CN107525589A - 一种波长定标系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种波长定标系统及方法，所述系统包括：光源、第一耦合透镜、第一光纤、准直透镜、偏振元件、棱镜波导、第二耦合透镜、第二光纤、待定标光谱仪和计算机，所述偏振元件设置在所述准直透镜和所述棱镜波导之间。所述方法包括：步骤1：根据棱镜波导的波导材料和结构参数以及平行光的入射角度，计算出波导在一定入射角下的吸收反射谱每个吸收峰的波长；步骤2：根据步骤1的结果，对比待定标光谱仪测得的实际吸收谱峰的像素位置进行定标拟合；步骤3：使用已知标准光源的谱线定标误差进行波导介质层厚度和入射角度的微调修正，从而完成定标。本发明定标快速简便，覆盖任何波段范围，尤其适用于不需要标准光谱仪的光谱仪定标。

Description

一种波长定标系统及方法

技术领域

本发明涉及一种波长定标系统及方法，应用于光谱仪器检测领域，特别适用于缺乏标准光谱仪的精准光谱定标。

背景技术

早在19世纪50年代末，德国化学家本生和物理学家基尔霍夫就奠定了光谱分析法的基础。光谱按照辐射方式分为原子光谱和分子光谱，按照传播方式可分为吸收、散射等光谱，按照光谱范围可以分为紫外、可见、红外等光谱。每个类型的光谱都具有独特的激发方式和应用范围，光谱技术以其分析速度较快、操作简便、选择性好、灵敏度高以及样品损坏少等优势，一直活跃在食品、药物、临床、天文、考古、环境、军事等诸多领域，具有无可替代的作用。

光谱仪器是光谱应用技术发展的基石，光谱仪的光谱范围、波长分辨率、波长准确性、波长重复性、灵敏度、信噪比和杂散光等是其重要的性能指标，其中波长准确性是确保光谱检测分析精准性的重要保证和前提。因此，光谱仪器在出厂前或者是使用期间必须进行精准的波长定标。

传统的波长定标方法中利用特征发射谱或者吸收谱的定标方法，谱线数量有限、分布不均匀的特点会增大波长定标的误差。基于标准光谱仪的利用单色仪、可调谐激光器或者可调谐波长元件可以改进前述波长定标的误差，但是由于需要波长扫描元件会导致定标时间较长且定标系统体积较大。而基于低相干干涉技术的定标方法摆脱了标准光谱仪的依赖，但需要搭建复杂的干涉装置，稳定性不足且应用不够简洁方便。

经检索，中国专利公开号为CN104655278A的发明专利，提出了一种波长定标仪，是一种基于双面金属包覆波导和标准光谱仪的波长定标系统，定标方法简单易行，但是在缺乏标准光谱仪的情况下无法独立完成波长定标，另外在采集波导反射率谱线的过程中，测得的吸收谱线对于波导结构比较敏感，一旦环境的改变引起了结构变化很容易导致定标误差。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种波长定标系统及方法，定标快速简便，覆盖任何波段范围，尤其适用于不需要标准光谱仪的光谱仪定标。

根据本发明的第一方面，提供一种波长定标系统，包括：光源、第一耦合透镜、第一光纤、准直透镜、偏振元件、棱镜波导、第二耦合透镜、第二光纤、待定标光谱仪和计算机，其中：所述光源发出的光到达第一耦合透镜，经聚焦耦合后进入第一光纤，经第一光纤进入所述准直透镜准直后得到一束平行光；所述偏振元件设置在所述准直透镜和所述棱镜波导之间，所述准直透镜准直后的所述平行光经所述偏振元件以一角度入射所述棱镜波导的一侧，在所述棱镜波导另一侧对称位置出射反射光，该发射光经第二耦合透镜收集耦合进入所述第二光纤的输入端；所述第二光纤具有至少一个输出端，每个输出端连接一台待测光谱仪，所述第二耦合透镜出来的光经所述第二光纤进入所述待测光谱仪，所述待测光谱仪连接所述计算机，所述计算机记录出射光谱数据。

优选地，所述棱镜波导由等腰直角棱镜和平板波导组成，所述等腰直角棱镜设置在所述平板波导上方，所述准直透镜准直后的所述平行光经所述偏振元件入射到所述腰直角棱镜一侧直角边，并在所述棱镜波导另一侧直角边的对称位置出射反射光。

