專利名稱：基于集成光波導(dǎo)的衰減全反射光譜測(cè)量式傅里葉光譜儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及微光機(jī)電系統(tǒng)(M0EMQ加工技術(shù)、集成光波導(dǎo)電光調(diào)制技術(shù)、光纖傳感技術(shù)和光譜測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域，是一種基于集成光波導(dǎo)技術(shù)的傅里葉變換衰減全反射(ATR)光譜儀及其對(duì)生化物質(zhì)的現(xiàn)場(chǎng)快速識(shí)辨定量檢測(cè)。
背景技術(shù)：
光譜儀是分析物質(zhì)成份、結(jié)構(gòu)和含量的強(qiáng)有力工具，在大氣監(jiān)測(cè)、水環(huán)境監(jiān)測(cè)、食品安全檢測(cè)、產(chǎn)品質(zhì)量檢測(cè)、防化反恐、生物醫(yī)學(xué)、石油化工、空間探測(cè)、材料研發(fā)等眾多領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用。常見的光譜儀是基于動(dòng)鏡邁克爾遜干涉儀結(jié)構(gòu)的桌上型傅里葉變換紅外光譜儀。這種商業(yè)化光譜儀由分離光學(xué)元件構(gòu)成，各元件需精確定位，需要一套高精度的動(dòng)鏡驅(qū)動(dòng)裝置，系統(tǒng)內(nèi)部的空間自由光束很容易受到環(huán)境溫度、濕度、氣壓及氣氛變化的干擾，體積大，價(jià)格高，抗震性差，不適合攜帶和現(xiàn)場(chǎng)快速檢測(cè)。而現(xiàn)實(shí)生活中的許多特殊場(chǎng)合需要現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)檢測(cè)，在線提供數(shù)據(jù)。就現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)檢測(cè)和航空航天探測(cè)而言，減小光譜儀的尺寸和重量比提高光譜分辨率更為重要。針對(duì)實(shí)驗(yàn)室大型光譜分析儀器的不足，便攜式光譜儀成為當(dāng)今國際社會(huì)研究的熱點(diǎn)。1999年瑞士Neuchatel大學(xué)微技術(shù)研究所Omar Manzardo等人采用MOEMS技術(shù)研制出一種尺寸僅為5mmX4mm的微型傅里葉變換光譜儀
。該光譜儀使用微型硅反射鏡作為Michelson干涉計(jì)的掃描動(dòng)鏡，使用靜電驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)微型硅反射鏡，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)微鏡系統(tǒng)的精確掃描。2005年德國Wallrabe等人制備出一個(gè)微型傅里葉光譜儀[U. ffallrabe, etc.，Sens. Actuators A，2005，123-124，459-467]。他們首先利用 LIGA 技術(shù)制備了一個(gè)面積為11.5mmX9. 4mm光學(xué)平臺(tái)，然后在該光學(xué)平臺(tái)上安裝分束器、球形透鏡、探測(cè)器、光纖接口、反射鏡及電磁驅(qū)動(dòng)器，形成邁克爾遜干涉型傅里葉微光譜儀。與常規(guī)的桌上型傅里葉光譜儀相比，微型傅里葉光譜儀確實(shí)體積小，重量輕，很容易攜帶。但是這些微型傅里葉微光譜儀仍由分離元件組成，各元件仍需精確定位，仍含運(yùn)動(dòng)部件，探測(cè)光仍為空間自由光束，因此仍然存在抗機(jī)械振動(dòng)性差，性能易受環(huán)境溫度、濕度、氣壓及氣氛變化的干擾。而且微動(dòng)鏡移動(dòng)距離小，使得光譜分辨率低；微動(dòng)鏡面積小，使得光通量小，結(jié)果降低了信噪比。由此可見，基于動(dòng)鏡邁克爾遜干涉型的傅里葉變換光譜儀也存在諸多先天性不足。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是公開一種基于集成光波導(dǎo)的衰減全反射(ATR)光譜測(cè)量式傅里葉光譜儀，以克服現(xiàn)有動(dòng)鏡Michelson干涉儀結(jié)構(gòu)的傅里葉變換光譜儀，以及傳統(tǒng)ATR光譜測(cè)量方法中的不足，具有靈敏度高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、無需運(yùn)動(dòng)部件、穩(wěn)定性好、抗干擾能力強(qiáng)的優(yōu)
