CN114371128A - 一种基于多层平板波导结构的傅里叶变换光谱仪 - Google Patents

一种基于多层平板波导结构的傅里叶变换光谱仪 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于多层平板波导结构的傅里叶变换光谱仪，包括平板波导芯片、光源、动镜、定镜和光电探测器；平板波导芯片至少包括两层芯层和包层，且其中一层芯层至少具有两种不同的厚度，且其中一种厚度与其余芯层的厚度一致；在具有不同厚度的芯层的两端分别设置有第一反射体和第二反射体；光源射出的光束会聚到其中一层芯层中，动镜用于将从该芯层中射出的光束原路反射回来；定镜设置于第一反射体的上方，并接收从第一反射体反射的光束；光电探测器设置于第二反射体的上方，并接收从第二反射体反射的光束形成电流信号。本发明解决了现有单模波导光谱仪无法使用钨灯等热辐射光源的核心问题，为片上光谱仪不具备工程可行性扫清了障碍。

Description

一种基于多层平板波导结构的傅里叶变换光谱仪
技术领域
本发明涉及光传感技术领域，具体涉及一种基于多层平板波导结构的傅里叶变换光谱仪。
背景技术
傅里叶变换光谱仪是非常重要的一类光谱仪，其核心结构为迈克尔逊干涉仪，入射光被分为两路，一路经过可移动的镜片(动镜)，另一路经过一个固定位置的镜片(定镜)。动镜随时间运动，引起入射光的调制。经过调制的光入射到被测物体，然后再被接收之后，即可利用动镜位置和接收光强做傅里叶变换，即可得到被测物体的光谱信息。传统的傅里叶光谱仪通常使用的钨灯、汞灯等一类热辐射光源，这类光源光谱范围广，可以进行大范围的光谱测量。随着光波导技术的成熟，基于光波导的片上光谱仪也获得了极大的关注。片上光谱仪具有集成度高、体积小成本低等优势。
然而，现有的片上傅里叶变换光谱仪均以单模波导为基础，光源发出的光需要先通过合适的光束变换结构耦合到单模波到里。对于钨灯、汞灯等一类热辐射光源，其空间相干性较差，根据普朗克黑体辐射理论，热辐射光源耦合到单模波导的功率的极限仅仅和光源的色温有关，而和光源的尺寸、功率、以及耦合结构等无关。例如对于近红外波段的钨灯光源，耦合到单模波导的极限功率约为2微瓦左右，这样的功率远远无法满足光谱仪探测的需求。因此，到目前为止，以单模波导为基础的片上傅里叶光谱仪实际上并不具备工程的可行性。
发明内容
针对现有的单模波导傅里叶变换光谱仪存在的问题，本发明提供了一种基于多层平板波导结构的傅里叶变换光谱仪，解决了上述问题。
本发明是通过如下技术方案实现的：
一种基于多层平板波导结构的傅里叶变换光谱仪，其特征在于，包括平板波导芯片、光源、动镜、定镜和光电探测器；所述的平板波导芯片至少包括两层芯层和设置于所述芯层之间的包层，且其中一层所述的芯层至少具有两种不同的厚度，且其中一种厚度与其余所述芯层的厚度一致；在具有不同厚度的芯层的两端分别设置有第一反射体和第二反射体；所述光源射出的光束会聚到其中一层所述的芯层中，且所述的动镜用于将从该芯层中射出的光束原路反射回来；所述的定镜设置于所述第一反射体的上方，并接收从所述第一反射体反射的光束；所述的光电探测器设置于所述第二反射体的上方，并接收从所述第二反射体反射的光束形成电流信号。
具体的，本发明所述的基于多层平板波导结构的傅里叶变换光谱仪与现有的单模波导傅里叶变换光谱仪相比，其不同之处在于：(1)在现有的单模波导傅里叶变换光谱仪中，材料在上、下和左、右四个方向均对光进行限制，从而实现单模波导，而本发明的平板波导只在上下两个方向对光进行限制，而在另外一个维度是开放的，在这种情况下，波导内的模式数量不再等于1，因此可以容纳更多的光功率；(2)本发明采用了多层的平板波导结构，层与层之间通过低折射率差材料分隔，并在特定的位置引入折射率扰动的结构，实现上、下层波导间的能量交换。
