CN109239940A - 一种分光装置及其制作方法、光色散方法和光谱仪 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种分光装置及其制作方法、光色散方法和光谱仪，涉及光检测技术领域，以在简化分光装置结构的基础上，使得光谱仪可用于微流体检测。所述分光装置包括光波导本体和色散光栅，所述光波导本体用于传输光线并改变光线传播方向，所述色散光栅用于对所述光波导本体所传输的光线进行色散。所述分光装置的制作方法应用于上述分光装置的制作方法。本发明提供的分光装置及其制作方法、光色散方法和光谱仪用于光检测中。

Description

一种分光装置及其制作方法、光色散方法和光谱仪
技术领域
本发明涉及光检测技术领域，尤其涉及一种分光装置及其制作方法、光色散方法和分光光谱仪。
背景技术
光谱仪是一种利用光探测器测量不同波长谱线的强度的光线检测装置，它的核心组件为分光系统，用以对所测量的光线进行分光，以将所测量的光线分成光探测器可探测的多条谱线。
现有色散式分光系统大多利用不同类型的光栅，或者光栅与棱镜组合的方式对测量光线进行分光，但是其结构复杂，制作难度比较大；同时，当光谱仪应用于微流体检测时，还需要用微纳结构将多条谱线从光谱仪分光系统取出，取出光线与微纳结构的特性有关。
发明内容
本发明的目的在于提供一种分光装置及其制作方法、光色散方法和光谱仪，以在简化分光装置结构的基础上，使得光谱仪可用于微流体检测。
为了实现上述目的，本发明提供一种分光装置，该分光装置包括光波导本体和色散光栅，所述光波导本体用于传输光线并改变光线传播方向，所述色散光栅用于对所述光波导本体所传输的光线进行色散。
与现有技术相比，本发明提供的分光装置包括光波导本和色散光栅，而由于光波导本体用于传输光线并改变光线传播方向，色散光栅用于将光波导本体所传输的光线色散成多条谱线，因此，当分光装置应用于微流体测量时，只需将微流通道设在光波导本体所提供的多条谱线出口，就可以使得光波导本体所传输的多条谱线传输至微流通道内，实现微流体检测，这样就无需利用专门制作微钠结构取出多条谱线，从而简化了分光装置的结构。
本发明还提供了一种分光装置的制作方法，所述分光装置的制作方法包括：
形成光波导本体以及在所述光波导本体上形成色散光栅，所述光波导本体用于传输光线并改变光线传播方向；所述色散光栅用于对所述光波导本体所传输的光线进行色散。
与现有技术相比，本发明提供的分光装置的制作方法的有益效果与上述技术方案所述的分光装置的有益效果相同，在此不做赘述。
本发明还提供了一种光色散方法，应用上述技术方案所述分光装置，所述光色散方法包括：
光波导本体接收入射光线，将入射光线进行反射，获得反射光线；
色散光栅将反射光线进行色散，获得不同波长的色散谱线；
光波导本体将色散谱线导出。
与现有技术相比，本发明提供的光色散方法的有益效果与上述技术方案所述分光装置的有益效果相同，在此不做赘述。
本发明还提供了一种光谱仪，其特征在于，包括上述技术方案所述分光装置。
与现有技术相比，本发明提供的光谱仪的有益效果与上述技术方案所述分光装置的有益效果相同，在此不做赘述。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明实施例提供的光谱仪的基本结构示意图；
图2为本发明实施例提供的光谱仪的工作原理框图；
图3为本发明实施例提供的分光装置的基本结构示意图；
图4为本发明实施例提供的分光装置的结构示意图；
图5为本发明实施例中道威棱镜的结构示意图；
图6为本发明实施例中道威棱镜的结构参数标引图；
图7为本发明实施例中输入波导、阵列波导光栅、输出波导阵列的电镜图；
图8为本发明实施例中阵列波导光栅的衍射原理图；
图9为本发明实施例中凹面光栅的衍射示意图；
图10为本发明实施例提供的分光装置的制备方法的流程图一；
图11为本发明实施例提供的分光装置的制备方法的流程图二；
图12为本发明实施例提供的分光装置的制备方法的流程图三；
图13为本发明实施例提供的分光装置的制备方法的流程图四；
图14为本发明实施例提供的分光装置的制备方法的流程图五；
图15为本发明实施例提供的光色散方法的流程图一；
图16为本发明实施例提供的光色散方法的流程图二；
图17为本发明实施例提供的光色散方法的流程图三。
附图标记：
100-准直光源， 200-分光装置；
210-光波导本体， 211-道威棱镜；
211a-入射斜面， 211b-出射斜面；
240-波导输入部， 240-波导输出部；
220-色散光栅， 221-阵列波导光栅；
222-凹面光栅， 2220-罗兰圆；
240-输出波导阵列， 250-全反射结构；
251-第一透光层， 252-第二透光层；
300-微流基板， 310-第一衬底基板；
320-涂胶层， 321-反应池；
322-微流通道， 333-废液池；
400-感应基板， 410-第二衬底基板；
420-光敏探测器， 500-处理器；
600-缓冲层， 700-波导材料层；
800-光学掩膜版， 810-金属膜层；
811-金属掩膜版， 720-光刻胶层；
831-光刻胶掩膜版， J1-第一光线聚焦点；
J2-第二光线聚焦点， J3-第三光线聚焦点。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
现有技术分光系统可分为色散式分光系统和调制式分光系统；其中，色散式分光系统一般采用棱镜、光栅、干涉仪等实现光线分光。当采用棱镜进行分光时，色散式分光系统的色散率低，分光性能较差。目前，为了提高分光系统的分光效率，大多利用不同类型的光栅，或者光栅与棱镜组合的方式对测量光线进行分光，但是其结构复杂，制作难度和成本都比较高(如全息光栅或者布拉格光栅)。同时，当光谱仪应用于微流体检测时，还需要用微纳结构将多条谱线从光谱仪分光系统取出，还需要用微纳结构将多条谱线从光谱仪分光系统取出，取出光线与微纳结构的特性有关。
