CN116297380A - 垂直耦合芯片式拉曼光谱仪 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种垂直耦合芯片式拉曼光谱仪，包括：由外向内依次嵌套的多个拉曼光谱仪单元形成的拉曼光谱仪芯片和图像传感器芯片封装在一起的封装体，以及与封装体机械连接的复合抛物面聚光镜及透镜；拉曼光谱仪单元包括耦入光栅，与耦入光栅的一端依次连接的第一楔形波导、第一直波导、第二楔形波导及第一平面反射光栅，与耦入光栅的另一端依次连接的第三楔形波导、弯曲波导、第二直波导、第四楔形波导及第二平面反射光栅。通过使用耦入光栅将信号光分为TE及TM偏振光，提高光的收集效率；另外，通过对平面反射光栅进行参数的不同设计，再结合图像传感器芯片的翻转变换处理可根据实际需要选择性地测量光谱波段，避免数据冗余同时还提高信噪比。
Description
技术领域
本发明涉及拉曼光谱探测领域，特别是涉及一种垂直耦合芯片式拉曼光谱仪。
背景技术
拉曼散射是一种非弹性散射，它是由光照射在物质上时，光子由于物质分子的振动而受到相互作用，产生与激发光本身频率不同的散射，因此不同分子，甚至不同化学键之间都有着不同的拉曼峰位，且拉曼光谱具有非破坏性、非侵入性、不用进行样品加工，信息丰富、分析效率高等特点，因此已被广泛应用于生物、化学、医疗、食品安全、航天航空、环境保护等领域。
然而，拉曼散射本身的发光强度非常弱，常规拉曼信号的强度只有入射光强度的10-6～10-12，要探测拉曼信号十分困难，因此如何使仪器尽可能多地接收拉曼信号，始终是拉曼光谱检测仪器的一项设计重点。目前成熟的拉曼光谱仪设计，受限于器件结构所允许的最大光通量限制，难以在保持高光谱分辨率的前提下接收到足够多的信号，这就对后续的拉曼信号提取在数据处理和拟合算法方面提出了更高的要求。
芯片式拉曼光谱仪具有很小的体积，能够实现光谱仪的小型化和便携化，甚至能够实现可穿戴设备，用于疾病和健康的管理与监控。但目前芯片式拉曼光谱仪产品非常少，几乎没有，且均存在光在传输过程中的收集效率低的问题；另外，现有的拉曼光谱仪芯片获得的是拉曼光信号的全波段光谱，而实际中有时只需要对拉曼光信号光谱中的一部分光谱进行分析，这将造成数据冗余。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种垂直耦合芯片式拉曼光谱仪，用于解决现有技术中的芯片式拉曼光谱仪的光收集效率较低、光谱波段采集的选择性低等的问题。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种垂直耦合芯片式拉曼光谱仪，所述拉曼光谱仪包括：拉曼光谱仪芯片和图像传感器芯片封装在一起的封装体，以及与所述封装体机械连接的复合抛物面聚光镜及透镜；
所述拉曼光谱仪芯片包括多个并排设置的拉曼光谱仪单元，多个所述拉曼光谱仪单元由外向内依次嵌套；
每个所述拉曼光谱仪单元包括耦入光栅，与所述耦入光栅的一端依次连接的第一楔形波导、第一直波导、第二楔形波导及第一平面反射光栅，与所述耦入光栅的另一端依次连接的第三楔形波导、弯曲波导、第二直波导、第四楔形波导及第二平面反射光栅；所述耦入光栅实现输入光的芯片耦入并将所述输入光分为沿所述耦入光栅两端传输的TE偏振光及TM偏振光；经所述弯曲波导后，所述TE偏振光与所述TM偏振光的传播方向一致；
所述复合抛物面聚光镜设置于所述拉曼光谱仪芯片的正上方，并通过所述透镜的聚焦将所述输入光耦入多个所述拉曼光谱仪单元的所述耦入光栅中；
所述图像传感器芯片设置于所述第一平面反射光栅及所述第二平面反射光栅的出光端，以接收其出射的衍射光。
可选地，多个所述耦入光栅在所述拉曼光谱仪芯片上排布形状的整体轮廓与所述复合抛物面聚光镜发射的光斑形状匹配。
进一步地，所述复合抛物面聚光镜入射至多个所述耦入光栅的输入光与垂直方向的夹角介于0°～10°之间。
可选地，所述复合抛物面聚光镜后还设置有滤光片，以滤除前置系统中引入的激发光。
可选地，所述透镜为柱透镜。
可选地，所述图像传感器芯片为CCD芯片、CMOS图像传感器芯片、PD阵列、SPAD阵列、PMT阵列及SiPM阵列中的一个。
可选地，所述拉曼光谱仪芯片形成于硅基底上或形成于氮化硅基底上或形成于铌酸锂基底上或形成于玻璃基底上。
可选地，多个所述第一平面反射光栅及多个所述第二平面反射光栅反射光的波长范围根据需要进行设置。
