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时空协同高精度的光谱测量装置及方法

阅读：728发布：2020-05-15

专利汇可以提供时空协同高精度的光谱测量装置及方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明公开了一种时空协同高精度的光谱测量装置及方法，光源 (1)发出的光经过窄自由谱光纤法珀扫描干涉器(2)到达光谱波段发生单元得到信号光；在信号光中抽取出一个窄范围的光谱波段，通过输出光纤进入准直扩束镜(5)，扩束后的圆形光束经柱面透镜(6)整形为水平的线状光束，入射至虚像相位阵列器(7)产生大角度的角色散，形成空间分开的超精细光谱波段窗口，由聚焦透镜(8)汇聚后入射到光电探测器阵列(9)，并输入到处理单元10处理，最终得到被测的窄范围光谱波段的光谱信息。与现有技术相比，本发明克服了光谱分析中高精度和宽范围的矛盾，适用范围广，满足多通道光微流体传感器高通量测量发展需求。，下面是时空协同高精度的光谱测量装置及方法专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种时空协同高精度的光谱测量装置，其特征在于，该装置包括光源(1)、窄自由谱光纤法珀扫描干涉器(2)、窄自由谱光纤法珀扫描干涉器驱动器(3)、光谱发生单元、准直扩束镜(5)、柱面透镜(6)、虚像相位阵列器(7)、聚焦透镜(8)、光电探测器阵列(9)以及处理单元(10)；
光源(1)发出的光经过窄自由谱光纤法珀扫描干涉器(2)到达光谱波段发生单元得到信号光；在信号光中抽取出一个窄范围的光谱波段，通过输出光纤进入准直扩束镜(5)，扩束后的圆形光束经柱面透镜(6)整形成为水平的线状光束，入射至虚像相位阵列器(7)产生大角度的角色散，形成空间分开的超精细光谱波段窗口，由聚焦透镜(8)汇聚后入射到光电探测器阵列(9)上，对空间分布的光强度进行光电转换，并输入到处理单元(10)进行采集和处理，最终计算出被测的窄范围光谱波段的光谱信息，所述光谱波段发生单元由波分复用器（11）构成，到达波分复用器的按照光谱范围进行粗分成多个窄范围的光谱波段。
2.如权利要求1所述的时空协同高精度的光谱测量装置，其特征在于，所述多个窄范围的光谱波段通过不同的输出光纤进入多个准直扩束镜(5)，形成的多路输出再分别扩束后的圆形光束经柱面透镜(6)整形成为水平的线状光束，分别入射至虚像相位阵列器(7)产生大角度的角色散，形成空间分开的超精细光谱波段窗口，分别由聚焦透镜(8)汇聚后入射到光电探测器阵列(9)上，对空间分布的光强度进行光电转换，并分别输入到处理单元(10)进行采集和处理，最终分别计算出被测的窄范围光谱波段的光谱信息。
3.如权利要求1所述的时空协同高精度的光谱测量装置，其特征在于，所述光谱波段发生单元由波分复用器(11)和光开关(12)构成，所述波分复用器(11)将到达的光按照光谱范围进行粗分成多个光谱波段；所述光开关(12)选通其中一个窄范围的光谱波段，通过输出光纤进入准直扩束镜(5)。
4.一种时空协同高精度的光谱测量方法，其特征在于，该方法包括以下具体步骤：
步骤(1)、宽带光源发出的光通过光纤传输到窄自由谱光纤法珀扫描干涉器中，经过窄自由谱光纤法珀扫描干涉器产生的高精细度、窄自由谱梳状谱调制形成具有梳状谱的光输出；
步骤(2)、具有梳状谱的光信号输入光谱波段发生单元，抽取出一个窄范围的光谱波段，进入到输出光纤中；
步骤(3)、输出光纤的输出光经准直扩束镜形成准直光束，入射到柱面透镜后在水平方向会聚，形成线状光束出射；
步骤(4)、线状光束入射到虚像相位阵列器，在竖直方向按照波长色散展开出射，然后经聚焦透镜会聚，从而虚像相位阵列器构成了空间分开的超精细波段窗口；
步骤(5)、会聚光投射到光电探测器阵列，每个超精细波段窗口占据光电探测器阵列数量为2～18的像元；
步骤(6)、窄自由谱光纤法珀扫描干涉器驱动器驱动窄自由谱光纤法珀扫描干涉器，驱动梳状谱进行扫描，从而在每个超精细光谱波段窗口进行时间域的并行谱线扫描；对应每个超精细波段窗口的光电探测器阵列像元同时将光信号转换电信号，对每个超精细波段窗口所占据所有像元进行累加计算，作为该超精细波段窗口内由窄自由谱光纤法珀扫描干涉器进行时间扫描时得到的一个时刻下的光强度，从而记录下每个超精细波段窗口的光谱信息；
步骤(7)、处理单元对光电探测器阵列输出的电信号进行采集，获得光电探测器阵列不同空间位置的时域扫描值，然后对时空协同获得的数据进行计算获得多条光谱信息；由于是在每个超精细波段窗口的窄自由谱内扫描，同时又是多个波段超精细波段窗口同步扫描，所以实现对多条谱线的高精度宽范围的并行光谱测量。
5.如权利要求4所述的时空协同高精度的光谱测量方法，其特征在于，在所述步骤(2)中，光谱波段发生单元通过滤波器在信号光中抽取出一个窄范围的光谱波段，通过输出光纤进入准直扩束镜。
6.如权利要求4所述的时空协同高精度的光谱测量方法，其特征在于，在所述步骤(2)中，光谱波段发生单元通过波分复用器将到达波分复用器的按照光谱范围进行粗分成多个窄范围的光谱波段。
7.如权利要求6所述的时空协同高精度的光谱测量方法，其特征在于，所述多个窄范围的光谱波段通过不同的输出光纤进入多个准直扩束镜，形成的多路输出再分别扩束后的圆形光束经柱面透镜整形成为水平的线状光束，分别入射至虚像相位阵列器产生大角度的角色散，形成空间分开的超精细光谱波段窗口，分别由聚焦透镜汇聚后入射到光电探测器阵列上，对空间分布的光强度进行光电转换，并分别输入到处理单元进行采集和处理，最终分别计算出被测的窄范围光谱波段的光谱信息。
8.如权利要求7所述的时空协同高精度的光谱测量方法，其特征在于，在所述步骤(2)中，在光谱波段发生单元中将到达波分复用器的光按照光谱范围进行粗分成多个光谱波段，通过光开关选通其中一个窄范围的光谱波段，通过输出光纤进入准直扩束镜。

