CN110300907B - 光谱仪系统与生成用于光学应用的设备的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及光谱仪系统与生成用于光学应用的设备的方法，并且特别是涉及一种包括光波导的设备，所述光波导沿光传播轴具有第一折射率，被具有第二折射率的多个散射部分打断。每个散射部分具有大致垂直于所述光传播轴的长轴以及大致垂直于所述光传播轴与所述长轴的短轴。接收器单元或发射器单元设置在所述光波导的一侧上，所述长轴大致垂直即正交于设置有所述接收器单元或发射器单元的所述一侧的平面。因此，可以实现光学设备的简化和小型化。

Description

光谱仪系统与生成用于光学应用的设备的方法
技术领域
本发明涉及用于光学应用的设备、光谱仪系统以及生成用于光学应用的设备的方法，并且特别涉及包括光波导的设备，所述光波导沿光传播轴具有第一折射率，并且被具有第二折射率的多个部分打断。
背景技术
光学布拉格光栅(例如光纤布拉格光栅(FBG))是众所周知的。FBG是光纤中的一种分布布拉格反射器，它反射选定波长的光并透射其它波长的光。布拉格光栅由纤芯的折射率的周期性变化而构成，纤芯因所选择的干涉而生成波长特定的介质镜。因此，FBG可以充当滤光器以阻挡/反射某些波长。在光纤中形成的布拉格光栅通常占据光纤的长度在1毫米至几厘米范围内的一小区段。
光学布拉格光栅也可以被用于从波导中耦合输出特定波长的光，其中，在这种光栅中，沿波导(例如，光纤)的光轴的折射率的变化在光纤的宽度上是不均匀的，但该折射率的变化介于光轴与垂直于该光轴的轴之间的角度。因此，这种光栅被称为倾斜光纤布拉格光栅。该倾斜的角度必须选择得足够大，使得具有满足布拉格条件的波长的光可以离开该波导。而且，反射是偏振相关的，使得仅反射在栅面内线性偏振的光。因此，这种光栅具有波长及偏振选择性。
光在光栅上的色散散射也是已知的，但通常是不希望的，因为该色散散射会导致穿过波导的光衰减。对于II型光栅，可以观察到因衍射散射而造成的特别强的损耗，该II型光栅是通过以高于玻璃的损伤阈值来操作的高强度紫外激光或飞秒级激光来刻写的。例如，可以使用飞秒级激光以脉冲能量约为0.1μJ或更大、脉冲持续时间约为100fs来逐点刻写光栅。
通过更详细地研究光栅的散射，本发明人得出结论，通过根据需要设计光栅，可以将通常不希望的散射效应用于光学应用，使得可以实现光学设备的简化和小型化。
发明内容
因此，目的是提供一种用于使用波导的光学应用的新颖设备以及生成该设备的方法。
根据实施方式，一种用于光学应用的设备，设备包括：光波导，光波导被配置成沿光传播轴引导光并且沿光传播轴具有第一折射率，被具有第二折射率的多个部分打断，其中，各个部分具有大致垂直于光传播轴的长轴以及大致垂直于光传播轴与长轴的短轴。而且，该设备包括接收器单元，接收器单元被设置在光波导的一侧上。接收器单元被设置为：沿处于由长轴与光传播轴规定的主散射面中的散射方向接收从多个部分散射的光。因此，可以提供这样一种设备，即，该设备允许有效地耦合输出来自光波导的光并且以相对于所述波导的所述光传播轴的特定角度在波导的一侧接收光。
根据另一实施方式，一种用于光学应用的设备，设备包括：光波导，光波导被配置成沿光传播轴引导光并且沿光传播轴具有第一折射率，被具有第二折射率的多个部分打断，其中，各个部分具有大致垂直于光传播轴的长轴以及大致垂直于光传播轴与长轴的短轴。而且，设备包括发射器单元，发射器单元被设置在光波导的一侧上。发射器单元被设置为沿处于由长轴与光传播轴规定的主散射面中的散射方向向多个部分发射光，其中，该散射方向具有相对于光传播轴的散射角。因此，可以提供这样一种设备，即，该设备允许通过以相对于光波导的光传播轴的特定角度，将光发射到波导上，特别是发射到包括具有第二折射率的多个部分的区段上，以将光有效地耦合输入至波导中。
