光譜儀的微小型化

引言

微光學(xué)、微電子、微機(jī)械的結(jié)合產(chǎn)生出一類新的應(yīng)用范圍很廣的器件——微型光機(jī)電系統(tǒng)(MOEMS)，它也是機(jī)、電、光、磁、化學(xué)、傳感技術(shù)等多種技術(shù)的綜合。MOEMS日益成為新的光學(xué)工具，已經(jīng)對(duì)許多基于光學(xué)的儀器顯示出應(yīng)用前景。作為MOEMS的一種，微型光譜分析儀具有許多大型光譜儀所不具備的優(yōu)點(diǎn)，如重量輕、體積小、探測(cè)速度快、使用方便、可集成化、可批量制造以及成本低廉等，像普通光譜儀一樣微型光譜儀有著巨大的應(yīng)用市場(chǎng)，可以應(yīng)用在實(shí)驗(yàn)室化學(xué)分析、臨床醫(yī)學(xué)檢驗(yàn)、工業(yè)監(jiān)測(cè)、航空航天遙感等領(lǐng)域，因而引起了人們廣泛的興趣。
微型光譜儀的實(shí)現(xiàn)可以應(yīng)用多種技術(shù)，目前常用的方法包括：采用新型濾光技術(shù)制作微型光譜儀；利用光纖的化學(xué)傳感性制成光纖探針進(jìn)行光譜分析；使用微細(xì)加工制作集成式微型光譜儀等。

2采用新型濾光技術(shù)的微型光譜儀

聲光可調(diào)濾光片(AOTF)是一種微型窄帶可調(diào)濾光片，是光譜儀微型化的一個(gè)發(fā)展方向，它通過(guò)改變施加在某種晶體上的射頻頻率來(lái)改變通過(guò)濾光片的光波長(zhǎng)，而通過(guò)AOTF光的強(qiáng)度可利用改變射頻的功率進(jìn)行精密、快速的調(diào)節(jié)。它的分辨率很高，目前可以達(dá)到0.0125nm，沒(méi)有可動(dòng)部件，波長(zhǎng)調(diào)節(jié)速度快、靈活性高。
美國(guó)Brimrose公司和Jet Propulsion實(shí)驗(yàn)室聯(lián)合設(shè)計(jì)一種微型電晶體NIR光譜儀。這種基于AOTF的反射型近紅外微型光譜儀主要造用于航天領(lǐng)域，使用發(fā)光二極管(LED)陣列作為光源，光纖作為光波傳輸介質(zhì)，該光譜儀重量<250克，尺寸小9.2×5.4×3.2cm，超快速(4000波長(zhǎng)/秒)，高可靠性并經(jīng)過(guò)美國(guó)國(guó)防核子局的防輻射測(cè)試。
美國(guó)Hughes Santa Mara研究中心研制的線性楔形光譜儀(專利產(chǎn)品)，是由一個(gè)微小模狀濾光片和一個(gè)陣列檢測(cè)器組成，可以對(duì)多個(gè)光譜頻帶進(jìn)行檢測(cè)。模形光譜儀內(nèi)有一個(gè)模形的多層薄膜介電材料構(gòu)成的干擾濾光片，濾光片與兩維檢測(cè)器緊臨，這樣根據(jù)濾光片在不同位置的帶通，每一列檢測(cè)器可以接收不同光譜波段的能量，所以單獨(dú)一個(gè)模形光譜儀可以覆蓋很寬的光譜范圍。模形光譜儀的光譜范圍受到濾光片、探測(cè)器材料特性的限制，還需要使用多種阻擋濾光片。工作光譜范圍分布在可見(jiàn)光和近紅外區(qū)(從400nm到1030nm)。該光譜儀在實(shí)驗(yàn)中還獲得了線性色散率，色散率與點(diǎn)帶寬無(wú)關(guān)，而且濾光片可以根據(jù)檢測(cè)器陣列設(shè)計(jì)成不同的幾何形狀。

