CN116990258A - 一种谐型光谱检测系统及光谱检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种调谐型光谱检测系统及光谱检测方法。所述调谐型光谱检测系统包括全反射光耦合元件、光调谐单元和光检测单元；所述全反射光耦合元件能够对入射光进行全反射并产生倏逝波，所述入射光包括选定波长的光；所述光调谐单元包括：金属层，其能够被由所述选定波长的光产生的倏逝波激发而产生表面等离子体波，并能够吸收所述表面等离子体波，折射率可调模块，其用于调控所述金属层表面所处环境的折射率，以至少改变所述表面等离子体波的耦合条件；所述光检测单元至少用于对由所述光调谐单元输出的反射光的光强进行检测并转换为电信号输出。本发明提供的调谐型光谱检测系统可实现大范围波长检测，且具有检测精度和集成度高的优点。
Description
技术领域
本发明属于检测设备技术领域，具体涉及一种谐型光谱检测系统及光谱检测方法。
背景技术
光谱检测是物质分析的重要技术之一，在遥感测绘、医药开发、食品健康、环境监控、农林业中都有重要应用。空间分光的光谱检测方法，无论是光栅的还是滤波器阵列的都需要较大的设备空间和探测器阵列，因此设备复杂庞大，价格昂贵。时域光谱检测方法，往往受限于傅立叶变换机制需要较大的干涉光路。调谐型的光谱检测方法，尤其是通过调谐单次测试的光谱响应并结合压缩感知算法来解析未知光谱，仅需要单个探测器，而且无需复杂的干涉光路，具有简单低成本的优势，但其光谱检测范围受限于波长调谐的范围，而且分立的调谐模块和探测模块增加了光耦合和集成的难度。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种谐型光谱检测系统及光谱检测方法，以克服现有技术的不足。
为实现前述发明目的，本发明采用的技术方案包括：
本发明实施例提供了一种调谐型光谱检测系统，其包括全反射光耦合元件、光调谐单元和光检测单元；
所述全反射光耦合元件能够对入射光进行全反射并产生倏逝波，所述入射光包括选定波长的光；
所述光调谐单元包括：
金属层，其能够被由所述选定波长的光产生的倏逝波激发而产生表面等离子体波，并能够吸收所述表面等离子体波，
折射率可调模块，其用于调控所述金属层表面所处环境的折射率，以至少改变所述表面等离子体波的耦合条件；
所述光检测单元至少用于对由所述光调谐单元输出的反射光的光强进行检测并转换为电信号输出。
本发明实施例还提供了一种光谱检测方法，其包括：
提供上述的调谐型光谱检测系统；
使被测入射光经过所述光准直单元进行准直处理后入射到所述全反射光耦合元件进行全反射，并生成反射光；
改变所述光调谐单元的折射率以调谐所述反射光，并通过所述光检测单元检测所述反射光的光强；
对所述光检测单元上检测的光强与不同单波长入射光在同样折射率环境下所述光检测单元上检测的光强之间的关系进行解析，从而获得所述被测入射光的光谱信息。
与现有技术相比，本发明提供的一种调谐型光谱检测系统及光谱检测方法的优点包括：
1)采用全反射的耦合方式实现入射光与表面等离子体波的耦合，利用此耦合色散关系对环境折射率的极高敏感性，结合折射率可调材料技术，实现远超过各种微结构波长调谐技术的大范围波长调谐，从而实现宽光谱工作的调谐型光谱检测系统；
2)通过可调谐的共振吸收的表面等离子体波来调节光检测单元接收的非共振的宽带反射光信号，提高信噪比。
3)光调谐单元和光检测单元在结构上分立，但都集成在透明介质层上且共用金属层作为电极，无需透镜等光耦合元件，既能独立优化又具有高度集成的优势。
4)通过在透明介质层相对的第一表面和第二表面上均覆设金属膜，可以基于多次反射实现光的循环利用，有利于提高光调谐单元的效率和光检测单元的响应；