优选地，所述平板波导为设置在玻璃衬底上的三层平板波导，包括波导覆盖层、介质层和底层，所述波导覆盖层是金膜，镀在等腰直角棱镜的底面；介质层位于波导覆盖层和底层之间；所述底层也是金膜，镀在玻璃衬底上表面，用于防止光向最下层的玻璃衬底泄露，从而在棱镜底面与玻璃衬底上方形成了双面金属包覆波导。

优选地，所述波导覆盖层是几十纳米的金膜。

优选地，底层是厚度为几百纳米的金膜。

优选地，所述等腰直角棱镜是由玻璃材料制作而成。

所述准直透镜准直后的所述平行光经所述偏振元件入射到以一定角度入射到棱镜-金膜界面，其中一些波长满足相位匹配条件的光耦合进入介质层中，然后从所述等腰直角棱镜另一侧出射。

根据本发明的第二方面，提供一种方法简便、准确快速的波长定标方法，包括：

步骤1：根据棱镜波导的波导材料和结构参数以及平行光的入射角度，计算出波导在一定入射角下的吸收反射谱每个吸收峰的波长；

步骤2：根据步骤1的结果，对比待定标光谱仪测得的实际吸收谱峰的像素位置进行定标拟合；

步骤3：使用已知标准光源的谱线定标误差进行波导介质层厚度和入射角度的微调修正，从而完成定标。

本发明方法首先利用已知的波导结构参数和测得的入射角度计算出待测光谱范围内的吸收谱图，但是由于波导的反射谱对波导的结构参数响应很灵敏，理论计算的结果往往是有一定偏差的。例如，由于环境温度变化引起的芯层厚度变化，实际定标时入射角取值的误差等等均会使实际的吸收峰产生波长漂移，这样就会造成实际谱峰与计算谱峰的偏差。因此在计算出理论谱峰之后需要对其进行修正。

所述修正过程如下：

用待测光谱仪测至少一条标准光源的谱线，记录所述标准光源的谱线在探测器上的像素位置，计算出定标出来的标准光源谱线波长和实际光源波长相差多少，同时以微小尺度增大或减小芯层厚度和入射角度观察光源定标误差随设定介质层厚度和入射角度的变化趋势，按照使定标误差减小的方向调整介质层厚度和入射角度知道误差达到设定的阈值；

确定了波导结构参数和入射角度后得到计算出来的吸收峰波长位置，然后拟合出测得的波导反射光谱中每个吸收峰对应的探测器像素位置，将吸收峰波长和记录的像素位置对应多项式拟合，拟合阶次根据效果选择，得到定标参数，完成定标。

本发明中所述的偏振元件置于准直透镜与棱镜波导之间，并且在放置时保证偏振元件的偏振方向垂直于入射光平面，以便滤掉保证只有一个模式的吸收峰被待测光谱仪接收。

本发明中用来修正结构参数的标准光源可以是标准元素灯，在进行微调修正的时候无需很多谱线，只要一或两条即可以完成全谱的定标，所以也可以使用激光器。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

本发明利用双面金属包覆波导对于光波长的选择性吸收得到了众多密集均匀的谱线，大大降低了传统定标法中因发射或者吸收谱线过少、分布不均匀所造成的定标误差；本发明无需另外准备标准光谱仪，摆脱了对于标准谱仪的依赖，定标系统简单，方法易行并且可以同时对多台谱仪进行快速定标；

本发明在入射光与波导中间放置偏振元件，滤掉十分接近的两个导波模式中的其中一个，避免了因两个模式谱峰重叠而产生的定标误差；本发明后期对于波导中间芯层厚度和光入射角度的微调可以有效消除环境变化和人工测量误差对定标精度的影响，具有可靠稳定的优势。

本发明所述定标方法无需标准光谱仪，并且接收光纤可以连接若干台待定标光谱仪以便快速同时定标，对谱仪的光谱波长范围没有限制，没有复杂的装置，简便易行。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明一实施例光谱定标系统的结构示意图；

图2a为本发明一实施例棱镜波导结构示意图；

图2b为本发明一实施例平板波导结构示意图；

图3a为本发明一实施例微调波导芯层厚度和入射光角度的示意图；

图3b为本发明一实施例微调波导芯层厚度和入射光角度的流程图；

图4为本发明一实施例介质层改变后波导反射谱对比图；

图中：1光源，第一耦合透镜2，第二耦合透镜2’，第一光纤3，第一光纤3’，准直透镜4，偏振片5，棱镜波导6，等腰直角棱镜601，平板波导602，玻璃衬底603，波导覆盖层604，介质层605，底层606，待定标光谱仪7，计算机8。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