进一步地，所述反射光的带宽介于0.05nm～0.5nm之间。
可选地，所述图像传感器芯片为一维阵列。
如上所述，本发明的垂直耦合芯片式拉曼光谱仪，通过使用耦入光栅将信号光分为TE偏振光及TM偏振光，并设置相应的光传输路径，可对所有信号光进行收集，提高了光的收集效率；另外，在每个光路的末端设置平面反射光栅即所述第一平面反射光栅及所述第二平面反射光栅，每个平面反射光栅可根据实际需要设置其独特的宽度和周期，以实现对特定波长范围的光进行反射，因此可以通过对平面反射光栅进行宽度和周期等参数的不同设计，使其对不同波长范围的光进行反射，从而结合图像传感器芯片的翻转变换处理可根据实际需要选择性地测量光谱波段，避免了数据冗余同时还提高了信噪比。
附图说明
图1显示为本发明的垂直耦合芯片式拉曼光谱仪的立体结构示意图。
图2显示为本发明的垂直耦合芯片式拉曼光谱仪的拉曼光谱仪芯片中多个拉曼光谱仪单元的结构示意图。
元件标号说明
10 拉曼光谱仪芯片
100 拉曼光谱仪单元
101 耦入光栅
102 第一楔形波导
103 第一直波导
104 第二楔形波导
105 第一平面反射光栅
106 第三楔形波导
107 弯曲波导
108 第二直波导
109 第四楔形波导
110 第二平面反射光栅
111 TE偏振光
112 TM偏振光
11 图像传感器芯片
12 复合抛物面聚光镜
13 滤光片
14 透镜
D 光斑
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
请参阅图1及图2。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图示中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可根据实际需要进行改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
如图1及图2所示，本实施例提供一种垂直耦合芯片式拉曼光谱仪，所述拉曼光谱仪包括：如图1所示，拉曼光谱仪芯片10和图像传感器芯片11封装在一起的封装体，以及与所述封装体机械连接的复合抛物面聚光镜12及透镜14；
如图1所示，所述拉曼光谱仪芯片10包括多个并排设置的拉曼光谱仪单元100，多个所述拉曼光谱仪单元100由外向内依次嵌套；
如图2所示，每个所述拉曼光谱仪单元100包括耦入光栅101，与所述耦入光栅101的一端依次连接的第一楔形波导102、第一直波导103、第二楔形波导104及第一平面反射光栅105，与所述耦入光栅101的另一端依次连接的第三楔形波导106、弯曲波导107、第二直波导108、第四楔形波导109及第二平面反射光栅110；所述耦入光栅101实现输入光的芯片耦入并将所述输入光分为沿所述耦入光栅101两端传输的TE偏振光111及TM偏振光112；经所述弯曲波导107后，所述TE偏振光111与所述TM偏振光112的传播方向一致；
如图1所示，所述复合抛物面聚光镜12设置于所述拉曼光谱仪芯片10的正上方，并通过所述透镜14的聚焦将所述输入光耦入多个所述拉曼光谱仪单元100的所述耦入光栅101中；
如图1所示，所述图像传感器芯片11设置于所述第一平面反射光栅105及所述第二平面反射光栅110的出光端，以接收其出射的衍射光。
本实施例的垂直耦合芯片式拉曼光谱仪的工作原理为：单色泵浦激光照射在样品上，经样品的非弹性散射，散射出的拉曼信号光由所述复合抛物面聚光镜12(简称CPC聚光镜)进行采集，通过所述复合抛物面聚光镜12转化为准直光束，准直光束经过所述透镜13聚焦并被耦入多个所述拉曼光谱仪单元100的所述耦入光栅101中；所述耦入光栅101将收集到的光分为TE偏振光111及TM偏振光112并使该两束光沿所述耦入光栅101的两端传输分别进入所述第一楔形波导102及第三楔形波导106；进入所述第一楔形波导102及第三楔形波导106的TE偏振光111及TM偏振光112分别在其各自的光路上传输至所述第一平面反射光栅105及第二平面反射光栅110；TE偏振光111及TM偏振光112经过所述第一平面反射光栅105及第二平面反射光栅110滤波后输出的衍射光被所述图像传感器芯片11接收，获得一组图像传感器信号，所述图像传感器芯片11再对该图像传感器信号进行翻转变换处理即可得到拉曼信号光的光谱。
