CN102507004B - 一种提高特征峰附近光谱分辨率的拉曼光谱仪芯片 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种提高特征峰附近光谱分辨率的拉曼光谱仪芯片，它包括一基板、一第一级阵列波导光栅、一第二级N个阵列波导光栅、一光传导件、一光电探测器阵列和一输入光纤，所述第二级N个阵列波导光栅具有波导阵列输出。拉曼散射光经输入光纤进入第一级阵列波导光栅以分光为N个不同波长的输出光，N个输出光分别进入第二级的N个阵列波导光栅再次分光，使特定波长的光在波导阵列输出的特定波导输出，经光传导件传导再照射在光电探测器阵列的特定像元以转化成数字信号，所述特定波长、特定波导、特定像元一一对应。它具有如下优点：采用级联阵列波导光栅实现分光功能，价格低、体积小，重量轻，能够批量生产。
Description
技术领域
本发明涉及一种提高特征峰附近光谱分辨率的拉曼光谱仪芯片。
背景技术
微型拉曼光谱仪能够测定特定的化学成分，在食品安全、医疗卫生、环境检测等领域具有广阔的应用前景。微型拉曼光谱仪已有很多商用产品，但这些产品在应用中还存在着价格高、波长分辨率低、体积重量大等缺点，如美国AhuraScientific公司的微型拉曼频谱仪，美国DeltaNu公司的掌上型拉曼光谱仪等，其结构与传统的拉曼光谱仪的结构相同，是大型光谱仪的小型化，但在小型化的同时也造成了光学性能的降低。
发明内容
本发明提供了一种提高特征峰附近光谱分辨率的拉曼光谱仪芯片，其克服了背景技术中拉曼光谱仪所存在的体积大、价格高、光谱分辨率低等不足。
本发明解决其技术问题的所采用的技术方案是：
一种提高特征峰附近光谱分辨率的拉曼光谱仪芯片，它包括一基板（10）、一第一级阵列波导光栅（20）、一第二级N个阵列波导光栅（30）、一光传导件（40）、一光电探测器阵列（50）和一输入光纤（60），所述第一级阵列波导光栅（20）、第二级N个阵列波导光栅（30）、光传导件（40）和光电探测器阵列（50）都设在基板（10）上,所述第二级N个阵列波导光栅（30）具有波导阵列输出（70）;
拉曼散射光经输入光纤（60）进入第一级阵列波导光栅（20）以分光为N个不同波长的输出光，N个输出光分别进入第二级的N个阵列波导光栅（30）以再次分光，使特定波长的光在波导阵列输出（70）的特定波导输出，经光传导件（40）传导再照射在光电探测器阵列（50）的特定像元以转化成数字信号，所述特定波长、特定波导、特定像元一一对应。
一较佳实施例之中：所述基板（10）选用硅片。
一较佳实施例之中：所述光传导件（40）采用斜面镜。
一较佳实施例之中：它还包括一楔形波导（80），所述楔形波导（80）设在基板（10）上，且，耦合在输入光纤（60）和第一级阵列波导光栅（20）间，从而降低光的耦合和传输损耗。
一较佳实施例之中：所述基板（10）和光电探测器阵列（50）通过光学树脂对准粘合在一起。
本技术方案与背景技术相比，它具有如下优点：
1、采用级联阵列波导光栅实现分光功能，第一级阵列波导光栅完成第一级分光后，根据针对的化学物质检测需求，第一级阵列波导光栅的N个输出光作为第二级的N个阵列波导光栅的输入光波导，由第二级的N个阵列波导光栅进行第二次分光，则能产生如下技术效果：a、能在较高灵敏度条件下在N个特征峰（N个波长段，该N个波长段与一种或多种目标检测物质的特征峰一一对应）附近实现较高的波长分辨率，尤其适合于采用拉曼光谱对一种或多种化学物质的痕量检测；b、无需较大的光程差就可在数个特征峰附近实现较高的光谱分辨率，有效减小了光谱仪的体积和重量。和F-P腔相比，可以在不减弱光强的条件下实现分光，尤其适合拉曼光谱中微弱散射光的检测；c、具有无需繁琐的光学对准，抗震动，冲击能力强，稳定可靠的特点；d、价格低、体积小，重量轻，能够批量生产。
2、输入光纤和阵列波导光栅通过楔形波导连接，从而降低光的耦合和传输损耗。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
图1绘示了一较佳实施例的拉曼光谱仪芯片的示意图。
具体实施方式
请查阅图1，一种提高特征峰附近光谱分辨率的拉曼光谱仪芯片，它包括一基板10、一第一级阵列波导光栅20、一第二级N个阵列波导光栅30、一光传导件40、一光电探测器阵列50、一输入光纤60和一楔形波导80。所述第二级N个阵列波导光栅30包括并列的N个阵列波导光栅，所述第二级N个的每个阵列波导光栅30都具有波导阵列输出70。所述第一阵列波导光栅20，用于分光，以使N个不同特定波长的输出光分别进入第二级的N个阵列波导光栅30；所述第二级N个中的每个阵列波导光栅30用于对每个输出光进行再次分光，以使每个阵列波导光栅30使不同特定波长的光色散进入波导阵列输出70的不同特定波导，用于使不同特定波导输出不同特定波长的光。本实施例之中，所述基板10选用硅片，所述光传导件40采用斜面镜。