如图1所示，为本发明波长定标系统一实施例结构示意图，其中包括：光源、第一耦合透镜、第一光纤、准直透镜、偏振元件、棱镜波导、第二耦合透镜、第二光纤、待定标光谱仪和计算机，其中：所述光源1发出的光到达第一耦合透镜2，经聚焦耦合后进入第一光纤3，经第一光纤3进入所述准直透镜4准直后得到一束平行光；所述偏振元件5设置在所述准直透镜4和所述棱镜波导6之间，所述准直透镜4准直后的所述平行光经所述偏振元件5以一角度入射所述棱镜波导6的一侧，在所述棱镜波导6另一侧对称位置出射反射光，该发射光经第二耦合透镜2’收集耦合进入所述第二光纤3’的输入端；所述第二光纤3’具有至少一个输出端，每个输出端连接一台待测光谱仪，所述第二耦合透镜2’出来的光经所述第二光纤3’进入所述待测光谱仪7，所述待测光谱仪7连接所述计算机8，所述计算机8记录出射光谱数据。

在部分优选实施例中，如图2a所示，所述棱镜波导6由等腰直角棱镜601和平板波导602组成，所述等腰直角棱镜601设置在所述平板波导602上方，所述准直透镜4准直后的所述平行光经所述偏振元件5入射到所述腰直角棱镜601一侧直角边，并在所述棱镜波导6另一侧直角边的对称位置出射反射光。

在部分优选实施例中，如图2b所示，所述平板波导602为设置在玻璃衬底603上的三层平板波导，包括波导覆盖层604、介质层605和底层606，所述波导覆盖层604是金膜，镀在等腰直角棱镜601的底面；介质层605位于波导覆盖层604和底层606之间；所述底层606也是金膜，镀在玻璃衬底603上表面，用于防止光向最下层的玻璃衬底603泄露。从而在等腰直角棱镜601底面与玻璃衬底603上方形成了双面金属包覆波导。

更优选地，所述波导覆盖层604是几十纳米的金膜。

更优选地，所述底层606是厚度为几百纳米的金膜。

更优选地，所述等腰直角棱镜601是由玻璃材料制作而成。

上述系统中，所述准直透镜4准直后的所述平行光经所述偏振元件5入射到以一定角度入射到所述棱镜波导6的棱镜-金膜界面，其中一些波长满足相位匹配条件的光耦合进入介质层605中，然后从所述等腰直角棱镜601另一侧出射。

基于上述系统，本发明提供一种方法简便、准确快速的波长定标方法的优选实施例，通过上述的波长定标系统，获取相应参数信息；

所述波长定标方法包括：

步骤1：根据棱镜波导的波导材料和结构参数以及平行光的入射角度，计算出波导在一定入射角下的吸收反射谱每个吸收峰的波长；

步骤2：基于步骤1结果，对比待定标光谱仪7测得的实际吸收谱峰的像素位置进行定标拟合；

步骤3：使用已知标准光源的谱线定标误差进行波导介质层厚度和入射角度的微调修正，从而完成定标。

本实施例中，光源1采用的是钨灯光源，波长范围为400nm-1100nm。偏振片5放置在准直透镜和波导之间，偏振方向与入射光和反射光所在的平面平行或者垂直。

本实施例中，棱镜波导6采用的是棱镜耦合方式，等腰直角棱镜601是由折射率为1.51的玻璃材料制作而成，下层平板介质波导是简单的三层设计。波导覆盖层是35nm的金膜，芯层(介质层)介质可以是空气、水或者其他气体、液体或固体介质.本实施例所用介质为水，折射率为1.33，厚度为10μm左右。底层是厚度为几百纳米的金膜，足够的厚度防止光向最下层的玻璃衬底泄露。本实施例中，第二光纤3’为一分多的直径为100μm的分光光纤，可以同时对多台光谱仪进行定标。本实施例中的一台待定标光谱仪是波长范围从532nm到670nm的拉曼光谱仪，当入射角是10^。左右，波导介质层厚度为10μm左右时，测得吸收峰的个数是7个，如图4中曲线a所示，如果往介质层中灌满水，改变介质层折射率，得到的波导反射谱如图4中曲线b所示，吸收峰增多到13个，可满足定标要求。