5)通过多次调谐光检测单元的响应波长并对反射光进行检测，解析波长与光电响应输出之间的关系，可基于单个光检测系统获得大工作波长范围和高分辨率的光谱检测能力。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术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中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，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的附图。
图1是本发明实施例1提供的一种调谐型光谱检测系统的结构示意图；
图2是本发明实施例1中的调谐型光谱检测系统的吸收光谱的计算结果；
图3是本发明实施例2提供的一种调谐型光谱检测系统的结构示意图；
图4是本发明实施例2中的调谐型光谱检测系统的吸收光谱的计算结果；
图5a是本发明实施例2中的调谐型光谱检测系统进行光谱测试的计算结果；
图5b是本发明实施例2中的调谐型光谱检测系统进行光谱测试的另一个计算结果；
图5c是本发明实施例2中的调谐型光谱检测系统进行光谱测试的又一个计算结果；
图6是本发明实施例3中的调谐型光谱检测系统的反射光谱的计算结果。
具体实施方式
鉴于现有技术的缺陷，本案发明人经长期研究和大量实践，得以提出本发明的技术方案，如下将对该技术方案、其实施过程及原理作进一步的解释说明。
本发明实施例的一个方面提供了一种调谐型光谱检测系统，其包括全反射光耦合元件、光调谐单元和光检测单元；
所述全反射光耦合元件能够对入射光进行全反射并产生倏逝波，所述入射光包括选定波长的光；
所述光调谐单元包括：
金属层，其能够被由所述选定波长的光产生的倏逝波激发而产生表面等离子体波，并能够吸收所述表面等离子体波，
折射率可调模块，其用于调控所述金属层表面所处环境的折射率，以至少改变所述表面等离子体波的耦合条件；
所述光检测单元至少用于对由所述光调谐单元输出的反射光的光强进行检测并通过光电转换机制转换为电信号输出。
进一步的，所述光调谐单元还包括透明介质层和反射层，所述透明介质层具有相对的第一表面和第二表面，所述反射层覆设于所述第一表面并位于所述第一表面和所述全反射光耦合元件的全反射面之间，所述金属层覆设于所述第二表面并位于所述第二表面和折射率可调模块之间。
其中，所述透明介质层的材料可以为蓝宝石、石英玻璃、氮化镓、氮化铝等，且不限于此。
进一步的，所述折射率可调模块包括折射率可调层，所述折射率可调层设置在金属层表面上并位于金属层和电极之间，并且所述折射率可调层的折射率随施加在金属层和电极之间的电压变化而变化。
其中，所述折射率可调层的材料可以为液晶、氧化钒、相变材料等，且不限于此。
进一步的，所述全反射光耦合元件的全反射面通过折射率匹配层与所述反射层贴合。
进一步的，所述反射层上设有可供入射光透过的第一窗口，所述第一窗口允许入射光在所述金属层与所述第二表面的界面发生全反射并形成第一反射光束。
进一步的，所述金属层上设有可供第二反射光束透过的第二窗口，所述第二反射光束由第一反射光束经反射层反射后形成，所述第二窗口允许第二反射光入射所述光检测单元的感光面。
在一些实施方案中，所述金属层与折射率可调层之间还设有用于调节全反射的耦合色散关系的介质层。
进一步的，所述折射率匹配层、所述透明介质层和全反射光耦合元件中任意两者的折射率的差别在10％以内。
进一步的，所述反射层包括厚度在100nm以上的金属膜。
进一步的，所述金属层包括第一区域和第二区域，其中第一区域与光调谐单元配合且厚度为10-80nm，而所述第二区域的厚度在100nm以上。
其中，所述金属层、反射层和电极的材质可以为金、银、铝、铜、钛、镉、铂等中的一种或多种的组合，且不限于此。