點(diǎn)ο為達(dá)到上述目的，本發(fā)明的技術(shù)解決方案是
—種基于集成光波導(dǎo)的衰減全反射(ATR)光譜測(cè)量式傅里葉光譜儀，其包括機(jī)殼，機(jī)殼內(nèi)設(shè)有一寬帶光源、一具有ATR敏感窗口的傳輸光纖、一集成光波導(dǎo)電光調(diào)制器、一光電探測(cè)器、一電壓函數(shù)發(fā)生器、一信號(hào)處理芯片和接口 ；機(jī)殼表面設(shè)有一窗口、一接口，接口與外接電源和后續(xù)設(shè)備相連接；寬帶光源輸入端經(jīng)接口與電源連接，寬帶光源輸出端與傳輸光纖一端光連接，傳輸光纖另一端與集成光波導(dǎo)電光調(diào)制器光連接；集成光波導(dǎo)電光調(diào)制器分別與光電探測(cè)器光連接，與電壓函數(shù)發(fā)生器電連接；光電探測(cè)器、電壓函數(shù)發(fā)生器的輸出端分別與信號(hào)處理芯片電連接，信號(hào)處理芯片輸出端連接于后續(xù)設(shè)備；

傳輸光纖上設(shè)有光纖ATR敏感窗口，光纖ATR敏感窗口正面位于機(jī)殼表面窗口內(nèi)，背面托有敏感窗口基板，敏感窗口基將窗口由內(nèi)側(cè)覆蓋。 所述的ATR光譜測(cè)量式傅里葉光譜儀，其所述光纖ATR敏感窗口為側(cè)邊拋光光纖、D型光纖、雙錐形光纖或去包層光纖其中之一，其中側(cè)邊拋光區(qū)域、D型拋光區(qū)域、雙錐形拉伸區(qū)域、去包層區(qū)域用作光纖ATR敏感窗口 ；敏感窗口基板外表面縱向設(shè)有V型槽，傳輸光纖上的光纖ATR敏感窗口固定在V型槽中，并暴露于機(jī)殼的窗口內(nèi)。所述的ATR光譜測(cè)量式傅里葉光譜儀，其所述光纖ATR敏感窗口，在機(jī)殼窗口內(nèi)的暴露部分表面有一層生化試劑修飾層。所述的ATR光譜測(cè)量式傅里葉光譜儀，其所述傳輸光纖兩端具有標(biāo)準(zhǔn)接口，便于同寬帶光源和集成光波導(dǎo)電光調(diào)制器相連接。所述的ATR光譜測(cè)量式傅里葉光譜儀，其所述集成光波導(dǎo)電光調(diào)制器，為鈮酸鋰基光波導(dǎo)、鉭酸鋰基光波導(dǎo)、砷化鎵基光波導(dǎo)、磷化銦基光波導(dǎo)其中之一；或由包含氧化鋅、鈦酸鋇電光功能薄膜的光波導(dǎo)制作而成。所述的ATR光譜測(cè)量式傅里葉光譜儀，其所述集成光波導(dǎo)電光調(diào)制器，其電極長度L為數(shù)毫米至數(shù)厘米，電極間距d = 4um 10um。所述的ATR光譜測(cè)量式傅里葉光譜儀，其工作流程如下a)啟動(dòng)電源，寬帶光源發(fā)出的光被耦合進(jìn)入傳輸光纖，沿傳輸光纖穿過光纖ATR敏感窗口區(qū)間，然后被耦合進(jìn)入集成光波導(dǎo)電光調(diào)制器；b)電壓函數(shù)發(fā)生器給集成光波導(dǎo)電光調(diào)制器施加隨時(shí)間變化的電壓，同時(shí)利用光電探測(cè)器實(shí)時(shí)測(cè)量集成光波導(dǎo)電光調(diào)制器輸出光強(qiáng)度隨調(diào)制電壓的變化，再用與光電探測(cè)器和電壓函數(shù)發(fā)生器同時(shí)相連的信號(hào)處理芯片對(duì)測(cè)得的光信號(hào)進(jìn)行快速傅里葉變換處理，得到入射光光譜；c)再將待測(cè)樣品置于光纖ATR敏感窗口后，如前所述探測(cè)入射光光譜，由此得到待測(cè)樣品的ATR吸收光譜。所述的ATR光譜測(cè)量式傅里葉光譜儀，其使用時(shí)，a)將少量待測(cè)固體或液體樣品置于光纖ATR敏感窗口，基于消逝場(chǎng)與物質(zhì)的相互作用，樣品將吸收特定波長的導(dǎo)波光，光譜儀能夠快速靈敏地測(cè)定樣品的吸收光譜；b)對(duì)在光纖ATR敏感窗口表面吸附的單分子層的吸收光譜進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量，進(jìn)一步借助分子特有的光譜指紋，實(shí)現(xiàn)對(duì)單分子吸附層的識(shí)辨性探測(cè)；c)利用具有分子識(shí)別本領(lǐng)的生化試劑對(duì)光纖ATR敏感窗口進(jìn)行表面修飾，增強(qiáng)待測(cè)溶液樣品中靶標(biāo)分子與表面修飾層的選擇性結(jié)合，然后利用該光譜儀對(duì)在光纖ATR敏感
