dǎo)干涉計(jì)芯片，為光波導(dǎo)馬赫一曾德?tīng)柛缮嬗?jì)芯片、光波導(dǎo)楊氏干涉計(jì)芯片、光波導(dǎo)偏振極化干涉計(jì)芯片、光波導(dǎo)邁克爾遜干涉計(jì)芯片、光波導(dǎo)法布里-珀羅干涉計(jì)芯片、雙模干涉型光波導(dǎo)芯片其中的一種，或是上述干涉計(jì)芯片的變形結(jié)構(gòu)。所述的基于液體折射率調(diào)制的集成光波導(dǎo)傅里葉變換光譜儀，其所述光源發(fā)射的光或經(jīng)光柵耦合或經(jīng)端面耦合。所述的基于液體折射率調(diào)制的集成光波導(dǎo)傅里葉變換光譜儀，其所述光譜儀被使用或測(cè)試時(shí)，利用流控進(jìn)樣系統(tǒng)改變樣品池內(nèi)的液體折射率，使折射率隨時(shí)間均勻變化。所述的基于液體折射率調(diào)制的集成光波導(dǎo)傅里葉變換光譜儀，其所述樣品池和流控進(jìn)樣系統(tǒng)，為采用微機(jī)械加工工藝制作而成。所述的基于液體折射率調(diào)制的集成光波導(dǎo)傅里葉變換光譜儀，其通過(guò)調(diào)節(jié)集成光波導(dǎo)干涉計(jì)芯片的敏感窗口長(zhǎng)度改善光譜儀分辨率，當(dāng)敏感窗口在0-20mm之間變化時(shí)，窗口長(zhǎng)度越長(zhǎng)，光譜儀分辨率越高。所述的基于液體折射率調(diào)制的集成光波導(dǎo)傅里葉變換光譜儀，其通過(guò)擴(kuò)展樣品池內(nèi)液體折射率的變化范圍提高光譜儀的分辨率。所述的基于液體折射率調(diào)制的集成光波導(dǎo)傅里葉變換光譜儀，其所述集成光波導(dǎo)干涉計(jì)芯片表面設(shè)有一層梯度結(jié)構(gòu)的高折射率薄膜，以增強(qiáng)集成光波導(dǎo)干涉計(jì)芯片的消逝場(chǎng)強(qiáng)度，提高光譜儀的分辨率。所述的基于液體折射率調(diào)制的集成光波導(dǎo)傅里葉變換光譜儀，其所述高折射率薄
膜，為二氧化鈦、五氧化二鉭薄膜。所述的基于液體折射率調(diào)制的集成光波導(dǎo)傅里葉變換光譜儀，其通過(guò)使用已知波長(zhǎng)的單色光源結(jié)合光譜反演計(jì)算方法，確定光波導(dǎo)的相關(guān)參數(shù)；當(dāng)光源為固定波長(zhǎng)的單色光時(shí)，對(duì)測(cè)得的干涉圖樣進(jìn)行傅里葉變換，通過(guò)比較傅里葉變換譜圖和已知波長(zhǎng)單色光源的發(fā)射譜圖，結(jié)合導(dǎo)波光學(xué)理論，確定光波導(dǎo)的相關(guān)參數(shù)。所述的基于液體折射率調(diào)制的集成光波導(dǎo)傅里葉變換光譜儀，其所述光波導(dǎo)的相關(guān)參數(shù)，為導(dǎo)波層厚度、導(dǎo)波層上表面的高折射率薄膜厚度。所述的基于液體折射率調(diào)制的集成光波導(dǎo)傅里葉變換光譜儀，其所述流控進(jìn)樣系統(tǒng)，包括兩容器、兩微型蠕動(dòng)泵、一攪拌子及管道；其中，一微型蠕動(dòng)泵入口經(jīng)管道與一容器相通聯(lián)，容器內(nèi)有NaCl水溶液，出口經(jīng)管道與另一容器相通聯(lián)，另一容器內(nèi)有去離子水 ’另一容器的兩端分別經(jīng)管道與樣品池相通聯(lián)，一管道中接有另一微型蠕動(dòng)泵，使另一容器內(nèi)溶液與樣品池內(nèi)溶液經(jīng)另一微型蠕動(dòng)泵、管道形成環(huán)路；另一容器內(nèi)設(shè)有一攪拌子。所述的基于液體折射率調(diào)制的集成光波導(dǎo)傅里葉變換光譜儀，其所述NaCl水溶液，為ImL質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6%的NaCl水溶液；去離子水為4mL。