进一步的，所述调谐型光谱检测系统还包括光准直单元，其用于将入射光进行准直处理后再入射所述全反射光耦合元件。
进一步的，全反射光耦合元件包括直角棱镜或半圆透镜。
进一步的，光检测单元包括光电探测器或光热电探测器等。
本发明以上实施例中所提供的调谐型光谱检测系统，金属层的表面等离子体波对满足波矢匹配条件的特定波长(即所述的选定波长)的入射光具有强吸收，并且此特定波长可以通过改变折射率可调层的折射率进行高灵敏的调谐，因此微小的折射率变化就可以获得明显的反射光谱的调谐，从而获得大波长范围内足够多的具有差异化的光谱响应，非常有利于压缩感知算法在宽光谱范围解析出高精度的原始光谱。此外，光调谐单元和光检测单元在结构上分立，但都集成在透明介质层上且共用一个电极，既能独立优化又具有高度集成的优势。
本发明实施例的另一个方面还提供了一种光谱检测方法，其包括：
提供上述的调谐型光谱检测系统；
使被测入射光经过所述光准直单元进行准直处理后入射到所述全反射光耦合元件进行全反射，并生成反射光；
改变所述光调谐单元的折射率以调谐所述反射光，并通过所述光检测单元检测所述反射光的光强；
对所述光检测单元上检测的光强与不同单波长入射光在同样折射率环境下所述光检测单元上检测的光强之间的关系进行解析，从而获得所述被测入射光的光谱信息。
进一步的，所述光谱检测方法具体包括：
使所述金属层与电极形成电连接并对所述折射率可调层施加偏压以调节所述折射率可调层的折射率，从而改变所述金属层吸收的表面等离子体波的耦合条件，进而对所述反射光的光强进行调谐；
使光检测单元感光面的检测电极与所述金属层形成电连接，从而将所述光检测单元的感光面所接收的反射光的光强转换为电信号。
进一步的，所述光谱检测方法具体包括：
(1)将所述可重构光检测系统所能检测的波长范围分别分为N个带宽为Δλ的波段，N为不小于3的整数，各波段的中心波长为λ1，λ2，...，λN；
(2)将折射率可调层的折射率分为M个值，M为不小于3的整数，折射率可调层的折射率分别记为n1，n2，...，nM；
(3)将所述折射率可调层的折射率取第i个值时，采用中心波长为λ1，λ2，...，λN的单波长入射光入射到所述全反射光耦合元件后，所述光检测单元测得的光强记为Ii1，Ii2，...，IiN；
(4)将未知的被测入射光在折射率可调层的折射率分别为n1，n2，...，nM时，所述光检测单元测得的电信号记为I1，I2，...，IM，通过求解以下矩阵方程得到所述被测入射光的光谱信息；
其中，Cij(i＝1，2，...，M)(j＝1，2，...，N)表示中心波长为λj的单波长入射光在所述折射率可调层的折射率取第i个值时，所述光检测单元测得的光强Iij。
本发明以上实施例中所提供的光谱检测方法，将被测入射光经过光束准直单元进行准直处理后入射到全反射光耦合元件和透明介质层，通过在折射率可调层上的电极和透明介质层第二表面上的金属层间加电压调节折射率可调层的折射率，改变透明介质层第二表面的全反射过程与金属层上的表面等离子体波的耦合条件，从而调节反射光的光谱，通过多次改变偏压并通过光检测单元对相应反射光的光强进行检测，解析波长与反射光强的关系，实现对入射光的光谱检测。
下面将结合附图及具体实施例对本发明的技术方案进行进一步详细说明，本发明以下实施例在以发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例1
请参阅图1，本实施例中的一种调谐型光谱检测系统，其包括光束准直单元2、直角棱镜3、折射率匹配层4、光检测单元5、透明介质层6、反射层71、金属层72、折射率可调层8以及电极9，所述透明介质层6、反射层71、金属层72、折射率可调层8以及电极9共同构成该调谐型光谱检测系统的光调谐单元。
其中，透明介质层6具有相对的第一表面和第二表面，反射层71覆设于所述第一表面上，金属层72覆设于所述第二表面上。