根据有利的示例，设备的接收器单元可以是检测器，接收器包括按行设置的检测器元件，检测器元件检测沿散射方向从多个部分散射的光。特别地，不同波长的光可以具有不同的散射方向，因此具有相对于波导的光传播轴的不同的角度，使得不同的检测器元件检测不同波长的光。因此，根据检测器元件对光的检测，可以确定波长。
根据另一有利的示例，检测器元件的行大致平行于光传播轴并且位于主散射面中。因此，可以在光波导的外部以高效率检测从光波导的多个散射部分散射的光。
根据另一有利的示例，多个部分形成沿光传播轴的方向的衍射光栅。在一个示例中，部分之间的距离被选择，使得在主散射面中，通过在多个部分处散射的光的干涉来获得透镜功能。在另选或附加示例中，波导的光传播轴被弯曲，使得在主散射面中，通过在沿弯曲的光传播轴设置的多个部分处散射的光的干涉来获得透镜功能。因此，具有形成光栅的多个部分的区段不限于周期性设置的部分，而是可以按这样的方式选择和设计所述部分之间的距离：该部分上的散射或衍射导致对应于光学透镜功能的干涉效果。
在一个示例中，透镜功能对应于这样的聚焦透镜，即，该聚焦透镜将在多个部分处散射的光聚焦到接收器单元上，或者通过在多个部分处散射以将来自发射器单元的光聚焦到光波导上。因此，可以省去附加光学器件或波导外部的光学器件，以使简化用于诸如光谱测定法之类的光学应用的设备。
根据另一有利的示例，光波导的具有第二折射率的各个部分具有近似椭圆体的形状，其中，椭圆体的长轴比在光波导中引导的光的波长的两倍大，并且椭圆体的短轴大约为光的波长或者比光的波长小。因此，在由长轴与光传播轴规定的主散射面中散射的光比在由短轴和光传播轴规定的次散射面中散射的光更多，从而增加了例如当在主散射面中检测光时的效率。
根据另一有利的示例，光波导还包括沿光传播轴的光学布拉格光栅，以便提供衍射的光。因此，可以在波导中包括(正常)布拉格光栅，该布拉格光栅提供衍射的参考光，例如，沿光传播轴的方向上背向反射的特定波长的光。
根据另一有利的示例，多个部分被调整，使得主散射面中的针对沿光传播轴的一个传播方向传播的光的散射方向不同于主散射面中的针对沿传播方向的相反方向传播的光的另一散射方向。因此，不同(例如，相反)的传播方向的光沿不同的散射方向耦合输出，使得在波导的外部空间上简单地分离来自不同的传播方向的光。
根据另一实施方式，提供一种光谱仪系统，该光谱仪系统包括光源和上述设备，其中，在波导正面的输入端口处将光源的光耦合至光波导中，以便沿光传播轴引导光。因此，可以实现具有小尺寸的光谱仪。
根据另一有利的示例，该光谱仪系统包括：光学布拉格光栅传感器，光学布拉格光栅传感器被联接至光波导的输出端口，以便接收沿光传播轴传播的光。因此，可以利用简单且小型的光谱仪系统容易地分析受布拉格光栅传感器影响的光。
根据另一有利的示例，光波导包括彼此大致平行的至少两个光传播轴。因此，光波导中耦合的光可以根据其光传播轴来进行不同的分析或处理。
根据另一有利的示例，光谱仪系统包括沿光传播轴的方向一个接一个地设置的至少两个上述设备。因此，当光波导中耦合的光传播通过光波导并通过第一设备和随后的第二设备时，可以顺序地分析或处理在光波导中耦合的光。
根据另一实施方式，一种生成用于光学应用的设备的方法，该方法包括以下步骤：提供光波导，光波导被配置成沿光传播轴引导光并且沿光传播轴具有第一折射率。方法还包括以下步骤：在光传播轴上聚焦短激光脉冲，以生成具有第二折射率的多个部分，使得各个部分具有大致垂直于光传播轴的长轴以及大致垂直于光传播轴与长轴的短轴。另外，方法包括以下步骤：将接收器单元设置在光波导的一侧上，以便能够沿处于由长轴与光传播轴规定的主散射面中的散射方向接收来自多个部分的光。另选地，方法包括以下步骤：将发射器单元设置在光波导的一侧上，以便能够沿处于由长轴与光传播轴规定的主散射面中的散射方向向多个部分发射光。因此，生成了这样一种设备，即，该设备允许有效地耦合输出来自光波导的光/向光波导耦合输入光，并且以相对于波导的光传播轴的特定角度，在波导的一侧接收光/从波导的一侧发射光。
在权利要求中公开了本发明的进一步的有利特征。
附图说明
图1A例示了根据本发明的实施方式的用于光学应用的设备的元件。