5窗口表面形成的靶標(biāo)單分子層進(jìn)行光譜分析，實(shí)現(xiàn)對(duì)生化物質(zhì)的識(shí)辨性痕量探測(cè)。一種所述的ATR光譜測(cè)量式傅里葉光譜儀擴(kuò)展的多通道ATR光譜測(cè)量式傅里葉光譜儀，其包括機(jī)殼上設(shè)有多個(gè)窗口，在同一光波導(dǎo)基底上制備多個(gè)集成光波導(dǎo)電光調(diào)制器，使用多根具有光纖ATR敏感窗口的傳輸光纖，多個(gè)發(fā)射不同頻譜的寬帶光源，多個(gè)探測(cè)頻譜范圍不同的光電探測(cè)器，至少一個(gè)電壓函數(shù)發(fā)生器，至少一個(gè)信號(hào)處理芯片，由各相應(yīng)部件構(gòu)成多通道傅里葉變換ATR光譜儀，每一通道測(cè)量的光譜范圍不同，從而擴(kuò)展整個(gè)光譜儀的光譜測(cè)量范圍，提高光譜分辨率。本發(fā)明的一種基于集成光波導(dǎo)的衰減全反射(ATR)光譜測(cè)量式傅里葉光譜儀，能夠靈敏地測(cè)定在光纖ATR敏感窗口內(nèi)的固體、液體、甚至單分子吸附層的可見-紅外吸收光譜。該光譜儀結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單新穎，制作容易，造價(jià)低，體積小，重量輕，穩(wěn)定可靠，便于攜帶，使用方便，光譜范圍寬，分辨率高，測(cè)量時(shí)間短，靈敏度高，抗干擾能力強(qiáng)，用途廣泛，尤其適合于現(xiàn)場(chǎng)快速識(shí)辨探測(cè)與定量檢測(cè)。


圖1為本發(fā)明的基于集成光波導(dǎo)的衰減全反射(ATR)光譜測(cè)量式傅里葉光譜儀結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本發(fā)明基于集成光波導(dǎo)的衰減全反射(ATR)光譜測(cè)量式傅里葉光譜儀中所述第一種光纖ATR敏感窗口的結(jié)構(gòu)示意圖，為光纖側(cè)邊拋光區(qū)域；圖3為本發(fā)明基于集成光波導(dǎo)的衰減全反射(ATR)光譜測(cè)量式傅里葉光譜儀中所述第二種光纖ATR敏感窗口的結(jié)構(gòu)示意圖，為光纖D型拋光區(qū)域；圖4為本發(fā)明基于集成光波導(dǎo)的衰減全反射(ATR)光譜測(cè)量式傅里葉光譜儀中所述第三種光纖ATR敏感窗口的結(jié)構(gòu)示意圖，為雙錐形光纖拉伸區(qū)域；圖5為本發(fā)明基于集成光波導(dǎo)的衰減全反射(ATR)光譜測(cè)量式傅里葉光譜儀中所述第四種光纖ATR敏感窗口的結(jié)構(gòu)示意圖，為光纖去包層纖芯區(qū)域；圖6為本發(fā)明給出的一個(gè)具體實(shí)施例中，所使用的集成光波導(dǎo)電光調(diào)制器結(jié)構(gòu)示意圖；圖7為本發(fā)明給出的一個(gè)具體實(shí)施例中，調(diào)制電壓隨時(shí)間的變化以及在調(diào)制過程中集成光波導(dǎo)電光調(diào)制器輸出光強(qiáng)度隨時(shí)間的變化關(guān)系圖；圖8為對(duì)圖7所示的集成光波導(dǎo)電光調(diào)制器輸出的干涉圖樣進(jìn)行離散傅里葉變換后得到的關(guān)于采樣點(diǎn)與光功率的譜圖；圖9為把圖8橫軸從取樣點(diǎn)數(shù)轉(zhuǎn)換為波長后得到的光源光譜圖，它是關(guān)于波長與光功率的譜圖。圖中標(biāo)號(hào)1為寬帶光源；2為傳輸光纖；3為光纖ATR敏感窗口 ；31為光纖ATR敏感窗口基板，該基板帶有用于固定光纖的V型槽結(jié)構(gòu)；4為集成光波導(dǎo)電光調(diào)制器；41為帶有標(biāo)準(zhǔn)接口的輸入和輸出光纖，其中輸入光纖通過光纖適配器與帶有ATR敏感窗口的光纖相連，輸出光纖連接到光電探測(cè)器；42為LiNbO3單模三維光波導(dǎo)Mach-Zehnder干涉計(jì)；43為推挽調(diào)制電極，它與圖1所示的電壓函數(shù)發(fā)生器6相連；44為LiNbO3基底；5為光電探測(cè)器；6為電壓函數(shù)發(fā)生器-J為信號(hào)處理芯片；8為電源及后續(xù)設(shè)備接口 ；9為機(jī)殼，91為機(jī)殼窗口。