说明书全文

时空协同高精度的光谱测量装置及方法

技术领域

[0001] 本发明涉及光学传感领域的高精度光谱测量领域，特别是涉及一种光谱测量装置及方法。

背景技术

[0002] 产生回音壁谐振模(Whisper Gallery Mode，WGM)的微谐振腔可以在很小的尺寸获得很高的品质因子(Q值)，可高达1010。光在高Q值谐振腔的谐振传输次数可以很高，因此利用高Q值谐振腔构建传感器，增加了光与物质分子相互作用的有效距离，可大大提高检测灵敏度。因此WGM模被用来制作高精度的光微流体传感，尤其是在生物传感领域。

[0003] 光微流体传感器的WGM模能产生一系列等间距的梳状谐振谱。由于WGM模的光谱非常精细，目前谱线分析的方式或者是在窄光谱分析范围(～100pm)的范围对其单条光谱做高精度谱线分析，或者在宽光谱范围(～100nm)进行低光谱分辨率的多条光谱分析。在高通量测量中，需要通过微谐振腔WGM模梳状谐振谱的每一个谱线用作一个通道，从而实现多个光微流体传感器的波分复用。因此既需要范围宽，又要保证高的分辨率。本发明正是针对这一需求，克服以往光谱分析装置的不足而提出。

发明内容

[0004] 为了克服上述现有技术的问题，本发明提出了一种时空协同高精度的光谱测量装置及方法，利用窄自由谱光纤法珀扫描干涉器进行窄光谱范围的时间域多谱线波长并行扫描，并利用虚像相位阵列器将各个自由光谱范围在空间域上通过角色散进行分离并行探测；通过时空协同实现光谱测量；

[0005] 同时，经过将上述技术方案稍作变换，即可实现并行光谱测量从而通过时空协同实现对多条谱线的高精度宽范围并行光谱测量。

[0006] 本发明提出了一种时空协同高精度的光谱测量装置，该装置包括光源1、窄自由谱光纤法珀扫描干涉器2、窄自由谱光纤法珀扫描干涉器驱动器3、光谱发生单元、准直扩束镜5、柱面透镜6、虚像相位阵列器7、聚焦透镜8、光电探测器阵列9以及处理单元10；