與現(xiàn)有光譜儀不同，本發(fā)明所涉及的基于液體折射率調(diào)制的集成光波導(dǎo)傅里葉變換光譜儀，最大的特點(diǎn)是通過(guò)改變集成光波導(dǎo)干涉計(jì)芯片表面的液體折射率實(shí)現(xiàn)對(duì)干涉光光程差的線(xiàn)性調(diào)制。而上述基于動(dòng)鏡Michelson干涉儀結(jié)構(gòu)的傅里葉變換光譜儀則是通過(guò)改變動(dòng)鏡與定鏡的相對(duì)位置來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)干涉光光程差的線(xiàn)性調(diào)制的。同時(shí)，在使用過(guò)程中，被約束在波導(dǎo)層內(nèi)的導(dǎo)波光取代了傳統(tǒng)光譜儀中的空間自由光束，因此，本發(fā)明所涉及的基于液體折射率調(diào)制的集成光波導(dǎo)傅里葉變換光譜儀，除了具有與傳統(tǒng)基于Michelson干涉計(jì)結(jié)構(gòu)的傅里葉變換光譜儀相同的優(yōu)點(diǎn)外，還具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于集成化、小型化、環(huán)境干擾因素小的特點(diǎn)。


圖1為本發(fā)明的基于液體折射率調(diào)制的集成光波導(dǎo)傅里葉變換光譜儀結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本發(fā)明給出的一個(gè)具體實(shí)施方式
中所用裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為本發(fā)明給出的一個(gè)具體實(shí)施方式
中所使用的集成光波導(dǎo)干涉計(jì)芯片的一種結(jié)構(gòu)一平面復(fù)合光波導(dǎo)偏振極化干涉計(jì)芯片；圖4為本發(fā)明給出的一個(gè)具體實(shí)施方式
中集成光波導(dǎo)干涉計(jì)芯片表面液體折射率隨時(shí)間的變化關(guān)系圖；圖5為本發(fā)明給出的一個(gè)具體實(shí)施方式
中，當(dāng)樣品池中的液體從去離子水變至重量比為1. 2% NaCl水溶液時(shí)，光探測(cè)器監(jiān)測(cè)到的干涉圖樣示意圖；圖6為對(duì)圖5所示的干涉圖樣進(jìn)行離散傅里葉變換得到的譜圖，它是關(guān)于采樣點(diǎn)與光功率的譜圖；圖7為平面復(fù)合光波導(dǎo)偏振極化干涉計(jì)芯片TE，TM導(dǎo)模有效折射率與表面液體折射率關(guān)系的理論仿真圖；圖8為對(duì)圖6橫軸進(jìn)行波長(zhǎng)標(biāo)定后的光源光譜圖，它是關(guān)于波長(zhǎng)與光功率的譜圖；圖9為本發(fā)明給出的一個(gè)具體實(shí)施方式
中，當(dāng)樣品池中的液體從去離子水變至重量比為9% NaCl水溶液時(shí)，光探測(cè)器監(jiān)測(cè)到的干涉圖樣示意圖；圖10為對(duì)圖9所示的干涉圖樣進(jìn)行離散傅里葉變換反演后的光源光譜圖。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明的基于液體折射率調(diào)制的集成光波導(dǎo)傅里葉變換光譜儀具有與集成光波導(dǎo)生化傳感器相同的結(jié)構(gòu)。如圖1所示，為本發(fā)明基于液體折射率調(diào)制的集成光波導(dǎo)傅里葉變換光譜儀的結(jié)構(gòu)示意圖，它包括光源1、集成光波導(dǎo)干涉計(jì)芯片2、光探測(cè)器3、數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)4、樣品池5、流控進(jìn)樣系統(tǒng)6。其中集成光波導(dǎo)干涉計(jì)芯片2是該光譜儀的核心部件。樣品池5固定在集成光波導(dǎo)干涉計(jì)芯片2表面，流控進(jìn)樣系統(tǒng)6與樣品池5相通連。 