如图1和图2所示，本发明实施例提供一种光谱仪，该光谱仪可以为常规的光谱仪或者微型光谱仪，可应用于物理、化学或者生物等领域的光谱分析，物质检测、标定、分子诊断、食品检疫和细菌分类等。该光谱仪主要包括分光装置200、微流基板300和感应基板400。分光装置200可将准直光源100所提供的复色光色散成不同波长的单色光(如多条谱线)，同时还可将多条谱线的传播方向进行转换，使得多条谱线按照预设的方向提供给微流基板300；多条谱线进入微流基板300的微流通道322内，并照射在微流通道322内的微流体，这样微流体在多条谱线的照射下发生一定的物理变化或化学变化，使得多条谱线穿过微流体时以光信号的形式获取所检测的微流体信息，获取了所检测的微流体信息的谱线被称为光检测信号；当多个光检测信号照射到感应基板400时，感应基板400所具有的光敏探测器420可检测多个光检测信号，获得电信号，并通过处理器500分析电信号，以获得微流体信息，使得微流体信息量化。
下面结合附图详细说明本发明实施例提供的光谱仪所包括的各个部分的结构。
如图3所示，本发明实施例提供的分光装置200包括光波导本体210和色散光栅220，光波导本体210用于传输光线并改变光线传播方向，色散光栅220用于将所述光波导本体210所传输的光线色散成多条谱线，色散光栅220与光波导本体210的相对位置关系可根据光波导本体210的具体光路设置，在此不做详述。
如图3和图4所示，当上述分光装置200应用于微流体检测时，光波导本体210接收外界光线并进行传输，色散光栅220可将光波导本体210所传输的光线色散成多条谱线，同时光波导本体210还可改变光线传播方向，将多条谱线提供给微流基板300所具有的微流通道322，进而实现微流体检测。其中，外界光线一般为复色光，且不限于白光。
基于本发明实施例提供的分光装置200结构可知，上述分光装置200包括光波导本体210和色散光栅220，由于光波导本体210用于传输光线并改变光线传播方向，色散光栅220用于将光波导本体210所传输的光线色散成多条谱线；当分光装置200应用于微流体测量时，只需将微流通道322设在光波导本体210所提供的多条谱线出口，就可以使得光波导本体210所传输的多条谱线传输至微流通道322内，实现微流体检测，这样就无需利用专门制作微钠结构取出多条谱线，从而简化了分光装置200的结构。
在一些实施例中，如图3和图4所示，上述分光装置200还包括全反射结构250，色散光栅220和光波导本体210构成分光单元，该分光单元设在全反射结构250中，以减少光波导本体210在传输光线过程产生的漏光。上述光波导本体210还用于将多条谱线从该全反射结构250导出。
具体的，如图2和图4所示，上述全反射结构250包括第一透光层251和第二透光层252，光波导本体210设在第一透光层251和第二透光层252之间，色散光栅220位于第二透光层252与光波导本体210之间，且光波导本体210和色散光栅220所使用的材料的折射率均大于第一透光层251所使用的材料的折射率和第二透光层252所使用的材料的折射率，从而使得第一透光层251和第二透光层252可形成全反射结构250。
示例性的，第一透光层251可以为液晶显示器或有机电致发光显示器所使用的玻璃基板，也可以为其他低折射率的光学玻璃和透明树脂等，但不仅限于此。第二透光层252可以为液晶显示器或有机电致发光显示器所使用的玻璃基板，也可以使用的材料为低折射率的光刻胶或低折射率的SiO2，但不仅限于此。第二透光层252的厚度可根据实际情况设定。
例如：当上述光波导本体210和色散光栅220所使用的材料的折射率为1.8-1.9，上述第一透光层251可使用折射率为1.4-1.58(如1.52)的3t光学玻璃，厚度为0.2mm-0.4mm，上述第二透光层252所使用的材料为折射率为1.20-1.30(如1.25)的酚醛树脂或光刻胶，厚度为0.1mm-2mm。
考虑到上述光波导本体210需要将多条谱线需要通过第一透光层251导入特定通道(如微流通道322)，因此，第一透光层251应当越薄越好，以减少多条谱线在通过第一透光层251发生混色的机率。同时，当上述色散光栅220设在光波导本体210的上部时，为了避免第二透光层252影响光线在光波导本体210内的传输，上述第二透光层252的厚度在允许的范围内尽肯能的小。以减少第二透光层252对多条谱线传播方向的影响，使得上述光波导本体210将多条谱线准确的导入微流通道322内。
上述第一透光层251的表面和第二透光层252的表面尽肯能的平整，且二者尽可能保证平行，以避免第一透光层251和第二透光层252影响光线传输。
在一些实施例中，如图3、图4、图7和图8所示，为了减少光线传输过程中的损失，上述分光装置还包括位于第一透光层251和第二透光层252之间的输入波导230和输出波导阵列240；该输入波导230用于将光波导本体210所传输的光线提供给色散光栅，输出波导阵列240用于对多条谱线进行导向，使得光波导本体210将多条谱线导出。此时，输入波导230可对光波导本体210所传输的光线提供给色散光栅220，以减少光线传输过程的损失；输出波导阵列240可对多条谱线进行导向，使得多条谱线在不发生相互干扰(如混光)的情况下进行导向，从而降低谱线的光损失。
至于输入波导230、色散光栅220和输出波导阵列240的相对位置，则可根据光路具体设置；由此可见，在上述全反射结构250中只需按照具体光路设置输入波导230、色散光栅220和输出波导阵列240的相对位置，即可保证在较低光损失前提下，将普通的复色光转换成多条谱线，并将多条谱线从第一透光层251导出。