[0007] 光源1发出的光经过窄自由谱光纤法珀扫描干涉器2到达光谱波段发生单元得到信号光；在信号光中抽取出一个窄范围的光谱波段，通过输出光纤进入准直扩束镜5，扩束后的圆形光束经柱面透镜6整形成为水平的线状光束，入射至虚像相位阵列器7产生大角度的角色散，形成空间分开的超精细光谱波段窗口，由聚焦透镜8汇聚后入射到光电探测器阵列9上，对空间分布的光强度进行光电转换，并输入到处理单元10进行采集和处理，最终计算出被测的窄范围光谱波段的光谱信息，所述光谱波段发生单元由波分复用器(11)构成，到达波分复用器的按照光谱范围进行粗分成多个窄范围的光谱波段。

[0008] 所述多个窄范围的光谱波段通过不同的输出光纤进入多个准直扩束镜5，形成的多路输出再分别扩束后的圆形光束经柱面透镜6整形成为水平的线状光束，分别入射至虚像相位阵列器7产生大角度的角色散，形成空间分开的超精细光谱波段窗口，分别由聚焦透镜8汇聚后入射到光电探测器阵列9上，对空间分布的光强度进行光电转换，并分别输入到处理单元10进行采集和处理，最终分别计算出被测的窄范围光谱波段的光谱信息。

[0009] 所述光谱波段发生单元由波分复用器11和光开关12构成，所述波分复用器11将到达的光按照光谱范围进行粗分成多个光谱波段；所述光开关12选通其中一个窄范围的光谱波段，通过输出光纤进入准直扩束镜5。

[0010] 本发明还提出了一种时空协同高精度的光谱测量方法，该方法包括以下具体步骤：

[0011] 步骤1、宽带光源发出的光通过光纤传输到窄自由谱光纤法珀扫描干涉器中，经过窄自由谱光纤法珀扫描干涉器产生的高精细度、窄自由谱梳状谱调制形成具有梳状谱的光输出；

[0012] 步骤2、具有梳状谱的光信号输入光谱波段发生单元，抽取出一个窄范围的光谱波段，进入到输出光纤中；

[0013] 步骤3、输出光纤的输出光经准直扩束镜形成准直光束，入射到柱面透镜后在水平方向会聚，形成线状光束出射；

[0014] 步骤4、线状光束入射到虚像相位阵列器，在竖直方向按照波长色散展开出射，然后经聚焦透镜会聚，从而虚像相位阵列器构成了空间分开的超精细波段窗口；

[0015] 步骤5、会聚光投射到光电探测器阵列，每个超精细波段窗口占据光电探测器阵列数量为2～18的像元；

[0016] 步骤6、窄自由谱光纤法珀扫描干涉器驱动器驱动窄自由谱光纤法珀扫描干涉器，驱动梳状谱进行扫描，从而在每个超精细光谱波段窗口进行时间域的并行谱线扫描。对应每个超精细波段窗口的光电探测器阵列像元同时将光信号转换电信号，对每个超精细波段窗口所占据所有像元进行累加计算，作为该超精细波段窗口内由窄自由谱光纤法珀扫描干涉器进行时间扫描时得到的一个时刻下的光强度，从而记录下每个超精细波段窗口的光谱信息；

[0017] 步骤7、处理单元对光电探测器阵列输出的电信号进行采集，获得光电探测器阵列不同空间位置的时域扫描值，然后对时空协同获得的数据进行计算获得多条光谱信息。由于是在每个超精细波段窗口的窄自由谱内扫描，同时又是多个波段超精细波段窗口同步扫描，所以实现对多条谱线的高精度宽范围的并行光谱测量；

[0018] 在所述步骤2中，光谱波段发生单元通过滤波器在信号光中抽取出一个窄范围的光谱波段，通过输出光纤进入准直扩束镜。

[0019] 在所述步骤2中，光谱波段发生单元通过波分复用器将到达波分复用器的按照光谱范围进行粗分成多个窄范围的光谱波段。所述多个窄范围的光谱波段通过不同的输出光纤进入多个准直扩束镜，形成的多路输出再分别扩束后的圆形光束经柱面透镜整形成为水平的线状光束，分别入射至虚像相位阵列器7产生大角度的角色散，形成空间分开的超精细光谱波段窗口，分别由聚焦透镜汇聚后入射到光电探测器阵列上，对空间分布的光强度进行光电转换，并分别输入到处理单元进行采集和处理，最终分别计算出被测的窄范围光谱波段的光谱信息。

