CN110319931A - 一种电压控制闪耀角可调衍射效率反射光栅 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种电压控制闪耀角可调衍射效率反射光栅，包括由压电材料成型的闪耀光栅基体，所述闪耀光栅基体的侧面设有一对位置相对的电极对，所述的电极对用于与外部可调电压控制装置电连接，通过在压电材料的侧面电极对上加电压，引起压电材料的形变，产生光栅面闪耀角变化，随着闪耀角逐渐变小，闪耀光栅的衍射效率曲线峰值波长也逐渐变小，通过控制闪耀光栅上所施加的电压，可以调节闪耀光栅的衍射效率随波长变化的曲线，得到各工作波长处特定的衍射效率值，本发明的优点在于为能够为各种仪器应用提供实时变化的衍射效率响应。
Description
技术领域
本发明涉及仪器应用中的光学滤波器领域，尤其是电压控制闪耀角可调衍射效率反射光栅。
背景技术
光谱仪中常用闪耀光栅作为衍射分光元件。闪耀光栅也叫做小阶梯光栅，是一种特殊类型的衍射光栅。经过优化，闪耀光栅在特定衍射级次获得最大光栅衍射效率。为此目的，最多的光能量集中到所需衍射级次，其他级次（特别是零级）剩余的能量尽可能少。因为这种条件只能在某一波长处实现，所以这种光栅有特定闪耀波长，获得最大衍射效率的方向，称为闪耀角。表征闪耀光栅的三个关键指标是闪耀波长，衍射级次和闪耀角。由于闪耀光栅具有高衍射效率的优点，因此在光通讯设备，生命科学仪器，及其它需要按波长分光和按波长合光的系统中，得到了广泛采用。
现有的闪耀光栅在给定级次上，对于闪耀波长具有最大衍射效率，随着波长向长波或短波偏离，衍射效率逐渐降低。对于大光谱范围的应用，则需要多个不同闪耀波长的闪耀光栅交替使用，例如分光光度计中，常装配有二个以上闪耀光栅，闪耀波长分别在紫外、近红外和红外波长范围内。由于现有闪耀光栅的局陷，系统中增加了光栅切换的传动结构，如马达或微机电器件，这些方案的局限性包括移动部件，元件间角度错位和较低响应时间，限制了这些机械结构的有效应用，而且系统尺寸也增大了；二个以上光谱曲线测量后需要进行标定和拼接，增加了测量时间，数据分析难度和准确性；系统的机械结构可靠性和寿命也遇到了挑战。在流式细胞仪中，通常检测荧光波长包含紫外光、可见光和近红外光，需要在较大光谱范围内，闪耀反射光栅都具于较高衍射效率。各种不同应用的专业领域需要可调光学分光元件具有较快响应时间和较宽光谱范围。
已有技术中的需要由本发明实现，包括仪器系统应用中的光学波长分光和合光器，特别是电压控制闪耀角可调衍射效率闪耀光栅，闪耀波长和衍射效率独立可变，能够为各种仪器应用提供较大光谱范围，实时，高速变化的衍射分光响应。
发明内容
针对现有技术的情况，本发明的目的在于提供一种能适用于各种仪器应用且能够提供实时变化的分光光谱响应的电压控制闪耀角可调衍射效率反射光栅。
为了实现上述的技术目的，本发明采用的技术方案为：
一种电压控制闪耀角可调衍射效率反射光栅，其特征在于：其包括由压电材料成型的闪耀光栅基体，所述闪耀光栅基体的侧面设有一对位置相对的电极对，所述的电极对用于与外部可调电压控制装置电连接，通过调节可调电压控制装置的输出电压，使闪耀光栅基体产生形变，以改变闪耀光栅基体的闪耀角和衍射光谱响应。
进一步，所述的压电材料为压电陶瓷、压电玻璃或压电晶体。
进一步，所述的闪耀光栅基体具有一光学面，所述的光学面为平面、凹球面或凹柱面。
优选的，所述闪耀光栅基体的光学面上沉积有由金、银、铝或铬形成的反射膜和由二氧化硅、氟化镁、五氧化二钽、二氧化钛或氧化铪形成的光学介质膜。
进一步，所述的电极对为金或石墨烯形成的导电膜。
本发明方案中含有压电材料制成的闪耀光栅，光栅的压电材料基体侧面施加电压，能够引起光栅形变。选择合适的电极方向和压电材料应变方向，当压电材料的应变方向与光栅表面垂直时，调节光栅基体侧面的电压值，可以改变光栅微结构的高度，即改变光栅闪耀角度。随着闪耀角度被调制变化，闪耀光栅的衍射光谱响应曲线也相应改变。连续调节闪耀波长和改变特定波长衍射效率的能力允许测量仪器系统采集到宽带且高衍射效率的信号响应信息。
作为一种实施方式，应用本发明电压控制闪耀角可调衍射效率反射光栅的电压调制滤波器可用于流式细胞检测系统的荧光分析测量，其中，可控制加在闪耀光栅基体侧面的电压，产生高衍射效率光谱响应，在大光谱范围内调谐闪耀波长。这种改变分光系统闪耀波长的能力简化了用户改变评估特定细胞的能力，也提供了微弱信号光谱检测的应用，而不需要已有技术那样的分光器件的物理变化。
作为另一种实施方式，应用本发明电压控制闪耀角可调衍射效率反射光栅的电压可调闪耀光栅可用作分光光度计光源系统中的单色光源滤波器，其中，调节电压控制光栅微结构高度和光栅闪耀角，来改变闪耀波长和分光带宽效率响应，结合狭缝滤波，从而找到仪器光源输出最大输出功率的单色波长范围。