示例性的，上述输出波导阵列240包括与多条谱线一对应的多个导向波导，多个导向波导，相邻两个导向波导之间具有第二空隙，多个导向光波导用于将多条谱线进行一一对应的导向，使得所述光波导本体可将多条谱线从第一透光层导出。
在一些实施例中，如图4所示，当上述光波导本体为一体结构时，上述光波导本体210为道威棱镜211。该道威棱镜211外观呈现梯台形状，是一种像旋转器。当复色光经过道威棱镜211后，道威棱镜211可将复色光线的传播方向翻转180°。
上述道威棱镜211的底面与第一透光层251相对，道威棱镜211的顶面与第二透光层252相对，输入波导230、色散光栅220和输出波导阵列240均设在道威棱镜211的顶面。若输入波导230、色散光栅220和输出波导阵列240可采用压印工艺或刻蚀工艺等方式形成在道威棱镜211的顶面，此时输入波导230、阵列波导光栅221、输出波导阵列240与道威棱镜211的材料相同。
如图4～图6所示，上述道威棱镜211具有用于将进入道威棱镜211的光线进行反射的入射斜面211a以及用于将多条谱线导出道威棱镜211的出射斜面211b。输出波导阵列240用于对多条谱线进行导向，使得多条谱线传输至出射斜面211b。
当道威棱镜211的倒角ψ与道威棱镜211的斜面的入射角α之和等于90°，道威棱镜211的底面入射角其中，n2为第一透光层251所使用的材料的折射率，nair为空气的折射率。基于此，可保证外界光线穿过第一透光层251后，光线在到达出射斜面211b时，不会穿过第一透光层251和第二透光层252射向外界。
示例性地，当道威棱镜211所使用的材料折射率为1.8-1.9，ψ≤56.25°，α≤33.75°。
例如：当选择折射率为1.8的SiNx为道威棱镜211的材料时，ψ＝54.7°或47°，当然也可选择其他小于等于56.25°的角度。
在一些实施例中，如图4和图7所示，上述色散光栅220为形成在道威棱镜211顶面的阵列波导光栅221(Arrayed Waveguide Grating,AWG)。该阵列波导光栅221包括多个弯曲波导，每个弯曲波导可以为弧状波导，以减少光损耗，当然也可以选择其他光损耗较少的弯曲波导。相邻两个弯曲波导之间具有第一空隙，相邻两个弯曲波导具有光程差，且光程差保持恒定，以使得复色光通过阵列波导光栅221时，复色光在阵列波导光栅221中发生衍射，形成多条谱线。由于相邻两个弯曲波导具有光程差，使波导阵列形成的光栅工作在高阶模，这样不需要较大的焦距便可获得光谱仪所需要的高分辨率谱线，因此，当阵列波导光栅221应用于上述分光装置200时，上述分光装置200不仅具有较高的分光性能，而且还可向小型化发展，使得分光装置200的生产成本降低。
如图4和图8所示，该阵列波导光栅221所包括的多个弯曲波导的延伸方向可根据上述道威棱镜211所导出的多条谱线的导出角度或者传播方向设定。例如：上述道威棱镜211在第一透光层251所在平面的正投影为梯形正投影，定义该梯形正投影的底边为道威棱镜211的长度方向，且上述多个弯曲波导的延伸方向与道威棱镜211的长度方向相同，此时，多条谱线可以垂直于第一透光层251的方式从道威棱镜211中射出。
在一些实施例中，如图3～图8所示，上述光波导本体210为道威棱镜211，上述色散光栅220为阵列波导光栅221，上述输出波导阵列包括多个导向波导时，外界光线穿过第一透光层251进入道威棱镜211，并射向入射斜面211a，入射斜面211a将外界光线反射至输入波导230，输入波导230将外界光线传输至阵列波导光栅221，使得所传输的光线入射到阵列波导光栅221内，阵列波导光栅221所包括的相邻两个弯曲波导有一定光程差，因此，当光线在阵列光栅221传输至输出自由传输区会发生衍射，获得多条谱线，多条谱线再由输出波导这里阵列240所包括的多个导向波导一一对应的传输至出射斜面211b。为使得各个谱线均能够传输至出射斜面211b，出射斜面211b将多条谱线进行反射，使得多条谱线导出道威棱镜并从第一透光层251射出。输出导向波导的具体形状可以为弧状或者其他形状，具体以传输中以光损耗最少为准设计。而导向波导的延伸方向与阵列波导220和道威棱镜211的出射斜面211b所在方向有关，具体根据实际情况设计。
例如：以[380nm,780nm]的白光入射，实现1nm分辨率色散为例，则理论上白光经过色散后，可形成(780-380)/1＝400条谱线，相应的需要有400个输出波导通道，每个通道以10μm设计，相邻两个弯曲波导之间所具有的第一空隙宽度为1μm，则相邻两个弯曲波导之间的第一空隙的宽度为1um，则需要400×11＝4400μm的宽或长的空间排布输出波导。
需要说明的是，每个弯曲波导和每个导向波导的厚度(该厚度方向与第一空隙宽度方向相同)可以为纳米级或微米级，但为了降低弯曲波导的制作难度，每个弯曲波导和每个导向波导的厚度为微米级，这样阵列波导光栅221的加工难度从多个纳米光栅的加工套刻降为微米级阵列光波导加工，使得上述分光装置200的工业化生产成为可能。
图4示出了本发明实施例提供的分光装置200的理想光路图；如图4-图6和图8所示，该分光装置200所包括的光波导本体210是微型道威棱镜，色散光栅220为采用压印工艺或刻蚀工艺在道威棱镜211顶面的阵列波导光栅221，上述输入波导230采用压印工艺或刻蚀工艺形成在道威棱镜211顶面，输出波导阵列240为采用压印工艺或刻蚀工艺形成在道威棱镜211顶面的多个导向波导。当外界光线按照ψ≤56.25°，α≤33.75°的约束条件穿过第一透光层251射向微型的入射斜面211a并将该外界光线进行反射，使得所反射的光线通过输入波导230传输后，以平行于微型道威棱镜的底面或顶面的方式射入阵列波导光栅221；阵列波导光栅221将光线进行衍射，使得光线色散成多条谱线，多条谱线一一对应的通过多个导向波导传输至道威棱镜211的出射斜面211b，出射斜面211b将多条谱线进行反射，使得多条谱线从道威棱镜211射出后垂直的穿过第一透光层251。