进一步的，所述基于多层平板波导结构的傅里叶变换光谱仪：所述的平板波导芯片包括第一芯层、第二芯层以及设置于所述第一芯层和所述第二芯层之间的包层；所述的第二芯层设置于所述第一芯层的上方；所述的第二芯层具有两种不同的厚度，分别为第一厚度L1和第二厚度L2，且第一厚度L1和第二厚度L2呈相间设置(即交替出现第一厚度L1和第二厚度L2)；所述第二芯层中的第一厚度L1与所述第一芯层的厚度L保持一致。
具体的，所述的第二芯层包含两种厚度，一种与第一芯层厚度相同，称为第一厚度L1，另外一种与之不同，称为第二厚度L2。当第一芯层中的光束行进到具有第一厚度L1的第二芯层下方时，由于第一厚度L1与第一芯层的厚度L相同(L1＝L)，光束会发生耦合，逐渐过渡到第二芯层；而当第一芯层中的光束行进到具有第二厚度L2的第二芯层下方，由于两者厚度不同折射率不匹配(L2≠L)，光束不会发生耦合，仍保持在第一芯层中传播。
本发明利用多层平板波导结构，而非单模波导实现傅里叶变换光谱仪中的分光和耦合；多层平板波导、利用交替出现的第一厚度和第二厚度，实现将任意比例从第一芯层耦合到第二芯层，并且保持耦合比例与偏振、波长等无关；从而实现傅里叶变换光谱仪中分光的目的。
进一步的，所述基于多层平板波导结构的傅里叶变换光谱仪：还包括光源透镜组；所述光源射出的光束经所述光源透镜组会聚到所述第一芯层中。所述的光源透镜组可以选用透镜、柱透镜或其组合。
进一步的，所述基于多层平板波导结构的傅里叶变换光谱仪：还包括动镜透镜组；所述的动镜透镜组沿光束的传播方向设置于所述动镜和所述第一芯层之间。具体的，所述的动镜透镜组可以选用透镜、柱透镜或其组合。
进一步的，所述基于多层平板波导结构的傅里叶变换光谱仪：所述的第一反射体和所述第二反射体呈倾斜设置于所述平板波导芯片上，且分别位于所述第二芯层的两端。
进一步的，所述基于多层平板波导结构的傅里叶变换光谱仪：所述的第一反射体和所述第二反射体与所述第二芯层之间的夹角α设置为45°。此设计使得光线被反射到垂直于芯层的方向。
进一步的，所述基于多层平板波导结构的傅里叶变换光谱仪：所述的第一反射体和所述第二反射体通过在所述平板波导芯片的两端镀高反射膜形成。
进一步的，所述基于多层平板波导结构的傅里叶变换光谱仪：还包括定镜透镜组；所述的定镜透镜组沿光束的反射方向设置于所述定镜和所述第一反射体之间。
进一步的，所述基于多层平板波导结构的傅里叶变换光谱仪：还包括探测器透镜组；所述的探测器透镜组沿光束的反射方向设置于所述光电探测器和所述第二反射体之间。
进一步的，所述基于多层平板波导结构的傅里叶变换光谱仪：光源透镜组、镜透镜组、定镜透镜组可以选用透镜、柱透镜或其组合。
本发明的有益效果：
(1)本发明提供的基于多层平板波导结构的傅里叶变换光谱仪利用多层平板波导结构，而非单模波导实现傅里叶变换光谱仪中的分光和耦合，多层平板波导、利用交替出现的第一厚度L1和第二厚度L2，实现将任意比例从第一芯层耦合到第二芯层，并且保持耦合比例与偏振、波长等无关。
(2)现有的单模波导傅里叶变换光谱仪材料在上、下和左、右四个方向均对光进行限制，从而实现单模波导；而本发明的平板波导只在上下两个方向对光进行限制，而在另外一个维度是开放的，波导内的模式数量不再等于1，可以容纳更多的光功率。
(3)本发明提供的基于多层平板波导结构的傅里叶变换光谱仪解决了现有的单模波导光谱仪无法使用钨灯等热辐射光源的核心问题，为片上光谱仪不具备工程化可行性扫清了障碍。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。
图1为本发明基于多层平板波导结构的傅里叶变换光谱仪的结构示意图。
图中标记：1平板波导芯片、2光源、3动镜、4定镜、5光电探测器、6第一反射体、7第二反射体、8耦合区、9被测物体、1-1第一芯层、1-2第二芯层、1-3包层、2-1光源透镜组、3-1动镜透镜组、4-1定镜透镜组、5-1探测器透镜组。