如上所述，本实施例的垂直耦合芯片式拉曼光谱仪，通过使用耦入光栅将信号光分为TE偏振光及TM偏振光，并设置相应的光传输路径，可对所有信号光进行收集，提高了光的收集效率；另外，在每个光路的末端设置平面反射光栅即所述第一平面反射光栅及所述第二平面反射光栅，每个平面反射光栅可根据实际需要设置其独特的宽度和周期，以实现对特定波长范围的光进行反射，因此可以通过对平面反射光栅进行宽度和周期等参数的不同设计，使其对不同波长范围的光进行反射，从而结合图像传感器芯片的翻转变换处理可根据实际需要选择性地测量光谱波段，避免了数据冗余同时还提高了信噪比。
作为示例，所述拉曼光谱仪芯片10中的多个所述第一平面反射光栅105及多个所述第二平面反射光栅110反射光的波长范围根据需要进行设置。例如，如果需要测量信号光的全波段光谱，则可对多个所述第一平面反射光栅105及多个所述第二平面反射光栅110的宽度和周期等参数进行调节，使其反射光的波长范围覆盖信号光的全波段；如果需要测量信号光的部分波段光谱，则可对多个所述第一平面反射光栅105及多个所述第二平面反射光栅110的宽度和周期等参数进行调节，使其反射光的波长范围覆盖信号光的部分波段，举例示之，假设需要对信号光全波段中的4个波段光谱进行测量，则可将所有平面反射光栅的宽度和周期等参数调节平均分为4个档次，对每个档次中的若干个平面反射光栅的宽度和周期等参数进行调节使其反射光的波长范围与该4个波段光谱中的一个一致。
作为示例，可以根据实际需要选择所述第一平面反射光栅105及多个所述第二平面反射光栅110的反射带宽，一般选择小于0.5nm的带宽，以提高光谱精度，较佳地，选择带宽介于0.05nm～0.5nm之间。当该带宽较宽时，测量时间短，但光谱精度相对低，当该带宽较窄时，测量时间相应拉长，但光谱精度相对较高，具体的选择则根据实际情况进行设定。
如图1所示，作为示例，多个所述耦入光栅101在所述拉曼光谱仪芯片10上排布形状的整体轮廓与所述复合抛物面聚光镜12发射的光斑D形状匹配，以达到尽可能高的信号光收集效率。
如图1所示，作为示例，所述复合抛物面聚光镜12入射至多个所述耦入光栅101的输入光与垂直方向的夹角介于0°～10°之间。
如图1所示，作为示例，所述复合抛物面聚光镜12后还设置有滤光片13，以滤除前置系统中引入的激发光。通过所述滤光片13可以滤除来自前置系统中可能引入的激发光的波长部分，以使进入耦入光栅101的光为纯净的信号光。
如图1所示，作为示例，所述透镜14为柱透镜。
作为示例，所述图像传感器芯片11可以选择现有任意适合的图像传感器，例如可以是阵列式的PMT，SPAD，CMOS，CCD，SiPM，PD，或线性的PMT，SPAD，CMOS，CCD，SiPM，PD，还可以是单个的PMT，SPAD，CCD，SiPM，或者单个的光电二极管。如果是单个PMT，SPAD，CMOS，CCD，SiPM，光电二极管，则此芯片架构可以用来检测单个分子的荧光信号强度。本实施例中优选CCD芯片，提高信噪比。
作为示例，所述拉曼光谱仪芯片10可采用现有常规的基底进行制备，例如硅基底、氮化硅基底、铌酸锂基底或玻璃基底等，在此不作限制。
如图1所示，作为示例，所述图像传感器芯片11可为一维阵列，降低成本。
综上所述，本发明提供一种垂直耦合芯片式拉曼光谱仪，通过使用耦入光栅将信号光分为TE偏振光及TM偏振光，并设置相应的光传输路径，可对所有信号光进行收集，提高了光的收集效率；另外，在每个光路的末端设置平面反射光栅即所述第一平面反射光栅及所述第二平面反射光栅，每个平面反射光栅可根据实际需要设置其独特的宽度和周期，以实现对特定波长范围的光进行反射，因此可以通过对平面反射光栅进行宽度和周期等参数的不同设计，使其对不同波长范围的光进行反射，从而结合图像传感器芯片的翻转变换处理可根据实际需要选择性地测量光谱波段，避免了数据冗余同时还提高了信噪比。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。
Claims (10)
1.一种垂直耦合芯片式拉曼光谱仪，其特征在于，所述拉曼光谱仪包括：拉曼光谱仪芯片和图像传感器芯片封装在一起的封装体，以及与所述封装体机械连接的复合抛物面聚光镜及透镜；
所述拉曼光谱仪芯片包括多个并排设置的拉曼光谱仪单元，多个所述拉曼光谱仪单元由外向内依次嵌套；