[0020] 在光谱波段发生单元中将到达波分复用器的光按照光谱范围进行粗分成多个光谱波段，通过光开关选通其中一个窄范围的光谱波段，通过输出光纤进入准直扩束镜。

[0021] 与现有技术相比，本发明具有以下的技术效果：

[0022] 1、本发明克服了光谱分析中高精度和宽范围的矛盾；

[0023] 2、本发明适用范围广，尤其适合光微流体传感器的WGM谐振模的窄谱宽的梳状光谱测量，满足多通道光微流体传感器高通量测量发展需求。附图说明

[0024] 图1是时空协同高精度宽范围的并行光谱测量装置示意图；

[0025] 图2是采用多个光电探测器阵列的时空协同高精度宽范围的并行光谱测量装置示意图；

[0026] 图3是采用光开关切换的时空协同高精度宽范围的并行光谱测量装置示意图；

[0027] 图4是时空协同并行光谱测量方法示意图；

[0028] 图5是光微流体传感器的WGM谐振模光谱示意图；

[0029] 图中，1、光源，2、窄自由谱光纤法珀扫描干涉器，3、窄自由谱光纤法珀扫描干涉器驱动器，4、滤波器，5、准直扩束镜，6、柱面透镜，7、虚像相位阵列器，8、聚焦透镜，9、光电探测器阵列，10、处理单元，11、波分复用器，12、光开关。

具体实施方式

[0030] 以下结合附图及具体实施方式，进一步详述本发明的技术方案。

[0031] 实施例1：时空协同高精度宽范围的并行光谱测量装置

[0032] 如图1所示，光源1发出的光经过窄自由谱光纤法珀扫描干涉器2(由窄自由谱光纤法珀扫描干涉器驱动器3控制)到达滤波器4，经滤波后得到信号光；在信号光中抽取出一个窄范围的光谱波段，通过输出光纤进入准直扩束镜5，扩束后的圆形光束经柱面透镜6整形成为水平的线状光束，入射至虚像相位阵列器7产生大角度的角色散，形成空间分开的超精细光谱波段窗口，由聚焦透镜8汇聚后入射到光电探测器阵列9上，对空间分布的光强度进行光电转换，并输入到处理单元10进行采集和处理，最终计算出窄范围光谱波段的光谱信息。

[0033] 其中：

[0034] 光源1，采用具有宽光谱的宽带光源，通过光纤输出，包括ASE光源和SLD光源；

[0035] 窄自由谱光纤法珀扫描干涉器2，用于对宽光谱进行调制，产生高精细度、窄自由谱很高的扫描梳状谱，其自由谱范围1～20GHz，精细度1000～5000；

[0036] 窄自由谱光纤法珀扫描干涉器控制驱动器3，用于通过电压调制对光纤法珀扫描干涉器的梳状谱扫描进行控制，驱动光纤法珀扫描干涉器进行时间域扫描，并通过实时电压值得到梳状谱的精确波长值；

[0037] 滤波器4，用于在信号光中抽取出一个1.6～6.4nm的窄范围的光谱波段，进入到输出光纤；

[0038] 准直扩束镜5，用于将对光纤中传输出的光转化为空间传输的进行准直和光束扩束；

[0039] 柱面透镜6，用于实现对空间传输准直光的将圆形光束整形，使其成为水平的线状光束；

[0040] 虚像相位阵列器7，用于产生大角度的角色散，其角色散分布方向与水平线状光束垂直，形成空间分开的超精细光谱波段窗口，光谱波段窗口大小范围为8～160pm，与窄自由谱光纤法珀扫描干涉器的自由光谱范围大小相匹配，虚像相位阵列器由两面镀膜的玻璃平行平板斜置构成，玻璃平行平板的倾斜角为1°～10°，镀膜反射率为0.85～0.99，厚度为50～1000μm，用于产生大角度的色散，其角色散分布方向与线状光斑垂直；

[0041] 聚焦透镜8，用于会聚空间平行光束；

[0042] 光电探测器阵列9，用于对空间分布的光强度进行光电转换，每个超精细波段窗口占据光电探测器阵列数量为2～18的像元，光电探测阵列的类型包括采用线阵CCD或者、InGaAs和CMOS探测阵列对空间光强度和位置信息进行采集，并传入计算机进行存储和处理；

[0043] 处理单元10，包括通用计算机和嵌入式计算系统，用于对光电探测器阵列采集输出的信息电信号进行采集和处理，对每个超精细波段窗口所占据所有像元进行累加计算，作为该超精细波段窗口内由窄自由谱光纤法珀扫描干涉器进行时间扫描时得到的一个时刻下的光强度，最终计算出光谱信息。

[0044] 对本发明上述的技术方案稍作时空协同高精度宽范围的并行光谱测量装置[0045] 实施例2：采用多个光电探测器阵列的时空协同高精度宽范围的并行光谱测量装置