如图4～图6和图8所示，被入射斜面211a反射后的外界光线是以平行于微型道威棱镜的底面或顶面的方式射入阵列波导光栅221，但在实际结构中，阵列波导光栅221设在道威棱镜211的上方，道威棱镜211的入射斜面211a将外界光线反射后，所反射的光线只能以斜向上的方式进入阵列波导光栅221，因此，本发明实施例提供的分光装置通过输入波导对入射斜面211a所反射的光线的传播方向进行调整，使得射入阵列波导光栅221的光线尽量平行于道威棱镜211的底面或顶面的方式进入阵列波导光栅221。另外，还可设定上述输入波导230的高度(高度方向垂直于第一透光层251)、阵列波导光栅221所包括的多个弯曲波导的高度(高度方向垂直于第一透光层251)和上述输出波导阵列240所包括的多个导向波导的高度(高度方向垂直于第一透光层251)，使得道威棱镜211的入射斜面211a将外界光线反射后，尽量使得所获得的反射光线可以以平行于道威棱镜211的底面或顶面的方式进入波导光栅内部。例如：当道威棱镜211的高度(高度方向垂直于第一透光层251)为100μm～500μm，则可设定输入波导230的高度、阵列波导光栅221所包括的多个弯曲波导的高度和输出波导阵列240所包括的多个导向波导的高度为0.8μm～1.5μm。而考虑到工艺的可实现性和光线进入阵列波导光栅221的要求，可设定输入波导230的高度、阵列波导光栅221所包括的多个弯曲波导的高度和输出波导阵列240所包括的多个导向波导的高度为1μm。
如图4～图8所示，本发明实施例还提供的分光装置200按照如下方式进行光效预估：
第一：当外界光线(如准直光)以α≤33.75°的角度射向道威棱镜211所包括的入射斜面211a，并使得入射斜面211a将光线准确的反射至输入波导230中。在这个过程中存在两方面的光效损失，一方面外界光线被道威棱镜211的表面反射，使得被反射的外界光线无法射向入射斜面211a，另一方面，当道威棱镜211为微型道威棱镜时，微型道威棱镜的高度比较小，仅有几百纳米，使得微型道威棱镜所包括的入射斜面211a过小而不能将所有入射光完全导入波导输入部211，因此，在这个过程中光效保守估计为20％。
第二：由于阵列波导光栅221所包括的多个弯曲波导(如弧状波导)中，相邻两个弯曲波导具有光程差，使得在阵列波导光栅221对入射斜面211a所反射的光线进行衍射时，大约30％的光被弯曲波导耗损，入射斜面211a所反射的光线有70％的光被阵列波导光栅221衍射成多条谱线。
第三：输出波导阵列240(如输入波导阵列240包括多个弧形波导)将多条谱线传输至波导输出部212传输时，多条谱线被出射斜面211b反射，使得多条谱线从道威棱镜211射出，此时多条谱线在输出波导阵列240传输时会有部分损耗，使得90％的光从道威棱镜211射出。
综上可知：本发明实施例提供的分光装置200的输出光效Ioutput＝Iin×20％×70％×90％＝12.6％Iin。
若当上述光波导本体210包括光线和普通导光片时，在实际分光过程中，利用光纤将穿过第一透光层510的光线提供给输入波导230，则外界光线进入输入波导230的光效也可以近似认为20％(取决于光纤出光光斑半径)，采用色散光栅220对光线进行色散时，光效估值约90％(取决于光栅特性和类型)，输出波导阵列240乐观估计90％，最终用光栅取出色散后的单波长，此时效率乐观估计约为20％，则输出为：Ioutput＝Iin×20％×90％×90％×20％＝3.24％Iin。
由上述两种光效预估结果可以发现，本发明实施例还提供的分光装置200中，若光波导本体210是微型道威棱镜，色散光栅220为形式在道威棱镜211顶面的阵列波导光栅221，上述分光装置的光效比较高。
如图3和图9所示，当上述光波导本体为分体结构时，上述光波导本体210包括反射结构和多个衍射光栅，色散光栅220为凹面光栅222，输出波导阵列240包括多个导向波导，多个导向波导一一对应的设在凹面光栅222的罗兰圆2220所具有的多个光线聚焦点。例如：当罗兰圆2220具有三个光线聚焦点，即第一光线聚焦点J1、第二光线聚焦点J2和第三光线聚焦点J3，则输出波导阵列240包括三个导向波导，三个导向波导一一对应的设在三个光线聚焦点，用以对三个光线聚焦点所聚焦的光线进行导向；反射结构用于将透过第一透光层251的光线进行反射并提供给输入波导230；凹面光栅222用于将反射结构251提供的反射光线提供给凹面光栅222的凹面，凹面光栅222用于将输入波导230提供的反射光线衍射成多条谱线，使得多条谱线一一对应的聚焦在多个光线聚焦点；多个所述导向波导用于将多条谱线一一对应的传输至衍射光栅；多个衍射光栅用于一一对应的控制多条谱线穿过第一透光层251。
其中，上述反射结构可以为具有反射膜层的不透光装置，或其他光学反射结构，只要将外界光线反射至凹面光栅222的凹面即可。
如图9所示，上述凹面光栅222又称罗兰光栅(Rolland grating)，它的作用是使光既衍射又聚焦。制作该凹面光栅222时，可在凹面光学玻璃的凹面刻划一系列等间距线条，以形成凹面光栅222，使其具有衍射和聚焦两种功能。凹面光栅222的罗兰圆2220是指直径与凹面光栅222的曲率半径相同的圆，且该凹面光栅222的凹面与罗兰圆2220的切点为凹面光栅222的中心位置。