图1B例示了根据本发明的另一实施方式的用于光学应用的设备的元件。
图2以横截面图例示了可用于图1A和图1B的设备的示例性波导。
图3例示了根据本发明另一实施方式的具有光学聚焦功能的特定设备的元件。
图4例示了根据本发明另一实施方式的通过弯曲波导而具有光学聚焦功能的特定设备的元件。
图5定性地例示了根据一个实施方式的光谱仪的性能和现有技术的光谱仪的性能。
图6例示了具有针对一个传播方向的光的光学聚焦功能的特定设备的元件。
图7针对不同的波长定性地例示了图6的设备的效果。
图8例示了具有两个光传播轴的特定设备的元件。
图9例示了根据实施方式的光谱仪系统。
图10例示了根据另一实施方式的多芯询问器系统。
图11例示了利用几何光学原理的球面波的模拟。
具体实施方式
参照附图，对优选实施方式进行描述。应注意到，以下描述仅包含示例，并且不应被视为对本发明进行限制。
下面，相似或相同的参考标号表示相似或相同的元件或操作。
总体上，这些实施方式涉及用于光学应用(诸如光谱学或光学询问方法)的设备，所述设备包括光波导，所述光波导被配置成：沿光传播轴引导光并且沿所述光传播轴具有第一折射率，被具有第二折射率的多个散射部分打断，所述多个散射部分分布在所述光波导的一段上。各个散射部分具有大致垂直于光传播轴的长轴以及大致垂直于光传播轴与长轴的短轴。接收器单元或发射器单元被设置在光波导的一侧上，长轴大致垂直(即，正交)于设置有接收器单元或发射器单元的这一侧的平面。
接收器单元被设置为：沿处于由长轴与光传播轴规定的主散射面的散射方向接收从多个部分散射的光。在另选的发射器的情况下，发射器单元被设置为沿处于由长轴与光传播轴规定的主散射面的散射方向向多个部分发射光。
即，在所述实施方式中，将具有折射率改变部分的光栅状结构引入波导的一段中。所述部分一个接一个地设置，所述部分之间有具有另一折射率的材料，使得光由于所述部分的折射率与光波导中的光导结构的折射率之间的折射率差异而被散射，其中，散射的光相对于所述光波导的光传播轴以某些角度相长干涉。因此，光可以在散射部分处从波导耦合输出，并且类似地，可以在这些部分处被耦合输入至波导。
图1A例示了根据本发明的实施方式的设备100的元件，这些元件包括光波导(例如，由第一层110、第二层120以及第三层115制成)以及接收器单元140(例如，检测器)。接收器单元140不限于检测器，在其它示例中，接收器单元140可以是另一个或者甚至同一个波导中接收光并进一步引导光的另一多个部分。
已知光波导的若干示例，例如，光纤(例如玻璃纤维、聚合物纤维或具有波导的块状玻璃基板)、具有波导结构的聚合物等，并且本发明不限于特定的波导。例如，光波导可以是具有不同折射率的三个介质层的介质板波导，其中，选择折射率以在第二(中间)介质层中引导光。将在下文中完全作为例示性示例提及的常见示例是光纤，其中层120被视为由包层110、115所包围的芯。因此，在大致为圆柱形光纤的示例中，层110和层115是相同的，都属于同一包层。稍后将参照图2，对作为示例性光波导的光纤的优选实施方式进行更详细讨论。
图1A中的将被视为构成光纤以简化以下讨论的光波导110、光波导115、光波导120被配置成沿光传播轴来引导光，该光传播轴可以由具有第一折射率的芯120以及具有不同折射率且同轴地围绕芯的包层110(与115相同)来实现。芯120通常引导光强度的最大部分，使得由此可以认为光纤的芯的中心基本上确定了光传播轴的方向。
在设备100中，芯120被具有与第一折射率不同的第二折射率的多个部分打断数次，使得光在这些部分处衍射/散射。该多个部分130可以被周期性地设置成全部彼此等距，或者该多个部分之间的距离可以改变，例如，以实现从这些部分散射且相长干涉的光的特定光学功能。当在此提及术语光时，光不限于可见光，而是本文所述的技术也适用于紫外(UV)光和红外(IR)光。