其它实例应用电压可调闪耀光栅实现这些系统中两个或多个特定滤波器，各种仪器从本发明滤波器的应用中受益，包括分光光度计，拉曼光谱仪，流式细胞仪，和相类似的仪器。
本发明的有益效果为能够为各种仪器应用提供实时变化的分光光谱响应。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的阐述：
图1是本发明的简要结构示意图；
图2为本发明光栅的衍射效率随闪耀角变化分布图示；
图3为本发明光栅的光路结构简要示意图；
图4为本发明光栅在流式细胞仪中的应用光路示意图；
图5示出了图4中光栅侧面所施加电压的升压电路；
图6为本发明光栅的闪耀角和闪耀波长的电压响应示意。
具体实施方式
如图1所示，本发明电压控制闪耀角可调衍射效率反射光栅1包括由压电材料成型的闪耀光栅基体2，所述闪耀光栅基体2的侧面设有一对位置相对的电极对4、5，所述的电极对4、5用于与外部可调电压控制装置3电连接，通过调节可调电压控制装置3的输出电压，使闪耀光栅基体2产生形变，以改变闪耀光栅基体2的闪耀角和衍射光谱响应，复射光束6照射到闪耀光栅基体2的光栅闪耀面上时，衍射光束7经闪耀面出射，生成给定应用的预期光谱效应。
进一步，所述的压电材料为压电陶瓷、压电玻璃或压电晶体。
进一步，所述的闪耀光栅基体2具有一光学面，所述的光学面为平面、凹球面或凹柱面，优选的，所述闪耀光栅基体的光学面上沉积有由金、银、铝或铬形成的反射膜和由二氧化硅、氟化镁、五氧化二钽、二氧化钛或氧化铪形成的光学介质膜。
进一步，所述的电极对4、5可以为金或石墨烯形成的导电膜。
图2示出了图1所示结构系统通过调制电压改变光栅闪耀角，得到衍射效率随闪耀角变化的光谱分布。参见图2，给定闪耀角的光谱分布都存在衍射效率极大值波长，即闪耀波长，在闪耀波长两侧衍射效率逐渐减小。闪耀角逐渐增加，光栅的闪耀波长随之增加。如果连续改变电压，则光栅的高衍射效率带宽可以得到额外延伸，即光栅工作波长范围显著增加。
如图3所示，其中，本发明由压电材料制成的闪耀光栅基体有3个方向轴1、2、3，可以在轴3上加电压，材料沿轴1方向产生形变。入射光束4的偏振方向6，衍射光束5的方向与光栅常数9相关。当材料发生形变时，光栅高度8会变化，于是闪耀角7也相应改变。根据实际应用系统要求，完成光栅微观结构设计，再选择具有合适等价压电常数的材料（陶瓷、玻璃和晶体）制作闪耀光栅。
图4示出了本发明光栅在流式细胞仪中的应用光路示意图，信号光经过狭缝1，照射在凹面闪耀光栅2上，光栅将信号光按波长分光，并分别聚焦到光电探测器3上。可调电压控制器4根据给定系统需求，输出电压到电极5和电极6上。在探测器感光面上，短波端的会聚点7和长波端的会聚点8准确位于感光面两端。
图5示出了图4所示光栅侧面所施加电压的升压电路，定时器U1控制时间序列，通过变压器T1将12伏直流电压升压到所需电压值。
如上所述，在闪耀光栅上调节电压，可能调节光谱响应的带宽和闪耀波长。图6描述图5电压控制器的电压变化的光栅响应，改变电压系列值 ，闪耀角和闪耀波长跟随变化。
尽管结合优选实施方案具体展示和介绍了本发明，但所属领域的技术人员应该明白，在不脱离所附权利要求书所限定的本发明的精神和范围内，在形式上和细节上对本发明做出各种变化，均为本发明的保护范围。
Claims (5)
1.一种电压控制闪耀角可调衍射效率反射光栅，其特征在于：其包括由压电材料成型的闪耀光栅基体，所述闪耀光栅基体的侧面设有一对位置相对的电极对，所述的电极对用于与外部可调电压控制装置电连接，通过调节可调电压控制装置的输出电压，使闪耀光栅基体产生形变，以改变闪耀光栅基体的闪耀角和衍射光谱响应。
2.根据权利要求1所述的一种电压控制闪耀角可调衍射效率反射光栅，其特征在于：所述的压电材料为压电陶瓷、压电玻璃或压电晶体。
3.根据权利要求1所述的一种电压控制闪耀角可调衍射效率反射光栅，其特征在于：所述的闪耀光栅基体具有一光学面，所述的光学面为平面、凹球面或凹柱面。
4.根据权利要求3所述的一种电压控制闪耀角可调衍射效率反射光栅，其特征在于：所述闪耀光栅基体的光学面上沉积有由金、银、铝或铬形成的反射膜和由二氧化硅、氟化镁、五氧化二钽、二氧化钛或氧化铪形成的光学介质膜。
5.根据权利要求1所述的一种电压控制闪耀角可调衍射效率反射光栅，其特征在于：所述的电极对为金或石墨烯形成的导电膜。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20191011 |
|
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |