CN103884683B - 基于f-p半导体激光器和薄膜f-p滤光片级联的光学传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于F-P半导体激光器和薄膜F-P滤光片级联的光学传感器，包括一个F-P半导体激光器、一个准直透镜、一个具有周期性滤波谱的薄膜F-P滤光片面阵列、一个成像透镜和一个探测器面阵列；所述F-P半导体激光器发出的光经准直透镜后垂直入射到薄膜F-P滤光片面阵列，透射光经成像透镜到达探测器面阵列，探测器面阵列置于成像透镜的焦平面位置处。本发明采用低成本的F-P半导体激光器作为输入光源，采用薄膜F-P滤光片面阵列和探测器面阵列直接可以同时完成对多种被测物质的信息获取工作，无需外加高分辨率的光谱仪或高波长稳定性的单模激光器，大大降低了传感器的制作成本。

Description

基于F-P半导体激光器和薄膜F-P滤光片级联的光学传感器

技术领域

本发明涉及一种光学传感器，尤其涉及一种基于F-P（法布里-珀罗）半导体激光器和薄膜F-P滤光片级联的光学传感器。

背景技术

无标记的光学传感器在生物检测，化学分析和环境监测等领域有着十分重要的应用。光学传感器可以快速、实时地监控反应过程。光学传感器具有灵敏度高、抗电磁干扰能力强等优点。常用的光学传感器有基于表面等离子体共振（SPR）的传感器，基于光波导结构的光学传感器，如单环形谐振腔，光栅波导耦合器，平面马赫-曾德尔波导干涉仪等。

这些光学传感器的基本原理都是基于金属或者波导表面的倏逝波与待测物质相互作用，并影响输出光的特性，从而实现光传感。但是这些传感器都存在各自的缺点。如SPR传感器，由于用来制备表面金属膜的材料只有金、银等少数几类，所以不利于优化改进。其灵敏度受共振峰宽度限制，这是由金属层的吸收最终决定，与工作波长有很大的关系，表明了SPR传感器装置的物理局限性。单环波导谐振腔和马赫-曾德尔波导干涉仪等平面光波导传感器，通常有基于功率和波长两种探测模式。基于功率探测，需要对激光光源的窄线宽，波长和功率的稳定性要求很高；基于波长探测需要光谱仪或者可调谐激光器，这些仪器不但体积庞大而且价格昂贵，不利于光学传感器向低成本、便携化发展的趋势,且基于光波导传感器的输入和输出光的耦合是十分困难的。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种基于F-P半导体激光器和薄膜F-P滤光片级联的光学传感器。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种基于F-P半导体激光器和薄膜F-P滤光片级联的光学传感器，包括一个F-P半导体激光器、一个准直透镜、一个具有周期性滤波谱的薄膜F-P滤光片面阵列、一个成像透镜和一个探测器面阵列；其中，所述一个具有周期性滤波谱的薄膜F-P滤光片面阵列、成像透镜以及探测器面阵列组成一个具有周期性滤波谱的滤波器面阵列；所述F-P半导体激光器的光源经过准直透镜后成为平行光，垂直入射到薄膜F-P滤光片面阵列，透射光经过成像透镜成像在探测器面阵列，探测器面阵列置于成像透镜的焦平面位置处。

进一步地，薄膜F-P滤光片面阵列的自由光谱范围与F-P半导体激光器相邻模式的频率间隔相等或相似。

进一步地，所述具有周期性滤波谱的薄膜F-P滤光片面阵列中两个高反射膜层之间的间隔层作为传感区域。

进一步地，薄膜F-P滤光片面阵列中的每一个薄膜F-P滤光片，经过成像透镜一一对应地成像在探测器面阵列中的一个探测器像元上。

本发明具有的有益效果是：本发明使用低成本的F-P半导体激光器作为输入光源，探测器阵列作为输出光的接收器；采用薄膜法F-P滤光片阵列的间隔层作为传感区域，大大增加了光与待测物质的作用距离；同时利用传输光波和待测物质相互作用，与目前利用倏逝波与待测物质相互作用的光波导型传感器相比，增加了待测物质对光学传感器输出光强的调制，从而提高传感器的灵敏度；本发明中的薄膜F-P滤光片面阵列和探测器面阵列构成一个具有周期性滤波谱的滤波器面阵列，可实现对多个样品的同时测量，无需外加可调谐单模激光器或者高分辨率的光谱仪，大大降低了成本。

附图说明

图1为本发明光学传感器的结构示意图；

图2为F-P半导体激光器输出光谱曲线；

图3为薄膜F-P滤光片透射谱曲线；

图4为F-P半导体激光器和薄膜F-P滤光片级联光学传感器输出光谱图；

图5为探测器接收到的归一化功率与传感器区域中待测物质折射率变化关系图；

图中，F-P半导体激光器1、准直透镜2、薄膜F-P滤光片面阵列3、高反射膜层31、传感区域32、成像透镜4、探测器面阵列5、滤波器面阵列51。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。

如图1所示，本发明一种基于F-P半导体激光器和薄膜F-P滤光片级联的光学传感器，包括F-P半导体激光器1、准直透镜2、薄膜F-P滤光片面阵列3、成像透镜4和探测器面阵列5。其中，所述薄膜F-P滤光片面阵列3、成像透镜4以及探测器面阵列5组成一个周期性滤波谱的滤波器面阵列51；所述薄膜F-P滤光片面阵列3中两个高反射膜层31之间的间隔层作为传感区域32。

F-P半导体激光器1的光源经过准直透镜2后成为平行光，垂直入射到薄膜F-P滤光片面阵列3，透射光经过成像透镜4，成像在探测器面阵列5，探测器面阵列5置于成像透镜4的焦平面处。

如图2所示，F-P半导体激光器1的输出光谱图，其相邻模式波长间隔λs。具有周期性薄膜F-P滤光片面阵列3的相邻谐振波长间距（自由光谱范围）FSR与激光器相邻模式波长间隔λs相同或者相近似，如图3所示，实线表示被测物质放入传感区域32之前的滤光片透射谱曲线，虚线表示被测物质放入传感区域32之后的滤光片透射谱曲线。因为当薄膜F-P滤光片阵列3的FSR与F-P半导体激光器1的相邻模式波长间隔λs相同或者相似，所以当薄膜F-P滤光片阵列3的某一个谐振波长与F-P半导体激光器1的某一个输出波长相同时，其他谐振波长也与F-P半导体激光器1的其他输出波长基本重合，如图4实线所示。因探测器面阵列5接收到的光功率是对整个光谱曲线的积分，故此时达到最大的光功率值。

如图1所示，薄膜F-P滤光片面阵列3的两个高反射膜层31的间隔层中存在一个折射率可以被被测物质改变的传感区域32，由被测物质引起的传感区域32折射率的变化可引起薄膜F-P滤光片面阵列3的间隔层光学长度的变化，使得薄膜F-P滤光片面阵列3的谐振波长发生移动，使原来所有薄膜F-P滤光片面阵列3的谐振波长与F-P半导体激光器1输出波长对准的状态发生偏离，从而导致探测器面阵列5接收到的光功率下降，如图4虚线所示。

图5给出了探测器面阵列5中一个探测器接收的归一化光功率随所对应的传感区域32折射率变化的关系。在该实施例中，F-P半导体激光器1的纵模间隔波长为λs=1.16nm,薄膜F-P滤光片面阵列3的自由光谱范围FSR=1.19nm。因此，通过判断当前接收功率的变化，就可以判断出薄膜F-P滤光片面阵列3间隔层的光学长度变化，从而获得传感区域32的折射率变化信息，进而推知被测物质的信息。在此实施例中，传感器的灵敏度最高达到85000dB/RIU。如果最小可测得的功率变化为0.01dB，折射率测量的灵敏度为1.18×10^-7。

上述实施例用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制。在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种基于F-P半导体激光器和薄膜F-P滤光片级联的光学传感器，其特征在于，包括一个F-P半导体激光器(1)、一个准直透镜(2)、一个具有周期性滤波谱的薄膜F-P滤光片面阵列(3)、一个成像透镜(4)和一个探测器面阵列(5)；其中，所述一个具有周期性滤波谱的薄膜F-P滤光片面阵列(3)、成像透镜(4)以及探测器面阵列(5)组成一个具有周期性滤波谱的滤波器面阵列(51)；所述F-P半导体激光器(1)的光源经过准直透镜(2)后成为平行光，垂直入射到薄膜F-P滤光片面阵列(3)，透射光经过成像透镜(4)成像在探测器面阵列(5)，探测器面阵列(5)置于成像透镜(4)的焦平面位置处，薄膜F-P滤光片面阵列(3)中的每一个薄膜F-P滤光片，经过成像透镜(4)一一对应地成像在探测器面阵列(5)中的一个探测器像元上。

2.根据权利要求1所述基于F-P半导体激光器和薄膜F-P滤光片级联的光学传感器，其特征在于，薄膜F-P滤光片面阵列(3)的自由光谱范围与F-P半导体激光器(1)相邻模式的频率间隔相等或相似。

3.根据权利要求1所述基于F-P半导体激光器和薄膜F-P滤光片级联的光学传感器，其特征在于，所述具有周期性滤波谱的薄膜F-P滤光片面阵列(3)中两个高反射膜层(31)之间的间隔层作为传感区域(32)。