上述凹面光栅222接收输入波导230提供的光线后，可将反射光线提供的光线衍射成多条谱线时，上述反射结构应当位于罗兰圆2220的圆周上。同时，凹面光栅222将光线衍射后，可将衍射所形成的多条谱线分别聚焦在罗兰圆2220的圆周上，因此，上述罗兰圆2220具有多个光线聚焦点，在每个光线聚焦点意义对应的设置的多个导向波导，可将多条谱线引导一一对应的引导多个衍射光栅，使得多个衍射光栅一一对应的控制多条谱线穿过第一透光层251。如果对谱线精度要求比较高，可在每个导向波导的出口设置单独的衍射光栅，以控制每个导向波导所传输的谱线独立的穿过第一透光层251。
在实际生产过程中，上述光波导本体210为分体结构时，需要采用套刻工艺制作上述凹面光栅222、反射结构、输出波导阵列240和衍射光栅，当然也可以将现有可实现各自功能的输入波导230、凹面光栅222、反射结构、输出波导阵列240和衍射光栅按照要求的光路组装在一起，构成上述分光装置200。
如图10和图11所示，本发明实施例还提供了一种分光装置200的制作方法，包括：
步骤S200：形成光波导本体210和色散光栅220，光波导本体210用于传输光线并改变光线传播方向；色散光栅220用于对所述光波导本体210所传输的光线进行色散。
与现有技术相比，本发明实施例提供的分光装置200的制作方法的有益效果与上述分光装置200的有益效果相同，在此不做赘述。
在一些实施例中，如图10和图11所示，提供一光波导本体210前，上述分光装置200的制备方法还包括：
步骤S100：提供一第一透光层251；该第一透光层251所使用的材料的折射率小于光波导本体210和色散器件所使用的材料的折射率。第一透光层251可选择玻璃基板或者树脂制作的透光层。
形成光波导本体210和色散光栅220后，上述分光装置200的制作方法还包括：
步骤S300：在光波导本体210远离第一透光层251的表面形成第二透光层252，使得光波导本体210和色散光栅220位于第一透光层251和第二透光层252之间，第二透光层252所使用的材料的折射率小于光波导本体210和色散光栅220所使用的材料的折射率。第一透光层251可选择玻璃基板或者树脂制作的透光层。例如：在光波导本体210和色散光栅220后，在光波本体和色散光栅上方涂覆树脂，形成第二透光层251
在此基础上，如图10和图12所示，若上述光波导本体210为道威棱镜211，色散光栅220为阵列波导光栅221，上述形成光波导本体210和色散光栅220包括：
步骤S210：在第一透光层251的表面形成波导材料层700，且该波导材料层700所使用的材料的折射率大于第一透光层251所使用的材料的折射率。
示例性地，在第一透光层251的表面采用磁控溅射工艺或等离子体增强化学的气相沉积法形成波导材料层700。
步骤S220：利用波导材料层700制作道威棱镜211以及位于道威棱镜211顶面的阵列波导光栅221，使得道威棱镜211具有用于将进入道威棱镜211的的光线进行反射的入射斜面211a以及用于将多条谱线导出道威棱镜211的出射斜面211b。
进一步，如图10和图11所示，在第一透光层251的表面形成波导材料层700后，上述分光装置200的制作方法还包括：
利用波导材料层700制作形成输入波导230和输出波导阵列240，使得输入波导230用于将入射斜面211a所反射的光线提供给阵列波导光栅221，输出波导阵列240用于对多条谱线进行导向，使得多条谱线传输至出射斜面211b。
具体的，如图10和图13所示，上述利用波导材料层700制作道威棱镜211以及位于道威棱镜211顶面的阵列波导光栅221，以及利用波导材料层700制作形成在道威棱镜211顶面的输入波导230和输出波导阵列240包括：
步骤S221：在波导材料层700的上方制作作为道威棱镜模板、输入波导模板、阵列波导光栅模板和输出波导阵列模板的光学掩膜版800；
步骤S222：在光学掩膜版800的掩膜下对波导材料层700进行处理，获得道威棱镜以及位于道威棱镜211顶面的输入波导230、阵列波导光栅221和输出波导阵列240，使得道威棱镜211的倒角ψ与道威棱镜211的入射斜面211a的入射角α之和等于90°，道威棱镜211的底面入射角 n2为第一透光层251所使用的材料的折射率，nair为空气的折射率；
示例性的，在光学掩膜版800的掩膜下可采用干法刻蚀工艺对波导材料层700进行处理，获得道威棱镜211以及位于道威棱镜211顶面的输入波导230、阵列波导光栅221和输出波导阵列240。
可以理解的是，光学掩膜版800已经在步骤S221提前制作完成，因此，道威棱镜211、输入波导230、阵列波导光栅221和输出波导阵列240可在一次干法刻蚀工艺中完成制作，干法刻蚀工艺为电感耦合等离子体(ICP)干法刻蚀工艺，或其他可实现的干法刻蚀工艺。
步骤S223：去除光学掩膜版800，去除方法可根据光学掩膜版800的材料决定，此处不做详细说明。
具体的，如图10和图14所示，在波导材料层700的上方制作作为道威棱镜模板、输入波导模板、阵列波导光栅模板和输出波导阵列模板的光学掩膜版800包括：
步骤S2211：在波导材料层700背离第一透光层251的表面形成金属膜层810。示例性的，可采用溅射工艺在波导材料层700背离第一透光层251的表面的金属膜层810。
步骤S2212：在金属膜层810背离波导材料层700的表面形成光刻胶层820；示例性的，可采用旋涂工艺或涂覆工艺在金属膜层810背离波导材料层700的表面形成光刻胶层820。
步骤S2213：采用压印的方式对光刻胶进行处理，获得作为道威棱镜模板、输入波导模板、阵列波导光栅模板和输出波导阵列模板的光刻胶掩膜版831。
示例性的，将道威棱镜母版、输入波导母版、阵列波导光栅母版和输出波导阵列母版压印到光刻胶层820，使得光刻胶层820形成光刻胶掩膜版821。其中，
采用压印的方式对光刻胶进行处理制作道威棱镜模板的光刻胶掩膜版821时，其所使用的压印模板可采用如下方式制作。
采用湿法刻蚀(刻蚀溶液为KOH溶液、NaOH溶液或者HNO3溶液)刻蚀P型或N型的单晶硅，根据湿法刻蚀所使用的刻蚀溶液对单晶硅不同晶面的刻蚀速率，获取满足上述道威棱镜211要求的道威棱镜母版。