散射部分130具有大致垂直于光传播轴的长轴以及大致垂直于光传播轴和长轴的短轴。例如，散射部分130可以具有椭圆形状。散射部分的长轴和短轴的尺寸的这些差异导致散射的光的强度的很大差异。因此，从波导沿处于由长轴与光传播轴所规定的主散射面中的散射方向发射的光要多于从波导沿处于由短轴和光传播轴所规定的次散射面中的散射方向发射的光。
例如，为了在图1A的主散射面中实现来自光波导的强散射/衍射，长轴可以比在光波导中引导的光的波长的两倍大，并且短轴可以大约为光的波长或者比所述光的波长小。优选地，对所述部分之间的距离和所述部分的尺寸进行选择，使得大部分光沿主散射面的光散射方向发射，该主散射面具有与光传播轴成30度至150度的角度。例如，光散射方向可以与衍射级(优选为第一衍射级)交叠。
在图1A中，设备100包括在该示例中实现为检测器的接收器单元140。该检测器检测从散射部分130散射的光。为了检测散射的光，将接收器单元设置在光波导的一侧上，使得该接收器单元接收大部分散射的光，即，在主散射面的一侧的大部分散射的光。长轴大致垂直(即，正交)于设置有接收器单元的一侧的平面。
如可以在图1A中看出，针对不同的波长，示出了主散射面(这里是纸张平面)中的三个不同的光散射方向；虚线代表蓝光，点线表示绿光以及实线表示红光。
在一个实施方式中，设备100的检测器140包括按行设置的检测器元件，该检测器元件检测从多个部分沿散射方向散射的光。在稍后将讨论的图3的检测器340上显示了检测器元件。例如，在图1A中，图1A中的检测器右侧的检测器元件可以检测蓝光，中间的检测器元件可以检测绿光，左侧的检测器元件可以检测红光。具有检测器元件的检测器的示例是CCD芯片、线性二极管阵列或类似物。
在图1A的示例中，所述检测器元件的行大致平行于光传播轴并且位于主散射面中。特别地，如果考虑到光的传播方向是从纸的左侧到右侧，则检测器140位于纤芯的右侧。
应当理解，检测器也可以被置于同一平面内纤芯的左侧(当从箭头所示的光传播方向上看时)。然而，尽管从部分130散射和衍射的光以对称的锥形发射，其中锥形的对称轴是纤芯，但将检测器定位在上方或下方(纸平面)可能是不利的，因为那时仅可以接收在由短轴和光传播轴规定的次要散射面中散射的光。
在图1B中，例示了设备100'，其包括与设备100相同的光波导，但不同之处在于接收器单元140被替换成了发射器单元150。如上所述，光波导110和光波导120可以是具有纤芯120和包层110的光纤。部分130再次散射和衍射光，但在图1B中，光被耦合至光纤的芯120中，因为该光是来自波导外部的发射器单元。由激光器发射的虚线例示了单个波长，该激光器是发射器单元150的示例。
发射器单元150还设置在光波导的一侧上。特别地，发射器单元150被设置为沿处于由长轴与光传播轴规定的主散射面的散射方向，从光波导外部向多个部分发射光。如可以在图1B中看出，散射方向具有相对于光传播轴的大约60°的散射角。
在设备100和设备100'中，由于散射部分引入的折射率变化光会发生局部散射。根据几何光学，由散射部分产生的球面波的叠加可以导致在相对于光传播方向的某些角度中观察到定向的并且波长相关的相长干涉(参见图11)。通过控制所述部分之间的距离(该距离基本上对应于光栅的“线”)，可以设计干涉的光学特性。
部分130的作用类似于光栅的线，然而，这些部分不是线，而是优选为椭圆结构，例如椭圆体，其会导致散射会更主要地出现在该椭圆体的长轴与光传播轴的平面中。对于不同的偏振态，可以观察到杂散光强度的变化，而对于球形部分，散射看起来是偏振无关的。有趣的是，可以将上述效果用于沿特定散射方向耦合输入或耦合输出光，如图1A和图1B所示。
图2例示了包括芯220和包层210的示例性波导200的横截面图。如上所述，沿光传播方向，具有第一折射率(例如1.460)的芯被具有第二折射率(例如1.462)的部分打断。图2中所示的横截面示出了打断芯(即，被放置在芯中)的部分230，使得传播至芯的光经历折射率变化，特别地，这对于长轴(对应于图中的垂直轴)上的影响比对于短轴(对应于图中的水平轴)上的影响更大。