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明的一種基于集成光波導(dǎo)的衰減全反射(ATR)光譜測(cè)量式傅里葉光譜儀，其工作波長范圍是由集成光波導(dǎo)的透射窗口和光電探測(cè)器可探測(cè)波長范圍共同決定的。常用的集成光波導(dǎo)電光調(diào)制器由LiNbO3基光波導(dǎo)(透射波長范圍0.4μπι 5μπι)或LiTaO3基光波導(dǎo)(透射波長范圍0. 45 μ m 5 μ m)構(gòu)成，具有非常寬的透射窗口，因此光電探測(cè)器的種類決定了本發(fā)明提出的光譜儀的工作波長范圍，如Si光電探測(cè)器的靈敏區(qū)間為0.4μπι 1. lym, InGaAs光電探測(cè)器的靈敏區(qū)間為0.8μπι 1.7μπι等等。為了拓寬光譜儀的探測(cè)區(qū)間，在同一集成光波導(dǎo)基底上制備多個(gè)電光調(diào)制器，使用多根具有ATR敏感窗口的光纖，多個(gè)發(fā)射不同頻譜的寬帶光源，多個(gè)探測(cè)頻譜范圍不同的光電探測(cè)器，一個(gè)或多個(gè)電壓函數(shù)發(fā)生器芯片，一個(gè)或多個(gè)信號(hào)處理芯片，由此構(gòu)成多通道光譜儀，每一通道測(cè)量的光譜范圍不同，從而擴(kuò)展整個(gè)光譜儀的光譜測(cè)量范圍，提高光譜分辨率。本發(fā)明的一種基于集成光波導(dǎo)的衰減全反射(ATR)光譜測(cè)量式傅里葉光譜儀，不僅能夠?qū)ξ粗庠吹陌l(fā)射光譜進(jìn)行測(cè)試分析，而且可用于如下三個(gè)方面的物質(zhì)識(shí)辨與定量測(cè)定功能(1)如若將少量待測(cè)固體或液體樣品置于光纖ATR敏感窗口表面，借助導(dǎo)波光消逝場(chǎng)與表面物質(zhì)的相互作用，該光譜儀能夠測(cè)定樣品的吸收光譜；( 該光譜儀還能夠?qū)υ诠饫wATR敏感窗口表面形成的單分子吸附層的消逝波吸收光譜進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量，進(jìn)一步借助每種分子特有的光譜指紋，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)待測(cè)氣體和生化物質(zhì)的識(shí)辨性探測(cè)；C3)如若利用具有分子識(shí)別本領(lǐng)的生化試劑對(duì)光纖ATR敏感窗口進(jìn)行適當(dāng)?shù)谋砻嫘揎?，增?qiáng)表面對(duì)待測(cè)溶液樣品中靶標(biāo)分子的選擇性結(jié)合，然后利用該光譜儀對(duì)在光纖ATR敏感窗口表面形成的單分子吸附層進(jìn)行光譜分析，即可實(shí)現(xiàn)識(shí)辨性痕量探測(cè)。見圖1，本發(fā)明的一種基于集成光波導(dǎo)的衰減全反射(ATR)光譜測(cè)量式傅里葉光譜儀，包括機(jī)殼9，機(jī)殼9內(nèi)設(shè)有一寬帶光源1、一具有ATR敏感窗口的傳輸光纖2、一集成光波導(dǎo)電光調(diào)制器4、一光電探測(cè)器5、一電壓函數(shù)發(fā)生器6、一信號(hào)處理芯片7和接口 8。接口 8可與外接電源和后續(xù)設(shè)備相連接。寬帶光源1輸入端經(jīng)接口 8與電源連接，寬帶光源1輸出端與傳輸光纖2 —端光連接，傳輸光纖2另一端與集成光波導(dǎo)電光調(diào)制器4光連接。集成光波導(dǎo)電光調(diào)制器4分別與光電探測(cè)器5光連接，與電壓函數(shù)發(fā)生器6電連接。光電探測(cè)器5、電壓函數(shù)發(fā)生器6的輸出端分別與信號(hào)處理芯片7電連接，信號(hào)處理芯片7輸出端連接于后續(xù)設(shè)備。傳輸光纖2上設(shè)有光纖衰減全反射(ATR)敏感窗口 3，光纖ATR敏感窗口 3正面暴露于機(jī)殼9外表面窗口 91內(nèi)，背面托有敏感窗口基板31，敏感窗口基板31固定在機(jī)殼9內(nèi)側(cè)。參見圖2、3、4、5，光纖ATR敏感窗口 3有多種形式，為側(cè)邊拋光光纖、D型光纖、雙錐形光纖或去包層光纖其中之一，其中側(cè)邊拋光區(qū)域(如圖2)、D型拋光區(qū)域(如圖3)、雙錐形拉伸區(qū)域(如圖4)、去包層區(qū)域(如圖5)位于傳輸光纖2中間區(qū)段，用作ATR敏感窗口。敏感窗口基板31外表面縱向設(shè)有V型槽，傳輸光纖2上的光纖ATR敏感窗口 3固定在V型槽中，并暴露于機(jī)殼9的窗口 91內(nèi)。