例如：图4所示的单晶硅的(111)晶面可形成倒角为54.7°的道威棱镜211，单晶硅的(100)晶面可形成倒角为47°的道威棱镜。
步骤S2214：在光刻胶掩膜版821的掩膜下对金属膜层810进行处理，获得作为道威棱镜模板、输入波导模板、阵列波导光栅模板和输出波导阵列模板的金属掩膜版811，使得金属掩膜版811和光刻胶掩膜版821构成光学掩膜版800。示例性的，上述金属膜层810所使用的材料为铝、铜等材料，对金属膜层810的处理方式可选择常规的干法刻蚀工艺。
在此基础上，上述去除光学掩膜版800包括：
去除光刻胶掩膜版821和金属掩膜版811。其中，可以用于化学溶剂去除光刻胶掩膜版821，也可以用氧等离子处理工艺将光刻胶掩膜版821灰化。可以使用化学溶剂或其他物理方法去除金属掩膜版811。
由上可知，在制作光学掩膜版800时，首先采用压印工艺形成光刻胶掩膜板，然后再以光刻胶掩膜板为掩膜对金属膜层810进行处理，而金属材料难以刻蚀，使得金属掩膜版811所具有的开口部沿着垂直于第一透光层251的方向比较陡直，这样在利用光学掩膜版对波导材料层700进行处理时，可使得所制作的道威棱镜211、输入波导230、阵列波导光栅221和输出波导阵列的精度比较高，从而更好的实现光线色散。
另外，在制作上述道威棱镜211、输入波导230、阵列波导光栅221和输出波导阵列时，输入波导230、阵列波导光栅221和输出波导阵列240的尺寸可以为微米级尺寸，无需采用套刻工艺完成道威棱镜211、输入波导230、阵列波导光栅221和输出波导阵列240的制作，从而简化分光装置200的制作步骤。
当上述光波导本体210包括的波导输入部211和波导输出部212为分体结构，色散光栅220为凹面光栅222时，凹面光栅222的侧壁的垂直度与衍射效率直接相关，因此有严格要求，工业生产时，难度较大，使得制作分光装置200需要采用套刻工艺完成。
如图3和图15所示，本发明实施例还提供了一种光色散方法，其应用上述分光装置200，该光色散方法包括：
步骤S410：光波导本体210接收入射光线，将入射光线进行反射，获得反射光线；
步骤S420：色散光栅220将反射光线进行色散，获得不同波长的色散谱线；
步骤S430：光波导本体210将色散谱线导出。
与现有技术相比，本发明实施例提供的光色散方法的有益效果与上述分光装置200的有益效果相同，在此不做赘述。
如图4～图8和图16所示，当上述光波导本体210为道威棱镜211，上述色散光栅220为阵列波导光栅221，同时还包括输入波导230和输出波导阵列240时，上述光色散方法包括：
步骤S410A：外界光线穿过第一透光层251射向道威棱镜211的入射斜面211a，入射斜面211a将外界光线进行反射，获得反射光线，并利用输入波导230将反射光线传输至阵列波导光栅221；
步骤S420A：阵列波导光栅221将反射光线进行衍射，获得多条谱线；输出波导阵列240将多条谱线引导至道威棱镜211的出射斜面211b；
步骤S430A：道威棱镜211的出射斜面211b将多条谱线进行反射，使得多条谱线从第一透光层251导出。
如图3和图9和图17所示，当上述光波导本体210为普通的反射结构，上述色散光栅220为凹面光栅222，同时还包括输入波导230和输出波导阵列240时，上述光色散方法包括：
步骤S410B：外界光线穿过第一透光层251射向反射结构的反射面，反射面将外界光线进行反射，获得反射光线，并利用输入波导230将反射光线传输至凹面光栅222的凹面；
步骤S420B：凹面光栅222的凹面将反射光线进行衍射，获得多条谱线，多条谱线并一一对应的聚焦在凹面光栅222的罗兰圆2220所具有的多个光线聚焦点；每个光线聚焦点所设置的导向波导将对应的谱线引导至对应衍射光栅；
步骤S430B：每个衍射光栅控制对应谱线穿过第一透光层251。
如图4所示，本发明实施例还提供了一种光谱仪，该光谱仪包括上述分光装置200。
与现有技术相比，本发明实施例提供的光谱仪的有益效果与上述分光装置200的有益效果相同，在此不做赘述。
在一些实施例中，如图4所示，上述光谱仪还包括：准直光源100和感应基板400，准直光源100用于向分光装置200提供准直光线，感应基板400用于检测分光装置200所导出的多条谱线。准直光源100可以为光纤提供的准直光源100或者准直性较高的准直微LED芯片；从成本角度考虑，选择准直微LED芯片作为准直光源100。至于准直光源100所提供的准直光线的颜色可根据实际情况设定，一般选择白光，当然不限于白光。
当上述分光装置200包括第一透光层251和第二透光层252时，上述准直光源100的出光口与第一透光层251远离光波导本体210的表面相对，以保证准直光源100可将准直光线提供给光波导本体210。例如：当上述光波导本体210为道威棱镜211时，道威棱镜211的入射斜面211a在第一透光层251所在平面的正投影至少与准直光源100的出光口在第一透光层251所在平面的正投影重合，这样就能够保证准直光源100所提供的准直光线能够射向入射斜面211a，而不会发生较大的发散。
当上述光波导本体210中波导输入部211包括反射结构时，反射结构的反射面在第一透光层251所在平面的正投影至少与准直光源100的出光口在第一透光层251所在平面的正投影重合，这样就能够保证准直光源100所提供的准直光线能够射向反射结构的反射面，而不会发生较大的发散。
