CN101476936B - 一种基于法-珀腔阵列式微型光谱仪 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于法-珀腔阵列式微型光谱仪。传统光谱仪器使用条件苛刻、体积庞大，限制了其应用范围。本发明包括阵列排列的多个不同厚度的电光材料板，每个电光材料板的上、下表面镀有上、下层反射膜，构成法-珀腔单元，阵列排列的法-珀腔单元构成法-珀腔阵列。每个法-珀腔单元中上层反射膜镀有增透膜，下层反射膜与探测器紧密连接；每个法-珀腔单元中上层反射膜与对应的电压源的正极连接，下层反射膜与负极连接。透镜设置在法-珀腔阵列的正上方，光源设置在透镜的上方焦点处。本发明具有可多通道并行检测光谱信号，分析速度快、加工难度低、可靠性高、灵活性强、灵敏度高、动态范围大等特点。

Description

一种基于法-珀腔阵列式微型光谱仪

技术领域

本发明属于光谱分析技术领域，涉及一种光谱仪，特别涉及一种基于法-珀腔阵列式微型光谱仪。

背景技术

光谱仪器是应用光学原理和光谱技术，对物质的化学组成及含量进行检测的重要分析仪器，具有分析精度高、测量范围大、速度快等优点，广泛应用于现代科学实验、工农业生产、冶金、地质、石油化工、医药卫生、环境保护、宇宙探索、国防等领域，已形成了几十亿美圆规模的产业。

由于传统光谱仪器使用条件苛刻、体积庞大，因而大大地限制了其应用范围。近年来随着生物医学、航空航天、环境监测、科技农业、军事分析以及工业流程监控等领域的现代化发展，对光谱仪器提出了小型化、微型化、集成化的要求，希望其携带方便、抗振动干扰能力强、性能稳定可靠、功耗小、电压低、使用方便灵活、性能价格比高，且能快速、实时、直观地获取光谱信号。因此，小型化、微型化光谱仪器的研究成了世界各国的研究热点和趋势。

目前，小型化光谱仪的研究已取得了较好进展，并已得到较为广泛的应用。但是，生物医学等领域迫切需要的微型光谱仪在国际上尚处于研究阶段。

从现有公开的基于法-珀腔的微型光谱仪报导中，美国东北大学、西班牙的学者Carlos Calaza都研究过基于法-珀腔的微型光谱仪，但这些方案中，为改变法-珀腔的折射率，是通过改变上下极板的距离而实现的，由于存在运动部件，其制造难度和可靠性、重复性都还需要进行进一步的研究。

重庆大学于2003年公布了一种基于法-珀腔的微型光谱仪的专利(申请号：03117658.5；公开号：CN1442677A)，但该方案，法-珀腔只能通过预先设计好的、单一波长的光谱，不能对被测光进行光谱扫描。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种高光通量、高灵敏、体积很小、高可靠的阵列式微型光谱仪。

为达到以上目的，本发明通过以下技术手段实现：

该光谱仪包括阵列排列的多个不同厚度的电光材料板，每个电光材料板的上表面镀有上层反射膜，下表面镀有下层反射膜，每个电光材料板以及对应的上层反射膜和下层反射膜构成法-珀腔单元，所有法-珀腔单元构成法-珀腔阵列。每个法-珀腔单元中上层反射膜的上表面镀有增透膜，每个法-珀腔单元中下层反射膜的下表面与探测器紧密连接；每个法-珀腔单元中上层反射膜与对应的电压源的正极连接，下层反射膜与对应的电压源的负极连接。透镜设置在法-珀腔阵列的正上方，透镜的直径大于法-珀腔阵列的最大径，透镜增透膜镀在透镜的上表面，光源设置在透镜的上方焦点处。上层反射膜和下层反射膜的材料为铝或金。

本发明所提供的微型光谱仪，充分利用了基于法-珀腔原理微型光谱仪的优点，并且没有活动部件，因此可靠性、重复性都会得到很大提高。本发明具有可多通道并行检测光谱信号，分析速度快，加工难度低，可靠性高，各通道参数可独立设计，灵活性强，检测灵敏度高，动态范围大等特点，在生化分析、医疗诊断、工农业检测、环境监测以及航空航天等领域有广泛的应用前景。