光源1發(fā)射的光經(jīng)棱鏡耦合(或光柵耦合或端面耦合)進(jìn)入集成光波導(dǎo)干涉計(jì)芯片2成為導(dǎo)波光，流控進(jìn)樣系統(tǒng)6將樣品溶液泵入樣品池5，改變樣品池5內(nèi)液體折射率，從而引起導(dǎo)波光位相差。從集成光波導(dǎo)干涉計(jì)芯片2耦合輸出的干涉光信號(hào)被光探測(cè)器3接收，光探測(cè)器3產(chǎn)生的電信號(hào)被傳輸至與光探測(cè)器3相連的數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)4對(duì)干涉圖樣進(jìn)行分析并做傅里葉變換重建輸入光光譜。本發(fā)明的基于液體折射率調(diào)制的集成光波導(dǎo)傅里葉變換光譜儀，具有與基于 Michelson干涉儀結(jié)構(gòu)的傅里葉變換光譜儀相類(lèi)似的光譜反演重建原理。當(dāng)輸入光為單色光時(shí)，經(jīng)過(guò)集成光波導(dǎo)干涉計(jì)芯片2后輸出干涉光強(qiáng)度為Iout = Iin[l+cos(A φ)] = Iin[l+cos (2 Ji ν 1)](1)其中，Iin為輸入光強(qiáng)，Δ φ為發(fā)生干涉的導(dǎo)模相位差，ν = +為波數(shù)，I = LAN^
A
光程差，L為光波導(dǎo)干涉計(jì)芯片的敏感窗口長(zhǎng)度，ΔN為導(dǎo)模有效折射率的變化。當(dāng)樣品池 5內(nèi)液體折射率發(fā)生變化時(shí)，導(dǎo)波有效折射率跟隨發(fā)生變化，致使干涉光光程差產(chǎn)生變化， 即實(shí)現(xiàn)光波導(dǎo)表面液體折射率對(duì)干涉光光程差的調(diào)制。同樣，當(dāng)輸入光為多色光時(shí)，經(jīng)過(guò)集成光波導(dǎo)干涉計(jì)芯片2后，其干涉光強(qiáng)分布為Iliul(I)= \dl{l,v)= \lm{v)[\ + cos{2nvl)}iv(2)
O上式包含兩個(gè)部分第一部分與光程差1無(wú)關(guān)，代表干涉信號(hào)的直流成份；第二部分與光程差有關(guān)，代表干涉光信號(hào)的交流成份。實(shí)際應(yīng)用中，可以單獨(dú)提取交流部分進(jìn)行分析，所以有
OOIout(I)= \lm(v)cos(2nvl)dv(3)
O根據(jù)傅里葉變換的定義，上式可以寫(xiě)成
1 +00 1 +00 1
LAO = - ιη(ν)οο3(2πν1) ν = - [/, (ν)exp(y2^l)dv = {/, (κ)} (4)
2 J 2 J 2
-oo-oo相應(yīng)的
+oo+oo
W = 2 jloul(l)cos(2^l)dl = 2 \loul{l)^V{-j2nvl)dl = 2廣{/ ,(/)}(5)
-co-co由式( 和式(6)可知，多色光的干涉光強(qiáng)分布與其波數(shù)功率譜之間互為傅里葉變換。只要對(duì)光探測(cè)器3監(jiān)測(cè)到的干涉圖樣的強(qiáng)度分布進(jìn)行一維傅里葉變換就可以得到光源的光功率譜分布。與其他類(lèi)型傅里葉變換光譜儀，尤其是動(dòng)鏡Michelson干涉計(jì)傅里葉變換光譜儀不同的是，本發(fā)明所提及的基于液體折射率調(diào)制的集成光波導(dǎo)傅里葉變換光譜儀，不包含運(yùn)動(dòng)部件，是靠改變光波導(dǎo)表面的液體折射率來(lái)改變干涉光光程差的，光程差可以寫(xiě)成1 = L Δ N = LC1 Δ nc(6)