具体的，如图4所示，当上述光谱仪应用于微流体检测时，若分光装置200包括第一透光层251和第二透光层252，上述光谱仪还包括微流基板300，微流基板300设在分光装置200所包括的第一透光层251与感应基板400之间。同时，为了保证上述准直光源100可以将光线提供给光波导本体210，需要至少使得微流基板300与分光装置200错位，以将准直光源100设在错位部。当然在微流基板300与分光装置200错位时，上述感应基板400也可以与分光装置200错位，以让出更多的位置容纳准直光源100，这样就可以使得准直光源100的尺寸选择范围比较宽。
可选的，如图4所示，上述微流基板300包括第一衬底基板310以及设在第一衬底基板310上的反应池321、废液池333和多个微流通道322；反应池321、废液池333和多个微流通道322应当位于第一衬底基板310靠近第一透光层251的表面，以避免微流体受到重力影响。其中，图4所示出的反应池321、废液池333和多个微流通道322只是示意性的表示，并未示出其连接关系。
具体实施时，微流体在反应池321内反应，该反应可以为化学反应，也可以为物理变化，反应后的微流体进入多个微流通道322，多条谱线一一对应的进入多个微流通道322内对反应后的微流体进行检测，使得多条谱线携带微流体信息。
为了保证谱线可以更好的检测微流体，如图4所示，多条谱线应当沿着垂直于第一透光层251的方向一一对应的垂直射入多个微流通道322。此时只需根据多条谱线在第一透光层251的出射方向调节多个微流通道322的在第一衬底基板310的形成位置即可。至于多条谱线从第一透光层251的射出的方向可通过调节前文分光装置200所包括的波导输入部211、波导输出部212、色散光栅220和输出波导阵列即可。
在一种实现方式中，如图4所示，第一衬底基板310为柔性基板，柔性基板的材料为聚二甲基硅烷(PDMS)或聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)，当然不仅限于此。又例如：第一衬底基板310包括光学基板，光学基板的表面覆盖有光刻胶，即涂胶层320；光学基板可以为玻璃基板，也可以为其他光学材料制作的基板。
在一种实现方式中，如图4所示，第一衬底基板310上的微流通道322为形成在第一衬底基板310上的盲孔。
可选的，上述微流通道322的径向长度和轴向长度可根据具体谱线的带宽设计，其单位可以是微米、纳米或埃，具体根据实际情况选择。上述微反应池321、微流通道322和废液池333的形成方式可以为普通的曝光显影方法、刻蚀或者其他构图工艺形成在玻璃基板、硅基板或者聚合物所制作的柔性基板上。
进一步，上述每个微流通道322的内壁形成有亲水调节层，以使微流体在微流通道322内根据实验需求流动或者短暂滞留。该亲水调节层为亲水膜层或疏水膜层。例如：微流体为亲水性物质，上述调节层为特氟龙-AF疏水膜层，可以使微流体尽可能不粘附在微流通道322内，以加快微流体的流动速度。
可选的，如图4所示，上述感应基板400包括第二衬底基板410以及设在第二衬底基板410上的多个光敏探测器420。该光敏探测器420的可选种类比较多，一般为电荷藕合器件图像传感器、CMOS晶体管、PIN晶体管等，在此不做详述。
其中，每个微流通道322在第二衬底基板410所在平面的正投影覆盖至少一个光敏探测器420在第二衬底基板410所在平面的正投影，这样就能够保证谱线通过对应微流通道322时所携带的微流体信息能够被至少一个光敏探测器420所检测；且光敏探测器420的数量越多，微流体的检测灵敏度越高。
可以理解的是，如图4所示，上述微流基板300与光敏探测器420之间的距离不仅与光敏探测器420的信噪比有关，还与分光装置200所提供的多条谱线的出光方向有关。但无论如何，在微流基板300与感应基板400紧密接触的情况下，可更好的保证谱线被光敏探测器420所检测。基于此，多个光敏探测器420位于第二衬底基板410和第一衬底基板310远离微反应池321、废液池333和多个微流通道322的表面之间，这样光敏探测器420与微流通道322之间的距离会尽可能的小。
如图4所示，为了保护光敏探测器420，上述微流基板300和感应基板400之间还设有缓冲层600，功能层的厚度尽肯能的小，以避免缓冲层600对谱线的影响。
在上述实施方式的描述中，具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (15)

1.一种分光装置，其特征在于，包括光波导本体和色散光栅，所述光波导本体用于传输光线并改变光线传播方向，所述色散光栅用于将所述光波导本体所传输的光线色散成多条谱线。
2.根据权利要求1所述的分光装置，其特征在于，所述分光装置还包括第一透光层和第二透光层，所述光波导本体设在所述第一透光层和所述第二透光层之间，所述色散光栅位于所述第二透光层与所述光波导本体之间，所述光波导本体和色散器件所使用的材料的折射率均大于所述第一透光层所使用的材料的折射率和所述第二透光层所使用的材料的折射率。
3.根据权利要求2所述的分光装置，其特征在于，所述分光装置还包括位于所述第一透光层和所述第二透光层之间的输入波导和输出波导阵列，所述输入波导用于将所述光波导本体所传输的光线提供给色散光栅，所述输出波导阵列用于对所述多条谱线进行导向，使得所述光波导本体将多条谱线从第一透光层导出。
4.根据权利要求3所述的分光装置，其特征在于，所述输出波导阵列包括与多条谱线一对应的多个导向波导，多个导向波导形成在所述道威棱镜的顶面，相邻两个所述导向波导之间具有第二空隙，多个导向光波导用于将对应谱线传导至所述出射斜面。
5.根据权利要求3所述的分光装置，其特征在于，所述光波导本体为道威棱镜，所述道威棱镜的底面与所述第一透光层相对，所述道威棱镜的顶面与所述第二透光层相对，所述输入波导、输出波导阵列和所述色散光栅均设在所述道威棱镜的顶面，所述道威棱镜具有用于将进入道威棱镜的光线进行反射的入射斜面以及用于将多条谱线导出道威棱镜的出射斜面；所述输入波导用于将所述入射斜面所反射的光线提供给色散光栅，所述输出波导阵列用于对所述多条谱线进行导向，使得所述多条谱线传输至所述出射斜面；