每个所述拉曼光谱仪单元包括耦入光栅，与所述耦入光栅的一端依次连接的第一楔形波导、第一直波导、第二楔形波导及第一平面反射光栅，与所述耦入光栅的另一端依次连接的第三楔形波导、弯曲波导、第二直波导、第四楔形波导及第二平面反射光栅；所述耦入光栅实现输入光的芯片耦入并将所述输入光分为沿所述耦入光栅两端传输的TE偏振光及TM偏振光；经所述弯曲波导后，所述TE偏振光与所述TM偏振光的传播方向一致；
所述复合抛物面聚光镜设置于所述拉曼光谱仪芯片的正上方，并通过所述透镜的聚焦将所述输入光耦入多个所述拉曼光谱仪单元的所述耦入光栅中；
所述图像传感器芯片设置于所述第一平面反射光栅及所述第二平面反射光栅的出光端，以接收其出射的衍射光。
2.根据权利要求1所述的垂直耦合芯片式拉曼光谱仪，其特征在于：多个所述耦入光栅在所述拉曼光谱仪芯片上排布形状的整体轮廓与所述复合抛物面聚光镜发射的光斑形状匹配。
3.根据权利要求2所述的垂直耦合芯片式拉曼光谱仪，其特征在于：所述复合抛物面聚光镜入射至多个所述耦入光栅的输入光与垂直方向的夹角介于0°～10°之间。
4.根据权利要求1所述的垂直耦合芯片式拉曼光谱仪，其特征在于：所述复合抛物面聚光镜后还设置有滤光片，以滤除前置系统中引入的激发光。
5.根据权利要求1所述的垂直耦合芯片式拉曼光谱仪，其特征在于：所述透镜为柱透镜。
6.根据权利要求1所述的垂直耦合芯片式拉曼光谱仪，其特征在于：所述图像传感器芯片为CCD芯片、CMOS图像传感器芯片、PD阵列、SPAD阵列、PMT阵列及SiPM阵列中的一个。
7.根据权利要求1所述的垂直耦合芯片式拉曼光谱仪，其特征在于：所述拉曼光谱仪芯片形成于硅基底上或形成于氮化硅基底上或形成于铌酸锂基底上或形成于玻璃基底上。
8.根据权利要求1所述的垂直耦合芯片式拉曼光谱仪，其特征在于：多个所述第一平面反射光栅及多个所述第二平面反射光栅反射光的波长范围根据需要进行设置。
9.根据权利要求8所述的垂直耦合芯片式拉曼光谱仪，其特征在于：所述反射光的带宽介于0.05nm～0.5nm之间。
10.根据权利要求1所述的垂直耦合芯片式拉曼光谱仪，其特征在于：所述图像传感器芯片为一维阵列。
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Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202111564820.XA Active CN116297380B (zh) | 2021-12-20 | 2021-12-20 | 垂直耦合芯片式拉曼光谱仪 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN116297380B (zh) |
Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5615008A (en) * | 1994-12-21 | 1997-03-25 | Beckman Instruments, Inc. | Optical waveguide integrated spectrometer |
| CN113418902A (zh) * | 2021-03-23 | 2021-09-21 | 重庆大学 | 片上拉曼检测系统 |
-
2021
- 2021-12-20 CN CN202111564820.XA patent/CN116297380B/zh active Active
Patent Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5615008A (en) * | 1994-12-21 | 1997-03-25 | Beckman Instruments, Inc. | Optical waveguide integrated spectrometer |
| CN113418902A (zh) * | 2021-03-23 | 2021-09-21 | 重庆大学 | 片上拉曼检测系统 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN116297380B (zh) | 2023-08-22 |
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