其中，C1S常數(shù)，Δη。為液體折射率的變化。在一定的液體折射率變化范圍內(nèi)，導(dǎo)模有效折射率的變化ΔΝ與液體折射率的變化Δη。具有良好的線(xiàn)性關(guān)系。如若采用合適的流控進(jìn)樣系統(tǒng)6可以使樣品池5內(nèi)液體折射率隨時(shí)間線(xiàn)性增加或線(xiàn)性減小，即1 = LAN = LC1C2I(7)其中，C2為常數(shù)，t為時(shí)間。需要指出的是，本發(fā)明所提出的基于液體折射率調(diào)制的集成光波導(dǎo)傅里葉變換光譜儀，其核心部件集成光波導(dǎo)干涉計(jì)芯片2可以有多種結(jié)構(gòu)形式光波導(dǎo)馬赫一曾德?tīng)柛缮嬗?jì)芯片[RG. Heideman, P. V. Lambeck, Sensorsand Actuators B 61(1999) 100—127·]、 光波導(dǎo)楊氏干涉計(jì)芯片[K. Schmitt, B. Schirmer, C. Hoffmann, A. Brandenburg, and P.Meyrueis, Biosens.Bioelectron. 22 (2007) 2591-2597 ；Graham H.Cross, Andrew Reeves, Stuart Brand, Marcus J. Swann, Louise L.Peel, Neville J. Freeman, and Jian R. Lu，J. Phys. D =Appl. Phys. 37 (2004) 74-80.]、光波導(dǎo)偏振極化干涉計(jì)芯片[Zhi-mei Qi, Kiminori Itoh,Masayuki Murabayashi, andHiroyuki Yanagi, J. Ligthwave Techn. 18(8) (2000) 1106-1110.]、光波導(dǎo)邁克爾遜干涉計(jì)芯片[Shyh-Lin Tsao,and Shin-Ge Lee,Opt. and Quantum Electron. 36 Q004) 309-320.]、光波導(dǎo)法布里-珀羅干涉計(jì)芯片[Kinrot Noam, Nathan Menachem, J. Ligthwave Techn. 24 (5) (2006) 2139-2145.]、雙模干涉型光波導(dǎo)芯片[Sergey S. Sarkisov, Darnell Ε. Diggs, Grigory Adamovsky, and Michael J. Curley, App 1. Opt. 40(3) (2001)349-359.]等干涉計(jì)結(jié)構(gòu)。從公開(kāi)的文獻(xiàn)中尚未發(fā)現(xiàn)與本發(fā)明的基于液體折射率調(diào)制的集成光波導(dǎo)傅里葉變換光譜儀相類(lèi)似的方法和裝置。實(shí)際操作中，光譜儀可以采用如圖2所示的結(jié)構(gòu)，圖2為本發(fā)明給出的一個(gè)具體實(shí)施方式
中所用裝置的結(jié)構(gòu)示意圖，圖中1為光源，2為集成光波導(dǎo)干涉計(jì)芯片，3為光探測(cè)器，4為數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)，5為樣品池，61為容器1，62為容器2，63為微型蠕動(dòng)泵1，64為微型蠕動(dòng)泵2，65為攪拌子，61 65組成了圖1中的流控進(jìn)樣系統(tǒng)6，7為45°檢偏器，8為輸入耦合棱鏡，9為輸出耦合棱鏡。本發(fā)明的集成光波導(dǎo)干涉計(jì)芯片2采用了基于平面復(fù)合光波導(dǎo)的偏振極化干涉計(jì)芯片[Zhi-mei Qi, Kiminori Itoh, Masayuki Murabayashi, and HiroyukiYanagi, J. Ligthwave Techn. 18(8) (2000) 1106-1110.]。該芯片的結(jié)構(gòu)如圖3所示，為本發(fā)明給出的一個(gè)具體實(shí)施方式