在图2中，作为所述多个部分其中之一的部分230具有近似椭圆体的三维形状(在二维的图2中例示了椭圆形)，其中，优选地，该椭圆体的长轴比在光波导中引导的光的波长的两倍大，并且椭圆体的短轴大约为光的波长(即，1x波长+/-0.5x波长)或者比光的波长小。根据一个优选示例，长轴可以是波长的三倍或更大，短轴可以是波长的1.5倍或更小。
在图3中，例示了设备300，设备300包括与设备100和设备100'基本相同的光波导，但是该波导中包括多个部分的区段已经被专门设计成并入了光学功能。更详细地说，这些部分之间的距离按这样的方式来选择：在箭头所示的左侧进入波导并沿光传播轴传播的光在散射部分处被散射，使得特定波长的光聚焦在波导的一侧上的特定点上，优选为聚焦在诸如检测器340之类的检测器上。
由于不同的波长被不同地散射并且具有不同的散射方向(和散射角)，在不同的散射方向中不同的波长相长干涉，因此可以将不同的波长聚焦在检测器340的不同部分上。特别地，表示蓝光的实线聚焦在检测器的右侧，表示绿光的虚线聚焦在检测器的中间，而表示红光的点聚焦在检测器的左侧。
在图3的示例中，多个部分在波导的芯120中形成沿光传播轴的方向的衍射光栅。特别地，在该实施方式中，光栅还通过聚焦光来充当成像光学器件。无疑地，通过特定的距离选择而被编码至多个部分的光学功能不限于聚焦透镜功能。
换句话说，部分之间的距离被选择成使得在主散射面中，通过在多个部分330处散射的光的干涉来获得透镜功能，其中，在一个示例中，该透镜功能相当于聚焦透镜，该聚焦透镜对在多个部分处散射的光进行聚焦。因此，可以在检测器上直接对光进行成像，因为可以通过光栅部分之间的特定距离将非球面成像功能集成在波导中。
代替在制造如图3中的波导时对所述部分之间的特定距离进行选择，而是可以通过弯曲具有周期性地设置的散射部分的光纤来实现类似的效果。这基本上相当于使光传播轴弯曲，使得在主散射面中，通过在沿弯曲的光传播轴设置的多个部分处散射的光的干涉来获得透镜功能。图4中提供了提供聚焦透镜的光学功能的示例。
在图4中，设备400包括弯曲的波导，其中，曲率会以与图3中相同的方式导致相长干涉，以便获得将不同波长聚焦在检测器上的效果。
在一个实施方式中，设备300和设备400可以用作光谱仪，该光谱仪中不需要特殊的狭缝、光栅或成像光学器件，因为波导及其光引导段充当狭缝，并且多个散射部分充当衍射光栅，这大大简化了光谱仪的结构。
根据一个实施方式，提供了一种光谱仪系统，该光谱仪系统包括光源和上述设备100、设备100'、设备300或设备400中的一个设备，其中，光源的光被耦合到输入端口处的光波导中，以便沿光传播轴引导光。该光源可以优选为具有宽波长范围的光源，例如超辐射发光二极管(S-LED)或来自卤素灯或钨灯的白光。
作为上述的结果，要获得光谱仪，仅有两个元件(即，上述波导和检测器)必须制造并相对于彼此设置。更重要的是，能够自由选择焦距、光谱仪的尺寸和待分析的波长范围，从而导致比现有技术更简单且更小的光谱仪，而现有技术需要复杂的聚焦光学器件和昂贵的线光栅。
由于现有技术中聚焦光学器件与线光栅之间的位置关系至关重要，因此本文提出的将聚焦光学器件集成在光栅中的光谱仪更加精确并且几乎不会发生未对准。由于在波导中的对波长的更大光谱分离的可能性以及光学器件的集成，因此本文所述的光谱仪可以比具有相同特性但光学器件设置在自由空间中的现有光谱仪小五倍以上。而且，本文所述的光谱仪可以具有大量沿光传播轴的部分(大于10000)，使得可以容易地增加光谱分辨率。
图5定性地例示了根据一个实施方式的光谱仪的性能(b)和现有技术的光谱仪的性能(a)。为了将来自常规光谱仪的光谱与根据本发明构思的光谱仪进行比较，已经使用了2×2光纤耦合器，其中，该耦合器的上输入端口连接至S-LED，并且上输出端口连接至FBG传感器光纤，产生15个峰值。然后在(a)中使用OCEAN-Optics Flame光谱仪在光纤耦合器的下输出端口处测量传感器的背向反射信号，在(b)中OCEAN-Optics Flame光谱仪被替换为具有作为检测器的商业WebCam模块(2cm焦距和MS Windows的标准驱动程序)的设备300。