具体的，反射层71上设有可供入射光透过的第一窗口711，该第一窗口711允许入射光在金属层72与所述第二表面的界面发生全反射并形成第一反射光束，所述第一反射光束经反射层71再次进行全反射并形成第二反射光束，以上反射过程可进行多次，且最终的反射光束通过金属层72上的第二窗口721入射到光检测单元5的感光面。
具体的，金属层72包括第一区域和第二区域，其中第一区域与光调谐单元配合，而光检测单元5对应设置在第二区域上，其中，金属层72的第一区域是用于激发表面等离子体波，其厚度不能过厚，过厚的话将导致入射光无法穿透金属层激发表面等离子体共振；而金属层72的第二区域的作用是对光进行反射并使反射光最终被光检测单元5接受，其厚度不能过薄，太薄会导致光泄露。
具体的，光束准直单元2为透镜组，全反射光耦合元件3为SF11直接棱镜，光检测单元5为铟镓砷探测器，透明介质层6的材质为蓝宝石，反射层71为150纳米厚的金膜，金属层72的第一区域为40纳米后的金膜，第二区域为150纳米厚的金膜，折射率可调层8的材质为液晶，厚度为4微米，电极9为150纳米厚的金膜。
本实施例中的调谐型光谱检测系统，入射光1通过光束准直单元2后入射到直角棱镜3的非全反射面31，之后经直角棱镜3的全反射面32和反射层71上的第一窗口进入透明介质层6，并在金属层72与透明介质层6的界面发生全反射，进而在金属层72的表面激发特定波长的表面等离子体波，通过使金属层72与电极9形成电连接并对折射率可调层8施加偏压以改变折射率可调层8的折射率，进而改变金属层72表面等离子体波的耦合条件，实现对反射光光谱的调谐。经多次反射后的反射光10经金属层72上的第二窗口入射到光检测单元5的感光面，以对反射光10进行检测。
具体的，请参阅图2，入射光1经光束准直单元2进行准直处理后以63度入射角入射到金属层72和透明介质层6界面，当折射率可调层8的折射率为1.52时，对应的共振波长为1200纳米，而当折射率可调层8的折射率为1.53时，对应的共振波长为1440纳米。折射率变化0.01，共振位置发生了240纳米的移动。
具体的，表面等离子体波存在于金属和介质的界面，其波矢可以表示为：
其中c为自由空间中光速，ω为入射光频率，εm为金属介电常数，εd为介质介电常数。当入射光1的波矢与表面等离子体波的波矢满足匹配条件时，即可激发出表面等离子体波。此特定波长入射光的能量转移到表面等离子体波并被金属层72吸收，在反射光谱中对应一个反射率的极小值。
从上式可以看到，表面等离子体波的波矢和介质的介电常数相关，通过在金属层72和电极9之间加偏压调节折射率可调层8的折射率，从而改变表面等离子体波的波长，进而影响金属层72的光吸收。未被吸收的光反射到透明介质层6与反射层71的界面并被再次反射，此反射光可以再次在金属层72表面与表面等离子体波耦合并受到折射率可调层8的调制作用，增强调制深度，并在多次反射后由金属层72上的第二窗口入射到光检测单元5，增强光探测的响应度。光检测单元5的响应由反射光决定，即同样受到金属层72的表面等离子体波的光吸收的影响，通过多次改变偏压并记录光检测单元的输出，解析波长与输出电信号间的关系，实现对入射光的光谱检测。
实施例2
请参阅图3，本实施例中的一种调谐型光谱检测系统，其与实施例1中的调谐型光谱检测系统的结构基本相似，区别在于，在金属层72和折射率可调层8之间引入介质层11，介质层11能够进一步调整共振波形，在实际测试过程中，能够提高使入射光发生全反射的入射角的容差范围。
具体的，所述介质层11为50纳米厚的氮化硅层。
具体的，请参阅图4，入射光1以69度入射到透明介质层6和金属层7-2界面，当折射率可调层8的折射率从1.52逐渐变化到1.57时，相应的反射光光谱中共振波长从1.2微米变化到1.7微米。
采用本实施例中的调谐型光谱检测系统对被测入射光进行光谱测试时，具体包括以下步骤：
首先，通过此调谐型光谱检测系统对不同单波长入射光的响应进行测试定标，其具体包括：将金属层72和电极9之间的电压设为2v，对应的折射率可调层8的折射率为1.52，使不同单波长入射光准直地入射到直角棱镜3的非全反射面31，然后从直角棱镜3的全反射面32射出并在透明介质层6和金属层72之间的界面激发出表面等离子体波，同时记录光检测单元5中检测到的一系列光电流信号，依次改变金属层72和电极9之间的电压，步长设定为100mV，使折射率可调层8的折射率从1.52变化到1.57，同时记录光检测单元5中检测到的一系列光电流信号，进而得到折射率可调层8从1.52变化到1.57时对应不同单波长入射光响应的光电流矩阵，即为传输矩阵C。
然后，对未知的被测入射光进行检测，按照定标测试中同样的电压调节程序逐步调节金属层72和电极9之间的电压，同时记录光检测单元5中检测到的一系列光电流信号，结合已获得的传输矩阵C，即可通过公示(1)求解出被测入射光的光谱信息。
请参阅图5a至图5c，其示出了三个不同被测入射光在商用光谱仪和本实施例中的调谐型光谱检测系统测试的光谱结果对比，可见本实施例中的调谐型光谱检测系统获得了与商用光谱仪高度一致的光谱检测结果，同时本实施例中的调谐型光谱检测系统较之现有商用光谱仪还具有高度集成的优势。
实施例3
本实施例中的一种调谐型光谱检测系统同样参阅图3，其与实施例2中的调谐型光谱检测系统的结构相同，区别之一在于：折射率可调层8的厚度为15微米。另一个区别之处在于入射光1经光束准直单元2进行准直处理后以36度入射角入射到直角棱镜3的非全反射面31。接下来，请参阅图6，为本实施例中调谐型光谱检测系统的反射光谱的计算结果，从反射光谱中可以看到多个个不同的共振。位于1465纳米波长位置的共振为入射光在金属层72激发的表面等离子体共振，而位于1250、1404、1668纳米波长位置较窄的三个共振为激发的折射率可调层8的导模共振模式。其中导模共振模式对折射率可调层8中间部分的折射率变化更为敏感，而表面等离子体共振模式对折射率可调层8靠近金属层72的部分的折射率变化更为敏感。当外部偏压发生变化时，折射率可调层8的折射率发生变化，两种共振模式的共振位置都会发生变化。相比于单个共振模式，双共振模式可以在变化偏压进行光谱信息扫描式采样时提高效率和光谱重构的分辨率。
此外，本案发明人还参照前述实施例，以本说明书述及的其它原料、工艺操作、工艺条件进行了试验，并均获得了较为理想的结果。
应当理解，本发明的技术方案不限于上述具体实施案例的限制，凡是在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，根据本发明的技术方案做出的技术变形，均落于本发明的保护范围之内。
Claims (13)
1.一种调谐型光谱检测系统，其特征在于，包括全反射光耦合元件、光调谐单元和光检测单元；
所述全反射光耦合元件能够对入射光进行全反射并产生倏逝波，所述入射光包括选定波长的光；
所述光调谐单元包括：
金属层，其能够被由所述选定波长的光产生的倏逝波激发而产生表面等离子体波，并能够吸收所述表面等离子体波，
折射率可调模块，其用于调控所述金属层表面所处环境的折射率，以至少改变所述表面等离子体波的耦合条件；
所述光检测单元至少用于对由所述光调谐单元输出的反射光的光强进行检测并转换为电信号输出。
2.根据权利要求1所述的调谐型光谱检测系统，其特征在于，所述光调谐单元还包括透明介质层和反射层，所述透明介质层具有相对的第一表面和第二表面，所述反射层覆设于所述第一表面并位于所述第一表面和所述全反射光耦合元件的全反射面之间，所述金属层覆设于所述第二表面并位于所述第二表面和折射率可调模块之间。