中所使用的集成光波導(dǎo)干涉計(jì)芯片2的一種結(jié)構(gòu)一平面復(fù)合光波導(dǎo)偏振極化干涉計(jì)芯片，圖中21為玻璃襯底，22為玻璃襯底上表面采用離子交換技術(shù)制作的導(dǎo)波層，23為兩端具有楔形結(jié)構(gòu)的高折射率梯度薄膜。通過(guò)離子交換技術(shù)在玻璃基底表面交換一層折射率較玻璃基底略高的導(dǎo)波層22，然后在導(dǎo)波層上濺射一層長(zhǎng)度為L(zhǎng)且兩端具有楔形結(jié)構(gòu)的高折射率梯度薄膜23 (如二氧化鈦、五氧化二鉭等)，精確控制該薄膜的厚度， 使其只支持橫電(TE)導(dǎo)模的傳輸而不支持橫磁(TM)導(dǎo)模的傳輸。首先采用波長(zhǎng)為633nm的紅光作為單色光源1，光源1發(fā)出的光經(jīng)輸入耦合棱鏡 8耦合后沿著光波導(dǎo)傳播，當(dāng)傳播至高折射梯度薄膜23的楔形區(qū)域時(shí)，導(dǎo)波光中的TE導(dǎo)模將被耦合進(jìn)該薄膜23中傳播，并與薄膜23上部樣品池5內(nèi)作為表面覆蓋層的液體發(fā)生相互作用，然后又通過(guò)梯度薄膜23另一側(cè)的楔形區(qū)域耦合進(jìn)光波導(dǎo)。TE導(dǎo)模與表面液體發(fā)生相互作用時(shí)，等效折射率改變了 ΔΝτε。而導(dǎo)波光中的TM導(dǎo)模在高折射率梯度薄膜23中是截止的，只能沿著光波導(dǎo)傳播，它與表面液體發(fā)生相互作用的程度較TE導(dǎo)模要弱的多， 相互作用后等效折射率改變了 ΔΝΤΜ，可以作為參比量。TE導(dǎo)模與TM導(dǎo)模經(jīng)輸出耦合棱鏡
9耦合后一同從光波導(dǎo)中輸出，兩者之間存在著Δ0 =-的相位差，同時(shí)
A
經(jīng)過(guò)45°的檢偏器7后兩者發(fā)生干涉，使用光探測(cè)器3探測(cè)干涉光位相隨時(shí)間的變化，再通過(guò)數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)4對(duì)干涉圖樣進(jìn)行分析處理。在操作過(guò)程中，要求樣品池5中溶液的折射率隨時(shí)間均勻變化。具體操作如下容器61中裝有ImL質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6%的NaCl水溶液，容器62中裝有4mL去離子水。先開(kāi)啟蠕動(dòng)泵64將去離子水從容器62中勻速循環(huán)注入注出樣品池5，然后用蠕動(dòng)泵63將6% NaCl 水溶液從容器61中勻速泵入容器62，同時(shí)使用攪拌子65攪拌溶液，使溶液均勻混合。然后蠕動(dòng)泵64將稀釋后的NaCl溶液循環(huán)泵入泵出樣品池5。調(diào)節(jié)兩個(gè)蠕動(dòng)泵63、64的泵速
1 vyj J
使9秒鐘后樣品池5中的溶液從去離子水變成質(zhì)量分?jǐn)?shù)為t ^ 4 Γ Χ 6% = 1.2%的NaCl水
\mL + 4ml
溶液，這一過(guò)程中液體折射率變化了 Δη。= Hl20^-nwater = 0. 0021297.液體折射率的變化 Anc和時(shí)間t的關(guān)系如圖4所示。可得式(8)中的常數(shù)C2 = 0. 0002366。當(dāng)平面復(fù)合光波導(dǎo)高折射率梯度薄膜23表面的液體從去離子水變化到1. 2%的 NaCl溶液時(shí)，光探測(cè)器3監(jiān)測(cè)到的干涉圖樣如圖5所示，從圖5中可知在這一過(guò)程中輸出光相位改變了大約8π。對(duì)所得干涉圖樣進(jìn)行離散傅里葉變換，結(jié)果如圖6所示。這是關(guān)于干涉圖樣的采樣點(diǎn)數(shù)與光源功率的光譜圖，并不是最終需要的關(guān)于波長(zhǎng)一光功率的光譜圖，因此還需要將該光譜圖的橫軸與波長(zhǎng)進(jìn)行對(duì)應(yīng)。這就需要知道式(8)中的光波導(dǎo)敏感窗口的長(zhǎng)度L，常數(shù)C1和C2。其中L = 10mm, C2 = 0. 0002366, C1待求。根據(jù)導(dǎo)波光學(xué)理論可知，當(dāng)液體折射率變化時(shí)，導(dǎo)模的有效折射率也要發(fā)生變化。對(duì)于平面復(fù)合光波導(dǎo)偏振極化干涉計(jì)芯片來(lái)說(shuō)，TE導(dǎo)模的有效折射率和TM導(dǎo)模的有效折射率都隨表面液體折射率發(fā)生變化。