图5中的光谱示出了Y轴上的任意单位和X轴上的波长。可以看出，定性地说，昂贵的现有技术光谱仪(结果为图5左侧的光谱a))和所述实施方式的低成本光谱仪(结果为右侧的光谱b))的分离波长的能力基本相同。
具有基于光谱仪的布拉格光栅的已知询问器系统中的问题之一是这种系统需要至少一个光学环行器或耦合器来将从FBG传感器反射回来的光引导至检测器。对于具有低光水平的系统，例如，在利用LED分析光纤中的FBG时，耦合至光纤并通过2×2耦合器的光源的强度损耗很大，因此减小该强度损耗是重要的。而且，成本很高，因为需要耦合元件，这又进一步增加了系统的尺寸。如上所述的具有波导和多个特定设置部分的设备可以减轻这些问题中的一些问题。
图6例示了特定设备600的元件，该特定设备600针对一个传播方向(参见实线)的光具有光学聚焦功能而针对另一方向(参见虚线)具有漫散射，其中该光学聚焦功能是由与图3的设备300相似的散射部分630来实现的。然后，漫散射的光可以被光阱650捕获。即，光散射方向的角度对于图6中的两个传播方向而言大不相同，使得可以在非常不同的空间方向和位置上来检测散射的光。
在这个实施方式中，对该多个部分进行调整，使得主散射面中针对沿光传播轴的一个传播方向传播的光的散射方向不同于主散射面中针对沿传播方向的相反方向传播的光的另一散射方向。由于散射方向不同，因此一个传播方向的光以聚焦方式落在检测器340上，而相反传播方向的光则不会落在检测器340上。本质上，通过修改光栅周期会破坏对称性并且可以实现上述效果。
而且，波导中的一部分光根据光栅的效率在光栅处发生散射，而可由工艺参数确定的另一部分光被简单地发射到达FBG传感器，在FBG传感器处该另一部分光被反射(例如，参见图9和图10)。然后，该反射的光可以在返回途中被聚焦在检测器340上。
例如，通过利用具有并入波导中的成像功能的上述衍射光栅，可以大大简化具有基于光谱仪的布拉格光栅的已知询问器系统。因此，可以实现更加成本有效且更小的询问器系统，该询问器系统仅需要光源、光波导以及检测器(例如摄像机、线性二极管阵列或单个光电二极管)。大多数功能可以在波导(例如，光纤)中实现，使得不需要更多的空间用于其它光学器件或光纤绕组。因此，这样的询问器可以直接集成在具有有限空间的测量装置中。
图7针对不同的波长定性地例示了图6的设备600的效果。在从左到右的第一方向中，模拟了红光(r)、绿光(g)以及蓝光(b)在光纤区段中的部分处如何散射以及在线710上如何聚焦。在从右到左的相反方向，图7中的模拟表明没有聚焦效果，并且光在与第一方向上的光完全不同的方向上被散射。
图9例示了根据实施方式的光谱仪系统900。光谱仪系统900基本上是询问器系统，并且包括设备600，该设备600包括检测器640和针对漫散射光的光阱650。光谱仪系统900包括充当传感器的光学布拉格光栅，该光学布拉格光栅感测对象980处的诸如温度之类的物理参数。该光学布拉格光栅传感器联接至光波导的输出端口，以便接收沿光传播轴传播的光。另选地，光学布拉格光栅传感器整体地并入设备600的光波导或光纤中。
在操作中，在多个部分处散射来自光源(例如，S-LED)的从左到右传播的光，并且在光阱650中接收散射的光。光的未散射部分进一步被发射至待测物体处的光纤布拉格光栅，然后在FBG处被背向反射并在多个部分处再次被散射，其中，在从右到左的方向上，该散射的光现在被聚焦在检测器640上。因此，系统900仅包括三个元件，并且具有比具有光环行器或耦合器的系统高得多的光效率。
本发明构思的另一个应用是多芯光纤。常规上，在使用多芯光纤时，如果需要分析传播光，那么多芯光纤的各个芯都需要耦合至单根单芯光纤。要做到这一点，已知一种所谓的扇出型(fan-out)装置，其制造复杂且昂贵并且难以对准。当利用上述原理通过多个散射部分输出/输入在光纤中传播的光时，没有必要将单根光纤耦合至多芯光纤。
图8例示了具有两个光传播轴的特定设备800的元件。特别地，光在同一波导中平行于第二芯125的第一芯120中传播。在两个芯中分别设置将光聚焦在检测器140上的多个散射部分830、835。本质上，使用两个设备(设备300或设备600)。
图10例示了根据另一实施方式的多芯询问器系统1000。在这个实施方式中，光波导包括彼此大致平行的至少两个光传播轴，例如多芯光纤中的至少两个纤芯。然后如图10所示，可以通过将光输出至长检测器或数个检测器上来逐个分析不同芯的不同光传播轴的光。
更详细地说，多芯询问器系统1000包括作为光源的S-LED和在物体1080处作为传感器的FBG。而且，该多芯询问器系统1000括四个芯，即，芯1、芯2、芯3以及芯4。各个芯及其关联的检测器和光阱基本上构成设备600。因此，可以在不使用耦合元件或附加光学机械组件的情况下实现多芯询问器系统。
而且，基于光谱仪的FBG询问器系统通常在加热阶段显示出与温度有关的信号漂移。当光谱仪加热时，光学路径可以发生变化(例如光学器件或光栅的膨胀)，以改变检测到的波长。代替提供复杂的温度调节方法，而是可以提供双向光纤光谱仪，如图9中的系统900。即，可以将常规布拉格光栅添加至或并入光纤光谱仪中。然后，该布拉格光栅可以充当参考光源，以便于温度补偿。
更进一步地，通过利用上述散射效应，可以将不同长度的弱反射布拉格光栅和/或均匀布拉格光栅并入波导中，使得可以通过常规条形码读取器直接读取从波导耦合输出的光，例如用于标识波导。如果光栅是弱反射的，那么对传感器信号几乎没有任何影响。以这种方式，例如，通过标识制造地点和日期，可以来实现光纤的明确关联。
图11例示了利用球面波和几何光学原理对上述实施方式中所述的散射效应的模拟。根据几何光学，由散射部分生成的球面波的叠加(如图11中的星号(*)所示，)可以导致在相对于光传播轴(图11中的水平轴)的某些角度中观察到的定向的并且波长相关的相长干涉。
通常，在光栅的长度上发生衍射散射，并且可以观察到具有特定衍射角的至少一个衍射级，该衍射级可以通过衍射的布拉格方程来近似。因此，在具有圆柱对称性的波导(例如光纤)中，以圆锥形状来发射光，该圆锥围绕作为对称轴的光纤的光传播轴并且开口角对应于衍射角(图11中约为80°)。
例如，形成光栅的散射部分可以像上述II型光栅(该II型光栅是通过在玻璃的损伤阈值之上进行操作的高强度飞秒级激光刻写的)一样生成。例如，可以使用飞秒级激光以脉冲能量约为0.1μJ或更大、脉冲持续时间为500fs或更短来逐点刻写光栅。
在II型光栅上观察到的散射图案和/或衍射图案可以像这样加以解释：当用飞秒激光生成光栅的散射部分时，该部分不是均匀的，并且光栅的散射部分中的不同尺寸的数个微观结构导致不同的散射效应和衍射效应。因此，散射部分的折射率可以被视为由数个不同的微观缺陷产生的平均折射率，该数个不同的微观缺陷是由脉冲激光脉冲破坏波导芯的均匀结构而产生的。
根据另一实施方式，提供了一种生成用于光学应用的设备的方法，所述方法包括以下步骤：设置光波导，该光波导被配置成沿光传播轴引导光并且沿所述光传播轴具有第一折射率，然后在所述光传播轴上聚焦短激光脉冲，以生成具有第二折射率的多个部分，使得各个部分具有大致垂直于光传播轴的长轴以及大致垂直于光传播轴与长轴的短轴。而且，所述方法包括以下步骤：将接收器单元或发射器单元设置在所述光波导的一侧上，以便能够在处于由长轴与光传播轴规定的主散射面中的散射方向上接收来自多个部分的光或者向多个部分发射光。
如上所述，本发明的实施方式和示例允许耦合输入光和耦合输出光。因此，可以提供简单且小型的光耦合设备。
应当清楚，在不脱离本发明的范围或精神的情况下，可以对所描述的设备、系统以及方法以及在本发明的构造方面进行各种修改和变型。
已经结合特定实施方式和示例描述了本发明，这些实施方式和示例在所有方面都是例示性的而不是限制性的。