附图说明：

图1是本发明的结构示意图。

具体实施方式：

下面将结合附图和实施例对本发明做进一步详述。

如图1，基于法-珀腔的微型光谱仪包括阵列排列的多个不同厚度的电光材料板1，每个电光材料板1的上表面镀有上层反射膜9，下表面镀有下层反射膜2，每个电光材料板1以及对应的上层反射膜9和下层反射膜2构成法-珀腔单元，所有法-珀腔单元构成法-珀腔阵列。每个法-珀腔单元中上层反射膜9的上表面镀有增透膜10，每个法-珀腔单元中下层反射膜2的下表面与探测器3紧密连接；每个法-珀腔单元中上层反射膜9与对应的电压源4的正极连接，下层反射膜2与对应的电压源4的负极连接。透镜5设置在法-珀腔阵列的正上方，透镜5的直径大于法-珀腔阵列的最大径，透镜增透膜6镀在透镜5的上表面，光源7设置在透镜5的上方焦点处。

光源7发出的被测光经过透镜5的准直，将入射光线变为平行光；入射的平行光经过法-珀腔的分光，将入射光变为光谱信号；改变电压源4的电压，可以改变电光材料的折射率，也就改变了可以通过法-珀腔的波长；记录下随电压变化的光谱信号；光谱分析软件可以对光谱信号进行融合和分析，给出被测光的光谱图。在系统参数设计时，可参考公式(1)、(2)、(3)进行设计。

典型的折射率可随两端电压变化而改变的材料是具有电光效应的材料，如液晶、电光晶体、某些有机聚合物等，在不同电场下，具有不同的折射率。利用电光材料作为法-珀腔的谐振腔，就可以通过对电光材料电场的控制，使其折射率改变，来控制透过法-珀腔的波长。法-珀腔的透射峰处的波长λ₀可由下式决定：

λ₀＝2nL/m    (1)

式中，n为电光材料的折射率，L为腔厚，m为干涉级次。

在美国东北大学、西班牙的学者Carlos Calaza的方案中，是通过改变法-珀腔的厚度参数L来改变法-珀腔的透射峰处的波长λ₀。而重庆大学于2003年公布的一种基于法-珀腔的微型光谱仪专利(公开号：CN1442677A)的方案中，每个法-珀腔的参数n、L都为定值，一旦加工完成，无法再进行调整。本方案通过对电压的控制来扫描波长，使之成为真正意义上的光谱仪。

根据法-珀腔滤光片的原理，每个法-珀腔可以通过的光谱带宽可以表示为：

$\mathrm{\Δ\λ}=\frac{{2\mathrm{\λ}}_0}{\mathrm{m\π}}{\sin }^{-1}\left(\frac{1-\stackrel{\‾}{R}}{2\sqrt{\stackrel{\‾}{R}}}\right)---\left(2\right)$

式中 $\stackrel{\‾}{R}=\sqrt{R_1{R}_2},$ R₁和R₂为腔的两面反射率。通过该式可以看到，反射率越高，则法-珀腔的带宽越窄，即光谱分辨率越高。在实际设计中，可以针对不同的应用和工艺条件，确定合适的带宽及反射率。

法-珀腔的自由光谱范围是由电光材料折射率的变化范围决定的。透射峰处的波长λ₀的变化范围Δλ₀可表示为：

${\mathrm{\Δ\λ}}_0=\frac{2L}{m}\mathrm{\Δn}---\left(3\right)$

式中Δn为电光材料折射率的可变化范围。在实际设计中，可根据需要和电光材料的折射率变化范围来确定每个法-珀腔的自由光谱范围。多个法-珀腔的叠加，即阵列结构，就可扩展可测量的光谱范围。

Claims (2)

1.一种基于法-珀腔阵列式微型光谱仪，包括阵列排列的多个不同厚度的电光材料板，其特征在于：每个电光材料板的上表面镀有上层反射膜，下表面镀有下层反射膜，每个电光材料板以及对应的上层反射膜和下层反射膜构成法-珀腔单元，所有法-珀腔单元构成法-珀腔阵列；每个法-珀腔单元中上层反射膜的上表面镀有增透膜，每个法-珀腔单元中下层反射膜的下表面与探测器紧密连接；每个法-珀腔单元中上层反射膜与对应的电压源的正极连接，下层反射膜与对应的电压源的负极连接；透镜设置在法-珀腔阵列的正上方，透镜的直径大于法-珀腔阵列的最大径，透镜增透膜镀在透镜的上表面，光源设置在透镜的上方焦点处。

2.如权利要求1所述的一种基于法-珀腔阵列式微型光谱仪，其特征在于：所述的上层反射膜和下层反射膜的材料为铝或金。

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