平面復(fù)合光波導(dǎo)偏振極化干涉計(jì)芯片的襯底 21、波導(dǎo)層22、高折射率梯度薄膜M、表面液體構(gòu)成了四層平板結(jié)構(gòu)，對(duì)此結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真得到如圖7所示的理論值。從圖7中可知當(dāng)高折射率梯度薄膜23表面液體折射率η。在 1. 33到1. 37范圍內(nèi)變化時(shí)，TE和TM導(dǎo)模的有效折射率的變化都是接近線(xiàn)性的。且C1 = 0.1149530-0. 0031479 = 0. 118051。將L，C1, C2的值帶入式(7)并對(duì)圖6所示的光譜圖做波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)，得到圖8所示的光譜圖，從圖8中可看出光譜譜峰出現(xiàn)在639. 2納米處，雖然與已知光源的波長(zhǎng)稍有偏差， 但是該譜圖仍然能夠很好的說(shuō)明由干涉圖樣可以反演出光源的功率譜，只不過(guò)圖8中的譜峰較寬，這與干涉圖樣的周期數(shù)目有關(guān)，如若提高樣品池5內(nèi)溶液濃度變化范圍可以增加干涉周期，減小譜峰寬度，提高光譜儀分辨率。圖9所示為樣品池5內(nèi)濃度為9% NaCl水溶液時(shí)的干涉圖樣，圖10所示為反演后的光譜圖。對(duì)比圖8和圖10發(fā)現(xiàn)，圖10中譜峰位置較圖8中的譜峰位置更接近光源波長(zhǎng)，且圖10的譜峰寬度要比圖8的譜峰寬度窄，光譜儀分辨率有所提高。將光源從紅光擴(kuò)展為多色光時(shí)，這種基于液體折射率調(diào)制的方法依然適用。此外，本發(fā)明的基于液體折射率調(diào)制的集成光波導(dǎo)傅里葉光譜儀還具有確定光波導(dǎo)參數(shù)的作用。當(dāng)光源1為固定波長(zhǎng)的單色光時(shí)，對(duì)測(cè)得的干涉圖樣進(jìn)行傅里葉變換。通過(guò)比較傅里葉變換譜圖與已知波長(zhǎng)單色光源的發(fā)射譜圖，并結(jié)合導(dǎo)波光學(xué)理論，可以確定光波導(dǎo)的相關(guān)參數(shù)(如導(dǎo)波層22厚度，導(dǎo)波層22上表面高折射率薄膜23厚度等)。例如，使用波長(zhǎng)為633nm的紅光作為光源1，同時(shí)樣品池5內(nèi)液體從去離子水變?yōu)橹亓勘葹?. 2%的 NaCl水溶液，在這一過(guò)程中液體折射率隨時(shí)間均勻變化，得到式(7)中的C2 = 0. 0002366。 樣品池5內(nèi)溶液濃度的改變致使光探測(cè)器3監(jiān)測(cè)到如圖5所示的干涉圖樣，對(duì)此干涉圖樣做離散傅里葉變換得到如圖6所示的譜圖，這是關(guān)于采樣點(diǎn)與光源功率的譜圖，該譜圖在相應(yīng)的采樣點(diǎn)處出現(xiàn)了一個(gè)譜峰。這一譜峰理應(yīng)出現(xiàn)在633nm波長(zhǎng)處，因此要利用式(7) 將該采樣點(diǎn)與633nm對(duì)應(yīng)。式(7)中L = 10mm, C2 = 0. 0002366，再結(jié)合λ = 633nm，可以反推出C1 = 0. 118051。在C1，襯底21折射率(ns)，導(dǎo)波層22折射率(nf)，導(dǎo)波層22厚度 (h)，梯度薄膜23折射率(nTiJ已知的情況下，根據(jù)光波導(dǎo)四層平板結(jié)構(gòu)的導(dǎo)波方程就可以確定出高折射率梯度薄膜23的厚度(hTiJ。同理如若hTi()2已知，而導(dǎo)波層22厚度h未知， 依據(jù)該方法同樣可以確定導(dǎo)波層22厚度h。
權(quán)利要求
1.一種基于液體折射率調(diào)制的集成光波導(dǎo)傅里葉變換光譜儀，包括光源、集成光波導(dǎo)干涉計(jì)芯片、光探測(cè)器、樣品池、流控進(jìn)樣系統(tǒng)、數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)；其特征在于，樣品池固定在光波導(dǎo)干涉計(jì)芯片表面，流控進(jìn)樣系統(tǒng)與樣品池相通連；光源發(fā)射的光經(jīng)棱鏡耦合進(jìn)入集成光波導(dǎo)干涉計(jì)芯片成為導(dǎo)波光，從集成光波導(dǎo)干涉計(jì)芯片耦合輸出的干涉光信號(hào)被光探測(cè)器接收，光探測(cè)器產(chǎn)生的電信號(hào)被傳輸至與光探測(cè)器相連的數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)進(jìn)行處理，實(shí)現(xiàn)對(duì)輸入光譜的反演重建。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于液體折射率調(diào)制的集成光波導(dǎo)傅里葉變換光譜儀，其特征在于，所述集成光波導(dǎo)干涉計(jì)芯片，為光波導(dǎo)馬赫一曾德?tīng)柛缮嬗?jì)芯片、光波導(dǎo)楊氏干涉計(jì)芯片、光波導(dǎo)偏振極化干涉計(jì)芯片、光波導(dǎo)邁克爾遜干涉計(jì)芯片、光波導(dǎo)法布里-珀羅干涉計(jì)芯片、雙模干涉型光波導(dǎo)芯片其中的一種，或是上述干涉計(jì)芯片的變形結(jié)構(gòu)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于液體折射率調(diào)制的集成光波導(dǎo)傅里葉變換光譜儀，其特征在于，所述光源發(fā)射的光或經(jīng)光柵耦合或經(jīng)端面耦合。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于液體折射率調(diào)制的集成光波導(dǎo)傅里葉變換光譜儀，其特征在于，所述光譜儀被使用或測(cè)試時(shí)，利用流控進(jìn)樣系統(tǒng)改變樣品池內(nèi)的液體折射率，使折射率隨時(shí)間均勻變化。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或4所述的基于液體折射率調(diào)制的集成光波導(dǎo)傅里葉變換光譜儀， 其特征在于，所述樣品池和流控進(jìn)樣系統(tǒng)，為采用微機(jī)械加工工藝制作而成。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的基于液體折射率調(diào)制的集成光波導(dǎo)傅里葉變換光譜儀， 其特征在于，通過(guò)調(diào)節(jié)集成光波導(dǎo)干涉計(jì)芯片的敏感窗口長(zhǎng)度改善光譜儀分辨率，當(dāng)敏感窗口在0-20mm之間變化時(shí)，窗口長(zhǎng)度越長(zhǎng)，光譜儀分辨率越高。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于液體折射率調(diào)制的集成光波導(dǎo)傅里葉變換光譜儀，其特征在于，通過(guò)擴(kuò)展樣品池內(nèi)液體折射率的變化范圍提高光譜儀的分辨率。
8.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的基于液體折射率調(diào)制的集成光波導(dǎo)傅里葉變換光譜儀， 其特征在于，所述集成光波導(dǎo)干涉計(jì)芯片表面設(shè)有一層梯度結(jié)構(gòu)的高折射率薄膜，以增強(qiáng)集成光波導(dǎo)干涉計(jì)芯片的消逝場(chǎng)強(qiáng)度，提高光譜儀的分辨率。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的基于液體折射率調(diào)制的集成光波導(dǎo)傅里葉變換光譜儀，其特征在于，所述高折射率薄膜，為二氧化鈦、五氧化二鉭薄膜。