在光纖ATR敏感窗口 3表面可進(jìn)行一層生化試劑修飾。傳輸光纖2兩端具有標(biāo)準(zhǔn)接口(圖中沒示出)，便于同寬帶光源1和集成光波導(dǎo)電光調(diào)制器4相連接，同時(shí)也便于維修、替換更新。集成光波導(dǎo)電光調(diào)制器4，是鈮酸鋰基光波導(dǎo)、鉭酸鋰基光波導(dǎo)、砷化鎵基光波導(dǎo)、磷化銦基光波導(dǎo)其中之一；或由包含氧化鋅、鈦酸鋇等電光功能薄膜的光波導(dǎo)制作而成。本發(fā)明的一種基于集成光波導(dǎo)的衰減全反射(ATR)光譜測(cè)量式傅里葉光譜儀，其工作流程如下啟動(dòng)電源，寬帶光源1發(fā)出的光被耦合進(jìn)入傳輸光纖2，沿傳輸光纖2穿過光纖ATR敏感窗口 3區(qū)間，然后被耦合進(jìn)入集成光波導(dǎo)電光調(diào)制器4。電壓函數(shù)發(fā)生器6給集成光波導(dǎo)電光調(diào)制器4施加隨時(shí)間變化的電壓，同時(shí)利用光電探測(cè)器5實(shí)時(shí)測(cè)量集成光波導(dǎo)電光調(diào)制器4輸出光強(qiáng)度隨調(diào)制電壓的變化，再用與光電探測(cè)器5和電壓函數(shù)發(fā)生器6同時(shí)相連的信號(hào)處理芯片7對(duì)測(cè)得的光信號(hào)進(jìn)行快速傅里葉變換處理，得到入射光光譜。再將待測(cè)樣品置于光纖ATR敏感窗口 3后，再如前所述探測(cè)入射光光譜，由此得到待測(cè)樣品的ATR吸收光譜。利用電壓函數(shù)發(fā)生器6給集成光波導(dǎo)電光調(diào)制器4施加隨時(shí)間線性變化的電壓，同時(shí)利用光電探測(cè)器5實(shí)時(shí)測(cè)量集成光波導(dǎo)電光調(diào)制器4的輸出光信號(hào)隨調(diào)制電壓的變化，然后利用信號(hào)處理芯片7對(duì)測(cè)得的光信號(hào)進(jìn)行快速傅里葉變換處理，獲取入射光在穿過光纖ATR敏感窗口區(qū)間后的強(qiáng)度光譜。使用時(shí)，可將少量待測(cè)固體或液體樣品置于光纖ATR敏感窗口 3，基于消逝場(chǎng)與物質(zhì)的相互作用，樣品將吸收特定波長的導(dǎo)波光，光譜儀能夠快速靈敏地測(cè)定樣品的吸收光
■i並曰ο還能夠?qū)υ诠饫wATR敏感窗口 3表面吸附的單分子層的吸收光譜進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量，進(jìn)一步借助分子特有的光譜指紋，實(shí)現(xiàn)對(duì)單分子吸附層的識(shí)辨性探測(cè)。利用具有分子識(shí)別本領(lǐng)的生化試劑對(duì)光纖ATR敏感窗口進(jìn)行表面修飾，增強(qiáng)待測(cè)溶液樣品中靶標(biāo)分子與表面修飾層的選擇性結(jié)合，然后利用該光譜儀對(duì)在ATR敏感窗口表面形成的靶標(biāo)單分子層進(jìn)行光譜分析，實(shí)現(xiàn)對(duì)生化物質(zhì)的識(shí)辨性痕量探測(cè)。本發(fā)明的一種基于集成光波導(dǎo)的衰減全反射(ATR)光譜測(cè)量式傅里葉光譜儀，還可以擴(kuò)展成多通道ATR光譜測(cè)量式傅里葉光譜儀。參見圖6，在同一光波導(dǎo)基底44上制備多個(gè)集成光波導(dǎo)電光調(diào)制器4，使用多根具有光纖ATR敏感窗口 3的傳輸光纖2，多個(gè)發(fā)射不同頻譜的寬帶光源1，多個(gè)探測(cè)頻譜范圍不同的光電探測(cè)器5，一個(gè)或多個(gè)電壓函數(shù)發(fā)生器6，一個(gè)或多個(gè)信號(hào)處理芯片7，由此則構(gòu)成多通道ATR光譜測(cè)量式傅里葉光譜儀，每一通道測(cè)量的光譜范圍不同，從而擴(kuò)展整個(gè)光譜儀的光譜測(cè)量范圍，提高光譜分辨率。實(shí)際操作中，本發(fā)明的一種基于集成光波導(dǎo)的衰減全反射(ATR)光譜測(cè)量式傅里葉光譜儀，采用如圖1所示的結(jié)構(gòu)，其中，光纖的ATR敏感窗口 3采用如圖2所示的側(cè)邊拋光光纖結(jié)構(gòu)；集成光波導(dǎo)電光調(diào)制器4采用如圖6所示的具有推挽調(diào)制電極43結(jié)構(gòu)的LiNbO3光波導(dǎo)Mach-Zehnder干涉計(jì)42，圖中，LiNbO3單模三維光波導(dǎo)Mach-Zehnder干涉計(jì)42，包括光纖41、推挽調(diào)制電極43、LiNb03基底44，光纖41、推挽調(diào)制電極43固設(shè)于LiNbO3基底44上表面。