此外，通过考虑本文所公开的发明的说明书和实践，本领域技术人员将清楚本发明的其它实现。本说明书和示例仅旨在被视为示例性的。为此，要明白的是，各个发明方面的特征要少于前述公开的实现或配置的所有特征。因此，本发明的真实范围和精神通过随附的权利要求来表示。

Claims (11)

1.一种光谱仪系统，所述光谱仪系统包括光源和用于光学应用的设备，所述设备包括：
光波导，所述光波导被配置成沿光传播轴引导光，沿所述光传播轴具有第一折射率，并且被具有第二折射率的多个部分打断，其中，各个部分具有垂直于所述光传播轴的长轴以及垂直于所述光传播轴与所述长轴的短轴，并且其中，各个部分的所述第二折射率是由若干不同的微观缺陷产生的平均折射率，所述若干不同的微观缺陷是在生成各个部分时由激光脉冲破坏所述光波导的均匀结构而产生的；以及
接收器单元，所述接收器单元被设置在所述光波导的一侧上，
其中，所述接收器单元被设置为沿处于由所述长轴与所述光传播轴规定的主散射面中的散射方向接收从所述多个部分散射的光，并且包括按行设置的检测器元件，所述检测器元件检测在所述散射方向上从所述多个部分散射的所述光，并且
其中，在输入端口处将所述光源的所述光耦合至所述光波导中，以便沿所述光传播轴引导所述光。
2.根据权利要求1所述的光谱仪系统，其中，所述检测器元件的所述行平行于所述光传播轴并且位于所述主散射面中。
3.根据权利要求1所述的光谱仪系统，其中，所述多个部分形成沿所述光传播轴的方向的光栅，并且
其中，所述多个部分之间的距离被选择使得在所述主散射面中，通过在所述多个部分处散射的光的干涉来获得透镜功能，或者
其中，所述光传播轴被弯曲使得在所述主散射面中，通过在沿所弯曲的光传播轴设置的所述多个部分处散射的光的干涉来获得透镜功能。
4.根据权利要求3所述的光谱仪系统，其中，所述透镜功能对应于对在所述多个部分处散射的光进行聚焦的聚焦透镜。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的光谱仪系统，各个部分具有近似椭圆体的形状，其中，所述椭圆体的长轴比所述光波导中引导的光的波长的两倍大，并且所述椭圆体的短轴约为所述光的波长或者比所述光的波长小。
6.根据权利要求1至4中任一项所述的光谱仪系统，其中，所述光波导还包括沿所述光传播轴的光学布拉格光栅，以便提供衍射的光。
7.根据权利要求1至4中任一项所述的光谱仪系统，其中，所述多个部分被调整，使得所述主散射面中的针对沿所述光传播轴的一个传播方向传播的光的散射方向不同于所述主散射面中的针对沿所述传播方向的相反方向传播的光的另一散射方向。
8.根据权利要求1至4中任一项所述的光谱仪系统，所述光谱仪系统还包括光学布拉格光栅传感器，所述光学布拉格光栅传感器联接至所述光波导的输出端口，以便接收沿所述光传播轴传播的光。
9.根据权利要求1至4中任一项所述的光谱仪系统，其中，所述光波导包括彼此平行的至少两个光传播轴。
10.根据权利要求1至4中任一项所述的光谱仪系统，其中，所述光谱仪系统包括用于光学应用的第二设备，所述第二设备在所述光传播轴的方向上设置在所述设备之后，其中，所述第二设备包括第二光波导和第二接收器单元。
11.一种生成用于光学应用的设备的方法，所述方法包括以下步骤：
提供光波导，所述光波导被配置成沿光传播轴引导光并且沿所述光传播轴具有第一折射率，
在所述光传播轴上聚焦短激光脉冲，以生成具有第二折射率的多个部分，使得各个部分具有垂直于所述光传播轴的长轴以及垂直于所述光传播轴与所述长轴的短轴，其中，各个部分的所述第二折射率是由若干不同的微观缺陷产生的平均折射率，所述若干不同的微观缺陷是在生成各个部分时由短激光脉冲破坏所述光波导的均匀结构而产生的；并且
将接收器单元设置在所述光波导的一侧上，以便能够沿处于由所述长轴与所述光传播轴规定的主散射面中的散射方向接收来自所述多个部分的光，所述接收器单元包括按行设置的检测器元件，所述检测器元件检测在所述散射方向上从所述多个部分散射的所述光。
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