3.根据权利要求1所述的调谐型光谱检测系统，其特征在于，所述折射率可调模块包括折射率可调层，所述折射率可调层设置在金属层表面上并位于金属层和电极之间，并且所述折射率可调层的折射率随施加在金属层和电极之间的电压变化而变化。
4.根据权利要求1-2中任一项所述的调谐型光谱检测系统，其特征在于，所述全反射光耦合元件的全反射面通过折射率匹配层与所述反射层贴合。
5.根据权利要求4所述的调谐型光谱检测系统，其特征在于，所述反射层上设有可供入射光透过的第一窗口，所述第一窗口允许入射光在所述金属层与所述第二表面的界面发生全反射并形成第一反射光束；
和/或，所述金属层上设有可供第二反射光束透过的第二窗口，所述第二反射光束由第一反射光束经反射层反射后形成，所述第二窗口允许第二反射光入射所述光检测单元的感光面。
6.根据权利要求3所述的调谐型光谱检测系统，其特征在于，所述金属层与折射率可调层之间还设有介质层。
7.根据权利要求4所述的调谐型光谱检测系统，其特征在于，所述折射率匹配层、所述透明介质层和全反射光耦合元件中任意两者的折射率的差别在10％以内。
8.根据权利要求2所述的调谐型光谱检测系统，其特征在于，所述反射层包括厚度在100nm以上的金属膜。
9.根据权利要求1所述的调谐型光谱检测系统，其特征在于，所述金属层包括第一区域和第二区域，其中第一区域与光调谐单元配合且厚度为10-80nm，而所述第二区域的厚度在100nm以上。
10.根据权利要求1所述的调谐型光谱检测系统，其特征在于，还包括光准直单元，其用于将入射光进行准直处理后再入射所述全反射光耦合元件。
11.一种光谱检测方法，其特征在于，包括：
提供权利要求1-10中任一项所述的调谐型光谱检测系统；
使被测入射光经过所述光准直单元进行准直处理后入射到所述全反射光耦合元件进行全反射，并生成反射光；
改变所述光调谐单元的折射率以调谐所述反射光，并通过所述光检测单元检测所述反射光的光强；
对所述光检测单元上检测的光强与不同单波长入射光在同样折射率环境下所述光检测单元上检测的光强之间的关系进行解析，从而获得所述被测入射光的光谱信息。
12.根据权利要求11所述的光谱检测方法，其特征在于，具体包括：
使所述金属层与电极形成电连接并对所述折射率可调层施加偏压以调节所述折射率可调层的折射率，从而改变所述金属层吸收的表面等离子体波的耦合条件，进而对所述反射光的光强进行调谐；
使光检测单元感光面的检测电极与所述金属层形成电连接，从而将所述光检测单元的感光面所接收的反射光的光强转换为电信号。
13.根据权利要求11或12中任一项所述的光谱检测方法，其特征在于，具体包括：
(1)将所述可重构光检测系统所能检测的波长范围分别分为N个带宽为Δλ的波段，N为不小于3的整数，各波段的中心波长为λ1，λ2，...，λN；
(2)将折射率可调层的折射率分为M个值，M为不小于3的整数，折射率可调层的折射率分别记为n1，n2，...，nM；
(3)将所述折射率可调层的折射率取第i个值时，采用中心波长为λ1，λ2，...，λN的单波长入射光入射到所述全反射光耦合元件后，所述光检测单元测得的光强记为Ii1，Ii2，...，IiN；
(4)将未知的被测入射光在折射率可调层的折射率分别为n1，n2，...，nM时，所述光检测单元测得的电信号记为I1，I2，...，IM，通过求解以下矩阵方程得到所述被测入射光的光谱信息；
其中，Cij(i＝1，2，...，M)(j＝1，2，...，N)表示中心波长为λj的单波长入射光在所述折射率可调层的折射率取第i个值时，所述光检测单元测得的光强Iij。
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2022
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