帶有標(biāo)準(zhǔn)接口的光纖41，其輸入端通過光纖適配器與帶有ATR敏感窗口 3的傳輸光纖2相連，輸出端連接到光電探測(cè)器5，推挽調(diào)制電極43與電壓函數(shù)發(fā)生器6相連。在本實(shí)施例中，電極43長度L = IOmm,電極43間距d = 8 μ m。首先，使用波長為808nm的單色光作為寬帶光源1。帶有標(biāo)準(zhǔn)接口的傳輸光纖2 一端與寬帶光源1連接，另一端與集成光波導(dǎo)電光調(diào)制器4連接。寬帶光源1發(fā)出的光被耦合進(jìn)入傳輸光纖2，沿傳輸光纖2穿過光纖ATR敏感窗口 3區(qū)間，然后被耦合進(jìn)入集成光波導(dǎo)電光調(diào)制器4。集成光波導(dǎo)電光調(diào)制器4的輸出光信號(hào)被與之光連接的光電探測(cè)器5接收。電壓函數(shù)發(fā)生器6與集成光波導(dǎo)電光調(diào)制器4電連接，并給集成光波導(dǎo)電光調(diào)制器4 施加隨時(shí)間線性變化的電壓。同時(shí)利用光電探測(cè)器5實(shí)時(shí)測(cè)量集成光波導(dǎo)電光調(diào)制器4的輸出光強(qiáng)度隨調(diào)制電壓的變化，實(shí)驗(yàn)測(cè)得的結(jié)果如圖7所示。從圖中可以看出隨著調(diào)制電壓在0. 05秒內(nèi)從-60V線性增大到+60V，集成光波導(dǎo)電光調(diào)制器4的輸出光強(qiáng)度周期性振蕩了 M次，即光相位變化了 48 π，由此可知集成光波導(dǎo)電光調(diào)制器4的半波調(diào)制電壓、= 2. 5V。在之前本發(fā)明同一申請(qǐng)人提出的基于集成光技術(shù)的傅里葉變換芯片光譜儀(申請(qǐng)?zhí)?01010138943. 2)中，我們已經(jīng)論證了 集成光波導(dǎo)電光調(diào)制器4的輸出光強(qiáng)度作為調(diào)制電壓的函數(shù)，與光源的功率譜之間互為傅里葉變換。因此利用與光電探測(cè)器5和電壓函數(shù)發(fā)生器6同時(shí)相連的信號(hào)處理芯片7對(duì)測(cè)得的干涉信號(hào)進(jìn)行快速傅里葉變換處理，可以得到入射光光譜。圖8即為對(duì)圖7所示的干涉圖樣做離散傅里葉變換后所得的譜圖，它是關(guān)于采樣點(diǎn)數(shù)與光功率的譜圖，還需要將該譜圖橫坐標(biāo)中的采樣點(diǎn)數(shù)與波長對(duì)應(yīng)。在之前本發(fā)明同一申請(qǐng)人提出的基于集成光技術(shù)的傅里葉變換芯片光譜儀(申請(qǐng)?zhí)?201010138943. 2)中，我們已經(jīng)詳細(xì)描述了采樣點(diǎn)數(shù)與波長的對(duì)應(yīng)方法。使用該方法得到圖 9所示的入射光光譜圖，它是關(guān)于波長-光源功率的光譜圖。從圖9中可以看出光譜譜峰出現(xiàn)在808. 7nm波長處，與所用光源的波長吻合的非常好，說明利用集成光波導(dǎo)電光調(diào)制器4 結(jié)合傅里葉變換處理技術(shù)，可以準(zhǔn)確地反演出光源的功率譜。同理，將光源從單色光擴(kuò)展為多色光時(shí)，可以借助傅里葉變換反演獲得多色光強(qiáng)度隨波長的分布，進(jìn)一步利用光纖傳感技術(shù)可以測(cè)得生化物質(zhì)的ATR吸收光譜?；谝陨暇唧w實(shí)施例所得的結(jié)果可推知，本發(fā)明的ATR光譜測(cè)量式傅里葉光譜儀除了能夠?qū)ξ粗庠吹陌l(fā)射光譜進(jìn)行測(cè)試分析外，還能夠?qū)Ω鞣N物質(zhì)進(jìn)行光譜測(cè)試分析， 并借助分子特有的光譜指紋，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)快速識(shí)辨性定量檢測(cè)。為了克服動(dòng)鏡邁克爾遜干涉儀結(jié)構(gòu)的傅里葉變換光譜儀的不足，本發(fā)明提出采用集成光波導(dǎo)電光調(diào)制技術(shù)和光纖ATR敏感技術(shù)相結(jié)合的途徑制備全程導(dǎo)波光的傅里葉光譜儀。這種光譜儀利用導(dǎo)波光取代了空間自由光束，不含運(yùn)動(dòng)部件，不需CCD探測(cè)器，具有體積小，重量輕，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，光譜窗口寬，機(jī)械穩(wěn)定性好，抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)，適合于在惡劣條件下現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)檢測(cè)。與之前本發(fā)明同一申請(qǐng)人提出的基于集成光技術(shù)的傅里葉變換芯片光譜儀(申請(qǐng)?zhí)?01010138943. 2)相比，本發(fā)明提出的基于集成光波導(dǎo)的衰減全反射(ATR)光譜測(cè)量式傅里葉光譜儀，實(shí)現(xiàn)了敏感窗口與集成光波導(dǎo)電光調(diào)制器有效分離，使得制備工藝得到簡(jiǎn)化，敏感窗口便于更換，器件性能得到提高。從目前公開的文獻(xiàn)中尚未發(fā)現(xiàn)與本發(fā)明提出的基于集成光波導(dǎo)的衰減全反射(ATR)光譜測(cè)量式傅里葉光譜儀，以及之前提出的基于集成光技術(shù)的傅里葉變換芯片光譜儀相類似的方法和裝置。
權(quán)利要求
1.一種基于集成光波導(dǎo)的衰減全反射光譜測(cè)量式傅里葉光譜儀，其特征在于，包括機(jī)殼，機(jī)殼內(nèi)設(shè)有一寬帶光源、一具有ATR敏感窗口的傳輸光纖、一集成光波導(dǎo)電光調(diào)制器、一光電探測(cè)器、一電壓函數(shù)發(fā)生器、一信號(hào)處理芯片和接口 ；機(jī)殼表面設(shè)有一窗口、一接口，接口與外接電源和后續(xù)設(shè)備相連接；寬帶光源輸入端經(jīng)接口與電源連接，寬帶光源輸出端與傳輸光纖一端光連接，傳輸光纖另一端與集成光波導(dǎo)電光調(diào)制器光連接；集成光波導(dǎo)電光調(diào)制器分別與光電探測(cè)器光連接，與電壓函數(shù)發(fā)生器電連接；光電探測(cè)器、電壓函數(shù)發(fā)生器的輸出端分別與信號(hào)處理芯片電連接，信號(hào)處理芯片輸出端連接于后續(xù)設(shè)備；傳輸光纖上設(shè)有光纖ATR敏感窗口，光纖ATR敏感窗口正面暴露于機(jī)殼的窗口內(nèi)，背面托有敏感窗口基板，敏感窗口基板固定于機(jī)殼內(nèi)側(cè)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的ATR光譜測(cè)量式傅里葉光譜儀，其特征在于，所述光纖ATR敏感窗口，為側(cè)邊拋光光纖、D型光纖、雙錐形光纖或去包層光纖其中之一，其中側(cè)邊拋光區(qū)域、D型拋光區(qū)域、雙錐形拉伸區(qū)域、去包層區(qū)域用作光纖ATR敏感窗口 ；敏感窗口基板外表面縱向設(shè)有V型槽，傳輸光纖上的光纖ATR敏感窗口固定在V型槽中，并暴露于機(jī)殼的窗口內(nèi)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的ATR光譜測(cè)量式傅里葉光譜儀，其特征在于，所述光纖ATR敏感窗口區(qū)段的表面有一層生化試劑修飾層。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的ATR光譜測(cè)量式傅里葉光譜儀，其特征在于，所述傳輸光纖兩 端具有標(biāo)準(zhǔn)接口，便于同寬帶光源和集成光波導(dǎo)電光調(diào)制器相連接。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的ATR光譜測(cè)量式傅里葉光譜儀，其特征在于，所述集成光波導(dǎo)電光調(diào)制器，為鈮酸鋰基光波導(dǎo)、鉭酸鋰基光波導(dǎo)、砷化鎵基光波導(dǎo)、磷化銦基光波導(dǎo)其中之一；或由包含氧化鋅、鈦酸鋇電光功能薄膜的光波導(dǎo)制作而成。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的ATR光譜測(cè)量式傅里葉光譜儀，其特征在于，所述集成光波導(dǎo)電光調(diào)制器，其電極長度L為數(shù)毫米至數(shù)厘米，電極間距d小于10微米。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的ATR光譜測(cè)量式傅里葉光譜儀，其特征在于，其工作流程如下a)啟動(dòng)電源，寬帶光源發(fā)出的光被耦合進(jìn)入傳輸光纖，沿傳輸光纖穿過光纖ATR敏感窗口區(qū)間，然后被耦合進(jìn)入集成光波導(dǎo)電光調(diào)制器；b)電壓函數(shù)發(fā)生器給集成光波導(dǎo)電光調(diào)制器施加隨時(shí)間變化的電壓，同時(shí)利用光電探測(cè)器實(shí)時(shí)測(cè)量集成光波導(dǎo)電光調(diào)制器輸出光強(qiáng)度隨調(diào)制電壓的變化，再用與光電探測(cè)器和電壓函數(shù)發(fā)生器同時(shí)相連的信號(hào)處理芯片對(duì)測(cè)得的光信號(hào)進(jìn)行快速傅里葉變換處理，得到入射光光譜；c)再將待測(cè)樣品置于光纖ATR敏感窗口后，如前所述探測(cè)入射光光譜，由此得到待測(cè)樣品的ATR吸收光譜。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的ATR光譜測(cè)量式傅里葉光譜儀，其特征在于，使用時(shí)，a)將少量待測(cè)固體或液體樣品置于光纖ATR敏感窗口，基于消逝場(chǎng)與物質(zhì)的相互作用，樣品將吸收特定波長的導(dǎo)波光，光譜儀能夠快速靈敏地測(cè)定樣品的吸收光譜；b)對(duì)在光纖ATR敏感窗口表面吸附的單分子層的吸收光譜進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量，進(jìn)一步借助分子特有的光譜指紋，實(shí)現(xiàn)對(duì)單分子吸附層的識(shí)辨性探測(cè)；c)利用具有分子識(shí)別本領(lǐng)的生化試劑對(duì)光纖ATR敏感窗口進(jìn)行表面修飾，增強(qiáng)待測(cè)溶液樣品中靶標(biāo)分子與表面修飾層的選擇性結(jié)合，然后利用該光譜儀對(duì)在光纖ATR敏感窗口表面形成的靶標(biāo)單分子層進(jìn)行光譜分析，實(shí)現(xiàn)對(duì)生化物質(zhì)的識(shí)辨性痕量探測(cè)。
9. 一種根據(jù)權(quán)利要求1所述的ATR光譜測(cè)量式傅里葉光譜儀擴(kuò)展的多通道ATR光譜測(cè)量式傅里葉光譜儀，其特征在于，包括機(jī)殼上設(shè)有多個(gè)窗口，在同一光波導(dǎo)基底上制備多個(gè)集成光波導(dǎo)電光調(diào)制器，使用多根具有光纖ATR敏感窗口的傳輸光纖，多個(gè)發(fā)射不同頻譜的寬帶光源，多個(gè)探測(cè)頻譜范圍不同的光電探測(cè)器，至少一個(gè)電壓函數(shù)發(fā)生器，至少一個(gè)信號(hào)處理芯片，由各相應(yīng)部件構(gòu)成多通道ATR光譜測(cè)量式傅里葉光譜儀，每一通道測(cè)量的光譜范圍不同，從而擴(kuò)展整個(gè)光譜儀的光譜測(cè)量范圍，提高光譜分辨率。
全文摘要
一種基于集成光波導(dǎo)的衰減全反射(ATR)光譜測(cè)量式傅里葉光譜儀，包括一集成光波導(dǎo)電光調(diào)制器，一電壓函數(shù)發(fā)生器、一寬帶光源、一光電探測(cè)器、一信號(hào)處理芯片、一具有ATR敏感窗口的光纖。光源光被耦合進(jìn)入光纖，沿光纖穿過ATR敏感窗口區(qū)間后被耦合進(jìn)入集成光波導(dǎo)電光調(diào)制器。利用電壓函數(shù)發(fā)生器給集成光波導(dǎo)電光調(diào)制器施加隨時(shí)間變化的電壓，同時(shí)利用光電探測(cè)器測(cè)量集成光波導(dǎo)電光調(diào)制器的輸出光強(qiáng)度，再用與光電探測(cè)器和電壓函數(shù)發(fā)生器相連的信號(hào)處理芯片對(duì)測(cè)得的光信號(hào)進(jìn)行傅里葉變換處理，得到入射光光譜。本發(fā)明能測(cè)定固體、液體、在敏感窗口表面吸附的單分子層的可見-紅外吸收光譜，抗干擾能力強(qiáng)，適用于現(xiàn)場(chǎng)快速定量檢測(cè)。
文檔編號(hào)G01N21/35GK102374974SQ20101026309
公開日2012年3月14日 申請(qǐng)日期2010年8月25日 優(yōu)先權(quán)日2010年8月25日
發(fā)明者劉瑞鵬, 祁志美, 陳方 申請(qǐng)人:中國科學(xué)院電子學(xué)研究所