所述输入光纤60、楔形波导80、第一级阵列波导光栅20、第二级N个阵列波导光栅30、斜面镜40依次耦合，使得所述拉曼散射光依次经输入光纤60、楔形波导80、第一级阵列波导光栅20、第二级N个阵列波导光栅30、斜面镜40照射在光电探测器阵列50。本实施例之中，所述第一级阵列波导光栅20和输入光纤60通过楔形波导80耦合连接，从而降低光的耦合和传输损耗。本实施例之中，所述输入光纤60可采用通常的光耦合技术，经在光学校准具上调整位置后与楔形波导80可采用通常的光学树脂粘结。
本实施例之中，所述楔形波导80、第一级阵列波导光栅20、第二级N个阵列波导光栅30和斜面镜40均采用微细加工技术制作集成在基板10表面上。本实施例之中，所述输入光纤60通过特殊光耦合工艺固定在基板10的特定位置而不能移动，此位置经设计和光学调节后保证输入光纤60的输入光接近100%地进入到楔形波导80中。本实施例之中，所述基板10和光电探测器阵列50通过光学树脂对准粘合在一起，并使得：第二N个阵列波导光栅30的波导阵列输出70中各个波导（出口通道）的位置，以及斜面镜40的形状和位置经特殊设计，使得波导阵列输出70中各个波导的输出光通过斜面镜40折射后一一对应地进入到CCD探测器阵列50的像元（探测单元）（所述光电探测器阵列50具有多个位于不同位置的像元）中。
拉曼散射光经输入光纤60、楔形波导80进入第一级阵列波导光栅20以分光为N个不同波长的输出光，N个输出光分别进入第二级的N个阵列波导光栅30以再次分光，使特定波长的光在波导阵列输出70的特定波导输出，经光传导件40传导再照射在光电探测器阵列50的特定像元以转化成数字信号（所述数字信号经信号处理电路形成拉曼光谱信息），所述特定波长、特定波导、特定像元一一对应。
本实施例涉及一种集成化、低成本的拉曼光谱仪芯片，此芯片可与通用的拉曼采样探头，激光器、收集光路、光电探测器及电路，外壳，电源系统，显示面板等结合，能设成为微型拉曼光谱仪，该拉曼光谱仪可用于食品安全，科学试验，生物医疗和环境监测等领域的化学物质的检测和分析。而且，它能采用通用光纤接头与拉曼散射光收集光路连接，无需繁琐的光学对准，抗震动，冲击能力强，稳定可靠的特点。
以上所述，仅为本发明较佳实施例而已，故不能依此限定本发明实施的范围，即依本发明专利范围及说明书内容所作的等效变化与修饰，皆应仍属本发明涵盖的范围内。
Claims (5)
1.一种提高特征峰附近光谱分辨率的拉曼光谱仪芯片，其特征在于：
它包括一基板（10）、一第一级阵列波导光栅（20）、一第二级N个阵列波导光栅（30）、一光传导件（40）、一光电探测器阵列（50）和一输入光纤（60），所述第一级阵列波导光栅（20）、第二级N个阵列波导光栅（30）、光传导件（40）和光电探测器阵列（50）都设在基板（10）上,所述第二级N个阵列波导光栅（30）具有波导阵列输出（70）;
拉曼散射光经输入光纤（60）进入第一级阵列波导光栅（20）以分光为N个不同波长的输出光，N个输出光分别进入第二级的N个阵列波导光栅（30）以再次分光，使特定波长的光在波导阵列输出（70）的特定波导输出，经光传导件（40）传导再照射在光电探测器阵列（50）的特定像元以转化成数字信号，所述特定波长、特定波导、特定像元一一对应。
2.根据权利要求1所述的一种提高特征峰附近光谱分辨率的拉曼光谱仪芯片，其特征在于：所述基板（10）选用硅片。
3.根据权利要求1所述的一种提高特征峰附近光谱分辨率的拉曼光谱仪芯片，其特征在于：所述光传导件（40）采用斜面镜。
4.根据权利要求1或2或3所述的一种提高特征峰附近光谱分辨率的拉曼光谱仪芯片，其特征在于：它还包括一楔形波导（80），所述楔形波导（80）设在基板（10）上，且，耦合在输入光纤（60）和第一级阵列波导光栅（20）间，从而降低光的耦合和传输损耗。
5.根据权利要求4所述的一种提高特征峰附近光谱分辨率的拉曼光谱仪芯片，其特征在于：所述基板（10）和光电探测器阵列（50）通过光学树脂对准粘合在一起。
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