[0046] 如图2所示，光源1发出的光经过窄自由谱光纤法珀扫描干涉器2(由窄自由谱光纤法珀扫描干涉器驱动器3控制)到达波分复用器11，按照光谱范围进行粗分成多个窄范围的光谱波段，通过不同的输出光纤进入多个准直扩束镜5，扩束后的多个圆形光束分别经多个柱面透镜6整形成为多条水平的线状光束，入射至各个相应的虚像相位阵列器7产生大角度的角色散，形成多个空间分开的超精细光谱波段窗口，由各个相应的聚焦透镜8汇聚后入射到各个光电探测器阵列9上，对空间分布的光强度进行光电转换，并输入到处理单元10进行采集和处理，最终计算出一宽范围光谱波段的光谱信息。

[0047] 实施例3：采用光开关切换的时空协同高精度宽范围的并行光谱测量装置示意图[0048] 如图3所示，光源1发出的光经过窄自由谱光纤法珀扫描干涉器2(由窄自由谱光纤法珀扫描干涉器驱动器3控制)到达波分复用器11，按照光谱范围进行粗分成多个光谱波段，通过光开关12来选通其中一个窄范围的光谱波段，进入准直扩束镜5，扩束后的圆形光束经柱面透镜6整形成为多条水平的线状光束，入射至虚像相位阵列器7产生大角度的角色散，形成空间分开的超精细光谱波段窗口，由聚焦透镜8汇聚后入射到光电探测器阵列9上，对空间分布的光强度进行光电转换，并输入到处理单元10进行采集和处理，最终计算出一宽范围光谱波段光谱信息。

[0049] 实施例4：时空协同高精度宽范围的并行光谱测量方法

[0050] 如图1所示，光源1发出的光经过窄自由谱光纤法珀扫描干涉器2(由窄自由谱光纤法珀扫描干涉器驱动器3控制)调制后到达滤波器4，经滤波后得到信号光；在信号光中抽取出一个窄范围的光谱波段，进入到输出光纤，传输到准直扩束镜5上，将光整形成为圆形光束传输至柱面镜6。圆形光束经柱面镜6聚焦成为线状光束，再入射至虚像相位阵列器7，产生大角度的角色散，形成空间分开的超精细光谱波段窗口。如图4所示，纵坐标代表空间位置，虚像相位阵列器7构成的空间分开的超精细光谱波段窗口通过聚焦透镜8会聚后入射到光电探测器9上，每个超精细光谱波段窗口与窄自由谱光纤法珀扫描干涉器的自由光谱范围(FSR)大小相匹配，占据光电探测器阵列9像元数量为2～18个；横坐标代表时间位置，窄自由谱光纤法珀扫描干涉器扫描梳状谱可由窄自由谱光纤法珀扫描干涉器驱动器3控制在时间域内进行扫描，其扫描波长范围为一个自由光谱范围(FSR)。每个自由光谱范围(FSR)每个超精细光谱波段窗口大小相匹配，通过光电探测器阵列9上的像元可以接收到实时光强信息并转化为电信号输入处理单元10中，对每个超精细波段窗口所占据所有像元进行累加计算，作为该超精细波段窗口内由窄自由谱光纤法珀扫描干涉器进行时间扫描时得到的一个时刻下的光强度，从而记录下每个超精细波段窗口的光谱信息。处理单元10对光电探测器阵列9输出的电信号进行采集，获得对应不同超精细波段窗口的光电探测器阵列不同空间位置像元的时域扫描值，然后对所有的像元进行时空协同，即可获得多条光谱信息。由于是在每个超精细波段窗口的窄自由谱内扫描，同时又是多个波段超精细波段窗口同步扫描，所以实现对多条谱线的高精度宽范围的并行光谱测量。

[0051] 实施例5：应用举例

[0052] 本发明尤其适合光微流体传感器的WGM谐振模的窄谱宽的梳状光谱测量。如图5所示，此谱线为光微流体传感器的WGM谐振模的窄谱宽的梳状光谱，其特点是具有很高的Q值(可达107)，因此谱线极其细锐，需要进行高精度的光谱测量。同时，为了满足多通道光微流体传感器的高通量测量发展要求，需要达到几十纳米的光谱测量范围。利用本发明装置接收光微流体传感器的WGM谐振模的窄谱宽的梳状光谱，通过时空协同的高精度宽范围的并行光谱测量过程，最终可在处理单元获得其在宽范围内高精度光谱信息。

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