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于液體折射率調(diào)制的集成光波導(dǎo)傅里葉變換光譜儀，其特征在于，通過(guò)使用已知波長(zhǎng)的單色光源結(jié)合光譜反演計(jì)算方法，確定光波導(dǎo)的相關(guān)參數(shù)； 當(dāng)光源為固定波長(zhǎng)的單色光時(shí)，對(duì)測(cè)得的干涉圖樣進(jìn)行傅里葉變換，通過(guò)比較傅里葉變換譜圖和已知波長(zhǎng)單色光源的發(fā)射譜圖，結(jié)合導(dǎo)波光學(xué)理論，確定光波導(dǎo)的相關(guān)參數(shù)。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的基于液體折射率調(diào)制的集成光波導(dǎo)傅里葉變換光譜儀，其特征在于，所述光波導(dǎo)的相關(guān)參數(shù)，為導(dǎo)波層厚度、導(dǎo)波層上表面的高折射率薄膜厚度。
12.根據(jù)權(quán)利要求1或4所述的基于液體折射率調(diào)制的集成光波導(dǎo)傅里葉變換光譜儀， 其特征在于，所述流控進(jìn)樣系統(tǒng)，包括兩容器、兩微型蠕動(dòng)泵、一攪拌子及管道；其中，一微型蠕動(dòng)泵入口經(jīng)管道與一容器相通聯(lián)，容器內(nèi)有NaCl水溶液，出口經(jīng)管道與另一容器相通聯(lián)，另一容器內(nèi)有去離子水；另一容器的兩端分別經(jīng)管道與樣品池相通聯(lián)，一管道中接有另一微型蠕動(dòng)泵，使另一容器內(nèi)溶液與樣品池內(nèi)溶液經(jīng)另一微型蠕動(dòng)泵、管道形成環(huán)路；另一容器內(nèi)設(shè)有一攪拌子。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的基于液體折射率調(diào)制的集成光波導(dǎo)傅里葉變換光譜儀，其特征在于，所述NaCl水溶液，為ImL質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6%的NaCl水溶液；去離子水為4mL。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種基于液體折射率調(diào)制的集成光波導(dǎo)傅里葉變換光譜儀，涉及光MEMS加工技術(shù)、集成光波導(dǎo)傳感技術(shù)和數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)，包括光源、集成光波導(dǎo)干涉計(jì)芯片、光探測(cè)器、樣品池、流控進(jìn)樣系統(tǒng)、數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)；其樣品池固定在光波導(dǎo)干涉計(jì)芯片表面，流控進(jìn)樣系統(tǒng)與樣品池相通連；光源發(fā)射的光經(jīng)棱鏡耦合(或光柵耦合或端面耦合)進(jìn)入集成光波導(dǎo)干涉計(jì)芯片成為導(dǎo)波光，從集成光波導(dǎo)干涉計(jì)芯片耦合輸出的干涉光信號(hào)被光探測(cè)器接收，光探測(cè)器產(chǎn)生的電信號(hào)被傳輸至與光探測(cè)器相連的數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)進(jìn)行處理，實(shí)現(xiàn)對(duì)輸入光譜的反演重建。本發(fā)明方法新穎，裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用方便、體積小、重量輕、制作容易。
文檔編號(hào)G01J3/433GK102192785SQ201010128358
公開(kāi)日2011年9月21日 申請(qǐng)日期2010年3月17日 優(yōu)先權(quán)日2010年3月17日
發(fā)明者祁志美, 逯丹鳳, 陳方 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院電子學(xué)研究所