所述道威棱镜的倒角ψ与所述道威棱镜的入射斜面的入射角α之和等于90°，所述道威棱镜的底面入射角n2为第一透光层所使用的材料的折射率，nair为空气的折射率，所述道威棱镜所使用的材料折射率为1.8-1.9，ψ≤56.25°，α≤33.75°。
6.根据权利要求4所述的分光装置，其特征在于，所述色散光栅为形成在道威棱镜顶面的阵列波导光栅，所述阵列波导光栅包括多个弯曲波导，相邻两个所述弯曲波导之间具有第一空隙，相邻两个所述弯曲波导具有光程差。
7.根据权利要求3所述的分光装置，其特征在于，所述光波导本体包括反射结构和多个衍射光栅，所述色散光栅为凹面光栅，所述输出波导阵列包括多个导向波导；多个导向波导一一对应的设在凹面光栅的罗兰圆所具有的多个光线聚焦点；
所述反射结构用于将透过第一透光层的光线进行反射并提供给输入波导；
所述输入波导用于将所述反射结构提供的反射光线提供给所述凹面光栅的凹面；
所述凹面光栅用于将所述输入波导提供的反射光线衍射成多条谱线，使得多条谱线一一对应的聚焦在多个光线聚焦点，
多个所述导向波导用于将多条谱线一一对应的传输至衍射光栅；
多个衍射光栅用于一一对应的控制多条谱线穿过第一透光层。
8.一种分光装置的制作方法，其特征在于，包括：
形成光波导本体和色散光栅，所述光波导本体用于传输光线并改变光线传播方向；所述色散光栅用于对所述光波导本体所传输的光线进行色散。
9.根据权利要求8所述的分光装置的制作方法，其特征在于，
所述提供一光波导本体前，所述分光装置的制备方法还包括：提供一第一透光层；所述第一透光层所使用的材料的折射率小于所述光波导本体和色散器件所使用的材料的折射率；
所述形成光波导本体和色散光栅后，所述分光装置的制作方法还包括：在所述光波导本体远离第一透光层的表面形成第二透光层，使得所述光波导本体和所述色散光栅位于所述第一透光层和所述第二透光层之间；所述第二透光层所使用的材料的折射率小于所述光波导本体和色散光栅所使用的材料的折射率。
10.根据权利要求9所述的分光装置的制作方法，其特征在于，若所述光波导本体为道威棱镜，所述色散光栅为阵列波导光栅，所述形成光波导本体和色散光栅包括：
在所述第一透光层的表面形成波导材料层，所述波导材料层所使用的材料的折射率大于所述第一透光层所使用的材料的折射率；
利用所述波导材料层制作道威棱镜以及位于道威棱镜顶面的阵列波导光栅，使得所述道威棱镜具有用于将透过第一透光层的光线进行反射的入射斜面以及用于将多条谱线导出的出射斜面；
在所述第一透光层的表面形成波导材料层后，所述分光装置的制作方法还包括：利用所述波导材料层制作形成在道威棱镜顶面的输入波导和输出波导阵列，使得所述输入波导用于将所述入射斜面所反射的光线提供给阵列波导光栅，所述输出波导阵列用于对所述多条谱线进行导向，使得所述多条谱线传输至所述出射斜面。
11.根据权利要求10所述的分光装置的制作方法，其特征在于，利用所述波导材料层制作道威棱镜以及位于道威棱镜顶面的阵列波导光栅，以及利用所述波导材料层制作形成在道威棱镜顶面的输入波导和输出波导阵列包括：
在所述波导材料层的上方制作作为道威棱镜模板、输入波导模板、阵列波导光栅模板和输出波导阵列模板的光学掩膜版；
在所述光学掩膜版的掩膜下对所述波导材料层进行处理，获得道威棱镜以及形成在道威棱镜顶面的输入波导、阵列波导光栅和输出波导阵列，使得所述道威棱镜的倒角ψ与所述道威棱镜的入射斜面的入射角α之和等于90°，所述道威棱镜的底面入射角n2为第一透光层所使用的材料的折射率，nair为空气的折射率；
去除所述光学掩膜版。
12.根据权利要求11所述的分光装置的制作方法，其特征在于，所述在所述波导材料层的上方制作作为道威棱镜模板、输入波导模板、阵列波导光栅模板和输出波导阵列模板的光学掩膜版包括：
在所述波导材料层背离第一透光层的表面形成金属膜层；
在所述金属膜层背离波导材料层的表面形成光刻胶层；
采用压印的方式对光刻胶层进行处理，获得作为道威棱镜模板、输入波导模板、阵列波导光栅模板和输出波导阵列模板的光刻胶掩膜版；
在所述光刻胶掩膜版的掩膜下对所述金属膜层进行处理，获得作为道威棱镜模板、输入波导模板、阵列波导光栅模板和输出波导阵列模板的金属掩膜版，使得所述金属掩膜版和所述光刻胶掩膜版构成光学掩膜版；
所述去除所述光学掩膜版包括：
去除所述光刻胶掩膜版和所述金属掩膜版。
13.一种光色散方法，其特征在于，应用权利要求1～7任一项所述分光装置，所述光色散方法包括：
光波导本体接收入射光线，将入射光线进行反射，获得反射光线；
色散光栅将反射光线进行色散，获得不同波长的色散谱线；
光波导本体将色散谱线导出。
14.一种光谱仪，其特征在于，包括权利要求1～7任一项所述分光装置。
15.根据权利要求14所述的光谱仪，其特征在于，当所述分光装置包括第一透光层和第二透光层时，所述光谱仪还包括：准直光源、感应基板和微流基板；所述微流基板位于所述感应基板和所述第一透光层之间，所述准直光源的出光口与所述第一透光层远离光波导本体的表面相对；
所述微流基板包括第一衬底基板、反应池、废液池和多个微流通道，所述反应池、所述废液池和多个所述微流通道相互连通，所述反应池、所述废液池和多个所述微流通道位于第一衬底基板靠近第一透光层的表面，每个所述微流通道的内壁形成有亲水调节层；
所述感应基板包括第二衬底基板和多个光敏探测器，多个光敏探测器位于所述第二衬底基板和所述第一衬底基板远离微反应池、废液池和多个微流通道的表面之间；
每个微流通道在第二衬底基板所在平面的正投影覆盖至少一个光敏探测器在所述第二衬底基板所在平面的正投影。
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