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的一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。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。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“顶”、“底”等指示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含的包括一个或者更多个该特征。而且，术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。
实施例1
如图1所示，一种基于多层平板波导结构的傅里叶变换光谱仪，包括包括平板波导芯片1、光源2、光源透镜组2-1、动镜3、动镜透镜组3-1、定镜4、定镜透镜组4-1、光电探测器5和探测器透镜组5-1；所述的平板波导芯片1包括第一芯层1-1、第二芯层1-2以及设置于所述第一芯层1-1和所述第二芯层1-2之间的包层1-3；所述的第二芯层1-2设置于所述第一芯层1-1的上方；所述的第二芯层1-2具有两种不同的厚度，分别为第一厚度L1和第二厚度L2，且第一厚度L1和第二厚度L2呈相间设置(即在第二芯层1-2上交替出现第一厚度L1和第二厚度L2；所述第二芯层1-2上交替出现第一厚度L1和第二厚度L2的这一区域称之为耦合区8)；所述第一厚度L1与所述第一芯层1-1的厚度L一致；在所述第二芯层1-2的两端分别倾斜设置有第一反射体6和第二反射体7(且第一反射体6和所述第二反射体7与所述第二芯层1-2之间的夹角α设置为45°)；所述光源2射出的光束经所述光源透镜组2-1会聚到所述第一芯层1-1中，所述的动镜3设置于第一芯层1-1中光传播方向的末端，用于将从第一芯层1-1中射出的光束原路反射回来；所述的定镜4设置于所述第一反射体6的上方，并接收从所述第一反射体6反射的光束，所述的定镜透镜组4-1沿光束的反射方向设置于所述定镜4和所述第一反射体6之间；所述的光电探测器5设置于所述第二反射体7的上方，并接收从所述第二反射体7反射的光束形成电流信号，所述探测器透镜组5-1沿光束的反射方向设置于所述光电探测器5和所述第二反射体7之间。
上述的光源透镜组2-1、镜透镜组3-1、定镜透镜组4-1可以选用透镜、柱透镜或其组合。
其中：光源2发射出的光束通过光源透镜组2-1会聚到多层平板波导1中第一芯层1-1右侧的入口，并在第一芯层1-1中向左传播，第二芯层1-2在第一芯层1-1上方，第二芯层1-2包含2种厚度，其一种厚度与第一芯层1-1的厚度相同，称为第一厚度L1；另外一种则与之不同，称为第二厚度L2。当第一芯层1-1中的光束行进到具有第一厚度L1的第二芯层1-2下方时，此时具有第一厚度L1的第二芯层1-2与第一芯层1-1的厚度L相同(L1＝L)，因此光束会发生耦合，逐渐过渡到第二芯层1-2；而当第一芯层1-1的光束行进到具有第二厚度L2的第二芯层1-2下方时，由于具有第二厚度L2的第二芯层1-2与第一芯层1-1的厚度L不同(L2≠L)，因此两者折射率不匹配，光束不会发生耦合，仍保持在第一芯层1-1中传播。
利用上述光束耦合原理，在第二芯层1-2中存在一个耦合区8，在该耦合区8内第一厚度L1和第二厚度L2交替出现，通过合理的选取每一段的长度，可以实现将任意比例从第一芯层1-1耦合到第二芯层1-2，并且保持耦合比例与偏振、波长等无关；从而实现傅里叶变换光谱仪中分光的目的。光束通过上述耦合区8之后，会分别有一半在第一芯层1-1和第二芯层1-2中传播。其中：第二芯层1-2中的光束传播到一定距离之后遇到平板波导芯片1上的第一反射体6，会被反射到垂直于平板波导芯片1的方向，并经过定镜透镜组4-1再被定镜4反射，原路返回；而第一芯层1-1中的光束则在出射平板波导芯片1之后被动镜3原路反射回来。两路反射回来的光束再次经过耦合区8之后，位于第二芯层1-2中的光被第二反射体7反射到平板波导芯片1外部，并经过探测器透镜组5-1和被测物体9，最终进入光电探测器5变成电流信号。