如图3a、3b所示，本发明所述定标方法无需标准光谱仪，根据波导材料和结构参数以及入射角度可以直接计算得出测量范围内的波导反射率曲线，曲线中含有多条均匀吸收峰，将这些吸收峰对应的波长位置与待测光谱仪测得的吸收峰在探测器上的像素位置对应起来实现定标。双面金属包覆波导的模式本征方程

(1)式和(2)式分别代表TE和TM模两种模式的本征方程，定标系统参数一定的,当两种模式吸收谱间隔很近的情况下，测得的同一模序数下两种模式的吸收峰会叠加成一个大峰，从而影响吸收峰波长位置的判断。本发明利用偏振片5滤掉其中一个模式，得到只含有一种模式的纯净吸收峰谱线，得到较为准确的吸收峰位置。

当波长为λ的平行光入射到上述的波导结构时，入射光受到棱镜介质-金属界面的全反射，如果棱镜沿z方向的波矢分量与波导结构中导模的波矢κ_S满足相位匹配条件时，入射光通过在金属层(金膜)中的透射迅衰场将能量耦合到波导结构中激发表面模，从而使原来的全反射光强产生衰减峰，如果是具有一定波长范围的入射光入射到此结构上，根据波导理论只要满足相位匹配条件的波长模式都可以耦合进入波导，从而产生一系列吸收峰谱线，每一个吸收峰都代表一个耦合模式，所有的吸收峰都必须满足本征方程。本波导结构的本征方程为：

κ_Sh_S＝mπ+2arctan(κ_M/κ_S) (3)

式中的κ_M和κ_S分别是光金属覆盖层和介质层的横向波矢分量，h_S为中间介质层厚度，m为模式序数。当介质层厚度足够大，并且以小角度入射时，模序数非常大，mπ＞＞2π＞2arctan(κ_M/κ_S)等式右边第二项可以忽略掉。本征方程简化为

其中n_S和n₀分别是芯层的折射率和耦合棱镜的折射率，θ为入射光线在等腰直角棱镜601中与金膜法线的夹角，即入射角。λ为入射光波长。并且由上式可得：

其中，λ'和λ分别对应模式m和m+1的耦合波长。显然，在波长范围较小、波导结构不变同时θ不变的情况下，以波数为因变量的波导反射谱呈等齿距的梳状结构。

由上式可以推得相邻模式间的波长间隔为

因此，以波长为因变量的波导反射谱几乎呈梳状结构，但不严格均匀，长波方向波长间隔较大。

如果增加波导结构h_S或者减少θ大小，波长间隔Δλ随之减小，这意味着测量范围内的用于定标的波长点数增多，定标精度也随之增加。实际测量过程中可以根据待定标光谱仪7波长范围的大小，适当调节θ大小获得合适的定标波长点数完成定标。

根据TE和TM模两种模式表达式可以计算得到同一模式序数下两种模式波长差为

其中λ_E和λ_M分别是同一模式序数下TE和TM模的波长值，ε₁与ε₂分别表示平板波导中间介质层和金膜覆盖层的介电常数。在芯层厚度已定，入射角度较小的情况下两种模式波长相差很小，测得的吸收峰其实是两种模式吸收峰的叠加，当芯层厚度是13μm，入射角为15度左右，TM和TE模在500nm到700nm波长范围内同一模式序数下的波长相差仅0.38nm左右，十分接近。因此偏振片的添加对精准定标是很有必要的。

同时由于波导结构不可能制作的严格平整，测量系统存在噪声干扰等因素，实际测得吸收峰的峰宽相对较大，峰型不对称，也会导致难于确定吸收峰的位置。为此，通常利用算法来得出吸收峰位置，常用的有峰值法，曲线拟合法以及重心等。一般根据具体实际情况来选择使用不同的算法。

本实施例中，步骤3中，所述微调修改正，可以采用以下操作：

用待测光谱仪测两条或者三条汞灯的谱线，记录其在探测器上的像素位置，算出定标出来的汞灯谱线波长和实际汞灯波长相差多少，同时以微小尺度增大或减小芯层厚度和入射角度观察汞灯定标误差随设定芯层厚度和入射角度的变化趋势，按照使定标误差减小的方向调整芯层厚度和入射角度知道误差达到设定的阈值，这个阈值可以自行设置，阈值越小定标越精准；

确定了波导结构参数和入射角度后得到计算出来的吸收峰波长位置，然后利用算法拟合出测得的波导反射光谱中每个吸收峰对应的探测器像素位置，将吸收峰波长和记录的像素位置对应多项式拟合，拟合阶次可以根据效果自行选择，得到定标参数，完成定标。

