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，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、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，它通過改變施加在某種晶體上的射頻頻率來改變通過濾光片的光波長，而通過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，沒有可動部件，波長調(diào)節(jié)速度快、靈活性高。
美國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/秒)，高可靠性并經(jīng)過美國國防核子局的防輻射測試。
美國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)陣列檢測器組成，可以對多個(gè)光譜頻帶進(jìn)行檢測。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，濾光片與兩維檢測器緊臨，這樣根據(jù)濾光片在不同位置的帶通，每一列檢測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)帶寬無關(guān)，而且濾光片可以根據(jù)檢測器陣列設(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，并通過波長、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象的檢測，這對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屬于同一數(shù)量級，這樣小巧的光纖探頭可以直接插入那些非整直空間和無法采樣的小空間(如活體組織、血管、細(xì)胞)中，對分析物進(jìn)行連續(xù)檢測。
Ocean Optics公司的Michael J.Morris等人研制一種緊湊級聯(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，對于決定液體的吸收、發(fā)射和散射，或測量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)檢測器和一個(gè)帶有濾光涂層的光纖探針，這種光譜儀被用來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)動的電梳執(zhí)行器來完成微鏡的掃描運(yùn)動。測量得到執(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波長下測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的波長覆蓋范圍、波長分辨率和通光本領(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。光譜儀在未來的新世紀(jì)必將出現(xiàn)高度智能化和微型化的趨勢，微型光譜儀可以說是微型儀器的一種。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。現(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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