3利用光纖制作的微型光譜儀

光纖傳感器的主要特點(diǎn)是具有很高的傳輸信息容量，可以同時(shí)反映出多元成分的多維信息，并通過(guò)波長(zhǎng)、相位、衰減分布、偏振和強(qiáng)度調(diào)制、時(shí)間分辨、收集瞬時(shí)信息等來(lái)加以分辨，真正實(shí)現(xiàn)多道光譜分析和復(fù)合傳感器陣列的設(shè)計(jì)，達(dá)到復(fù)雜混合物中特定分析對(duì)象的檢測(cè)，這對(duì)電傳感器和聲傳感器而言是望塵莫及的。光纖的探頭直徑可以小到與其傳播的光波波長(zhǎng)屬于同一數(shù)量級(jí)，這樣小巧的光纖探頭可以直接插入那些非整直空間和無(wú)法采樣的小空間(如活體組織、血管、細(xì)胞)中，對(duì)分析物進(jìn)行連續(xù)檢測(cè)。
Ocean Optics公司的Michael J.Morris等人研制一種緊湊級(jí)聯(lián)光纖DIP探針微小光譜儀，該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是使用單股光纖以獲得高分辨率光譜信息，對(duì)于決定液體的吸收、發(fā)射和散射，或測(cè)量pH或有毒金屬濃度使用固定指示材料。光譜儀的模式限制光學(xué)設(shè)計(jì)得到很高的光通量，常規(guī)應(yīng)用中可以使用50μm的光纖。
微型光纖光譜儀還有美國(guó)Stwen christesen等人研制的便攜式光纖拉曼光譜儀，便攜式光纖拉曼光譜儀可以對(duì)化學(xué)試劑鑒定盒進(jìn)行非接觸分析，它包括二極管激光器、中階梯攝譜儀、電荷桐合器件(CCD)檢測(cè)器和一個(gè)帶有濾光涂層的光纖探針，這種光譜儀被用來(lái)分析密封玻璃容器中的化學(xué)試劑和其它有毒化學(xué)物。拉曼光譜是通過(guò)使用一個(gè)帶有25m光纖的EICRamanProbe探針獲得的。探針輸出功率在紫翠玉激光器下為80mW，而二極管激光器為137nW。這種微型拉曼光譜儀也可以用T單個(gè)活細(xì)胞的分析。

4集成微型光譜儀

利用MEMS和MOEMS的微加工技術(shù)也可以制作出微型光譜儀。Gayiin M.Yee等人利用微機(jī)械加工方法直接在CCD成像器件上制作衍射光柵構(gòu)成集成式微型光譜儀，得到的光譜儀系統(tǒng)衍射效率可以達(dá)到63%，色散率為1.7mm/像元，分辨率為74.4。
IMS(Institute of Microtechnology，University ofNe11chatel，Switzerland)制作了一種基于光MEMS技術(shù)的微型傅里葉變換光譜儀(FTS)，它用一種由靜電驅(qū)動(dòng)的電梳執(zhí)行器來(lái)完成微鏡的掃描運(yùn)動(dòng)。測(cè)量得到執(zhí)行器在38.5mm位移下的非線性為±0.5mm，在消除非線性后得到校正光譜，光譜重現(xiàn)率為±25nm。相位校正后在633nm波長(zhǎng)下測(cè)量得到光譜儀的分辨率為6nm。

5結(jié)論

由于光譜儀的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)以及光譜儀廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域，在微小光譜儀的研究中可以采用多種方法和多種思路。比如改善AOTF的波長(zhǎng)覆蓋范圍、波長(zhǎng)分辨率和通光本領(lǐng)，可以使它能應(yīng)用于各種光譜化學(xué)分析，而用這樣的元件可以制成結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能良好、成本低廉的光譜儀，或者使用分辨率較高的中階梯光柵，與一般棱鏡結(jié)合，進(jìn)行交叉色散，可以得到分辨率很高的二維光譜圖，所以可以根據(jù)微小光譜儀的本身特點(diǎn)和工作環(huán)境要求來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)。
微加工技術(shù)的發(fā)展以及MEMS、MOEMS的出現(xiàn)使許多學(xué)科技術(shù)的研究都朝著微驚訝及微小型化的方向發(fā)展，更需要一些特殊條件下（如外星、地下、深海、危險(xiǎn)區(qū)等）的工作儀器。光譜儀在未來(lái)的新世紀(jì)必將出現(xiàn)高度智能化和微型化的趨勢(shì)，微型光譜儀可以說(shuō)是微型儀器的一種。微型儀器實(shí)際上是具有儀器功能的MEMS/MOEMS產(chǎn)品，是MEMES技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用。微型儀器的核心技術(shù)之一是微型傳感技術(shù)，采用各種新原理、新概念的各類傳感器是實(shí)現(xiàn)微型儀器的關(guān)鍵和必要條件�，F(xiàn)在儀器朝著微小型化、智能化的發(fā)展使我們又面臨一個(gè)新的考驗(yàn)，也是我們發(fā)展的一個(gè)機(jī)遇。

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