综上，本发明无需另外准备标准光谱仪，摆脱了对标准光谱仪的依赖，定标系统简单可靠，同时洛伦兹拟合吸收峰保证了吸收峰位置的准确性，并且利用标准光源和算法微调芯层厚度和入射角度使得定标方法对环境变化稳定。本发明克服了利用特征发射峰或吸收峰定标时谱峰过少，利用单色仪或者可调谐激光器定标耗时过长，利用低相干干涉技术装置复杂抗干扰性弱的缺点，是简单快速有效的定标方法。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (10)

1.一种波长定标系统，其特征在于，包括：光源、第一耦合透镜、第一光纤、准直透镜、偏振元件、棱镜波导、第二耦合透镜、第二光纤、待定标光谱仪和计算机，其中：所述光源发出的光到达第一耦合透镜，经聚焦耦合后进入第一光纤，经第一光纤进入所述准直透镜准直后得到一束平行光；所述偏振元件设置在所述准直透镜和所述棱镜波导之间，所述准直透镜准直后的所述平行光经所述偏振元件以一角度入射所述棱镜波导的一侧，在所述棱镜波导另一侧对称位置出射反射光，该发射光经第二耦合透镜收集耦合进入所述第二光纤的输入端；所述第二光纤具有至少一个输出端，每个输出端连接一台待测光谱仪，所述第二耦合透镜出来的光经所述第二光纤进入所述待测光谱仪，所述待测光谱仪连接所述计算机，所述计算机记录出射光谱数据。

2.根据权利要求1所述的波长定标系统，其特征在于，所述棱镜波导由等腰直角棱镜和平板波导组成，所述等腰直角棱镜设置在所述平板波导上方，所述准直透镜准直后的所述平行光经所述偏振元件入射到所述腰直角棱镜一侧直角边，并在所述棱镜波导另一侧直角边的对称位置出射反射光。

3.根据权利要求2所述的波长定标系统，其特征在于，所述平板波导为设置在玻璃衬底上的三层平板波导，包括波导覆盖层、介质层和底层，所述波导覆盖层是金膜，镀在等腰直角棱镜的底面；介质层位于波导覆盖层和底层之间；所述底层也是金膜，镀在玻璃衬底上表面，从而在棱镜底面与玻璃衬底上方形成了双面金属包覆波导。

4.根据权利要求3所述的波长定标系统，其特征在于，所述波导覆盖层是几十纳米的金膜。

5.根据权利要求3所述的波长定标系统，其特征在于，所述底层是厚度为几百纳米的金膜。

6.根据权利要求2所述的波长定标系统，其特征在于，所述等腰直角棱镜是由玻璃材料制作而成。

7.根据权利要求1-6任一项所述的波长定标系统，其特征在于，所述偏振元件置于准直透镜与棱镜波导之间，并且在放置时保证偏振元件的偏振方向垂直于入射光平面，以便滤掉不需要的模式的吸收峰，保证只有一个模式的吸收峰被待测光谱仪接收。

8.一种采用权利要求1-7任一项所述系统的波长定标方法，其特征在于，包括：

步骤1：根据棱镜波导的波导材料和结构参数以及平行光的入射角度，计算出波导在一定入射角下的吸收反射谱每个吸收峰的波长；

步骤2：根据步骤1的结果，对比待定标光谱仪测得的实际吸收谱峰的像素位置进行定标拟合；

步骤3：使用已知标准光源的谱线定标误差进行波导介质层厚度和入射角度的微调修正，从而完成定标。

9.根据权利要求8所述的波长定标方法，其特征在于，步骤3中：所述微调修正，过程如下：

用待测光谱仪测至少一条标准光源的谱线，记录所述标准光源的谱线在探测器上的像素位置，计算出定标出来的标准光源谱线波长和实际光源波长相差多少，同时以微小尺度增大或减小芯层厚度和入射角度观察光源定标误差随设定介质层厚度和入射角度的变化趋势，按照使定标误差减小的方向调整介质层厚度和入射角度知道误差达到设定的阈值；

确定了波导结构参数和入射角度后得到计算出来的吸收峰波长位置，然后拟合出测得的波导反射光谱中每个吸收峰对应的探测器像素位置，将吸收峰波长和记录的像素位置对应多项式拟合，拟合阶次根据效果选择，得到定标参数，完成定标。

10.根据权利要求9所述的波长定标方法，其特征在于，所述阈值越小定标越精准。