上述为本发明的较佳实施例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。凡由本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。

Claims (10)

1.一种基于多层平板波导结构的傅里叶变换光谱仪，其特征在于，包括平板波导芯片(1)、光源(2)、动镜(3)、定镜(4)和光电探测器(5)；所述的平板波导芯片(1)至少包括两层芯层和设置于所述芯层之间的包层，且其中一层所述的芯层至少具有两种不同的厚度，且其中一种厚度与其余所述芯层的厚度一致；在具有不同厚度的芯层的两端分别设置有第一反射体(6)和第二反射体(7)；所述光源(2)射出的光束会聚到其中一层所述的芯层中，且所述的动镜(3)用于将从该芯层中射出的光束原路反射回来；所述的定镜(4)设置于所述第一反射体(6)的上方，并接收从所述第一反射体(6)反射的光束；所述的光电探测器(5)设置于所述第二反射体(7)的上方，并接收从所述第二反射体(7)反射的光束形成电流信号。
2.根据权利要求1所述的一种基于多层平板波导结构的傅里叶变换光谱仪，其特征在于，所述的平板波导芯片(1)包括第一芯层(1-1)、第二芯层(1-2)以及设置于所述第一芯层(1-1)和所述第二芯层(1-2)之间的包层(1-3)；所述的第二芯层(1-2)设置于所述第一芯层(1-1)的上方；所述的第二芯层(1-2)具有两种不同的厚度，分别为第一厚度L1和第二厚度L2，且第一厚度L1和第二厚度L2呈相间设置；所述第二芯层(1-2)中的第一厚度L1与所述第一芯层(1-1)的厚度一致。
3.根据权利要求2所述的一种基于多层平板波导结构的傅里叶变换光谱仪，其特征在于，还包括光源透镜组(2-1)；所述光源(2)射出的光束经所述光源透镜组(2-1)会聚到所述第一芯层(1-1)中。
4.根据权利要求2或3所述的一种基于多层平板波导结构的傅里叶变换光谱仪，其特征在于，还包括动镜透镜组(3-1)；所述的动镜透镜组(3-1)沿光束的传播方向设置于所述动镜(3)和所述第一芯层(1-1)之间。
5.根据权利要求2所述的一种基于多层平板波导结构的傅里叶变换光谱仪，其特征在于，所述的第一反射体(6)和所述第二反射体(7)呈倾斜设置于所述平板波导芯片(1)上，且分别位于所述第二芯层(1-2)的两端。
6.根据权利要求5所述的一种基于多层平板波导结构的傅里叶变换光谱仪，其特征在于，所述的第一反射体(6)和所述第二反射体(7)与所述第二芯层(1-2)之间的夹角α设置为45°。
7.根据权利要求5所述的一种基于多层平板波导结构的傅里叶变换光谱仪，其特征在于，所述的第一反射体(6)和所述第二反射体(7)通过在所述平板波导芯片(1)的两端镀高反射膜形成。
8.根据权利要求1所述的一种基于多层平板波导结构的傅里叶变换光谱仪，其特征在于，还包括定镜透镜组(4-1)；所述的定镜透镜组(4-1)沿光束的反射方向设置于所述定镜(4)和所述第一反射体(6)之间。
9.根据权利要求1所述的一种基于多层平板波导结构的傅里叶变换光谱仪，其特征在于，还包括探测器透镜组(5-1)；所述的探测器透镜组(5-1)沿光束的反射方向设置于所述光电探测器(5)和所述第二反射体(7)之间。
10.根据权利要求3、4或8所述的一种基于多层平板波导结构的傅里叶变换光谱仪，其特征在于，光源透镜组(2-1)、镜透镜组(3-1)、定镜透镜组(4-1)可以选用透镜、柱透镜或其组合。
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