适用于交叉色散的片上光谱仪及交叉色散的光谱采集方法

技术领域

本发明涉及光学领域，具体涉及一种适用于交叉色散的片上光谱仪及交叉色散的光谱采集方法。

背景技术

光谱仪是一种用于测量光谱的仪器。光谱是指将光分解为不同波长或频率的成分的过程，是物质在光下的反应和吸收特性的表现。光谱仪可以用于分析物质的结构、组成、浓度、物理和化学性质等方面。

交叉色散光谱仪是一种新兴的光谱仪技术，它结合了光学相位调制和交叉色散原理，可以实现高分辨率、宽波长范围和高通量的光谱分析，然而交叉色散光谱仪基于棱镜和光栅等空间色散元件，还伴随着复杂的光路，导致其结构尺寸较大，使其应用受到很大限制。

发明内容

鉴于上述问题，本发明提供了一种适用于交叉色散的片上光谱仪及交叉色散的光谱采集方法，解决了现有交叉色散光谱仪体积大以及光路复杂的问题。

为实现上述目的，在第一方面，本发明提供了一种适用于交叉色散的片上光谱仪，片上光谱仪包括基底，基底上设有第一输入端以及第一输出端，片上光谱仪沿光路传播方向依次设有一级色散模块、透镜组件、二级色散模块以及探测器，一级色散模块设置在基底上，一级色散模块用于对光束进行一级色散，一级色散模块为阵列波导光栅，阵列波导光栅包括第一色散件、多个波导以及第一聚光件，第一色散件、多个波导以及第一聚光件沿光路方向依次设置，多个波导阵列等距分布在第一色散件与第一聚光件之间，第一色散件用于对进入第一输入端的光束进行色散，多个波导用于对色散后的光束进行衍射，第一聚光件用于对衍射后的光束进行收集并聚光，输出具有预设波长间隔的离散光束；

透镜组件包括多个透镜，多个透镜沿第一方向阵列分布在基底上，透镜用于对离散光束进行准直；二级色散模块设置在第一输出端上，二级色散模块包括沿第一方向阵列分布的多个棱镜，棱镜的数量与透镜的数量相对应，棱镜用于对准直后的光束进行二级色散；探测器用于收集二级色散模块输出的二级色散后的光束，并对其进行光谱分析。

在一些实施例中，第一色散件为罗兰圆色散件；和/或，第一聚光件为罗兰圆聚光件。

在一些实施例中，多个波导沿一定弧度方向设置在第一色散件与第一聚光件之间，多个波导沿弧度方向上的长度不等。

在一些实施例中，光谱仪还包括光纤耦合球透镜，光纤耦合球透镜设置在第一输入端处，用于对进入第一输入端之前的光束进行预处理，以降低光束进入第一输入端的耦合损耗。

在一些实施例中，光谱仪还包括滤波器，滤波器设置在第一输入端与第一色散件之间，滤波器用于去除进入第一输入端的光束中的本征光信号。

在第二方面，本发明还提供一种交叉色散的光谱采集方法，适用于第一方面所述的交叉色散的片上光谱仪，方法包括以下步骤：

S11、第一色散件对进入第一输入端的光束进行色散，并将色散后的光束输出至多个波导中；

S12、多个波导对色散后的光束进行衍射；

S13、第一聚光件对衍射后的光束进行收集并聚光，输出具有预设波长间隔的离散光束；

S14、多个透镜对离散光束进行准直；

S15、多个棱镜对准直后的离散光束进行二级色散；

S16、探测器收集二级色散模块输出的二级色散后的光束，并对其进行光谱分析。

在一些实施例中，第一聚光件为罗兰圆色散件，第一聚光件对衍射后的光束进行收集并聚光包括：

衍射后的光束进入到第一聚光件中；

第一聚光件将衍射后的光束按照预设波长间隔均匀分配到多个第一聚光件的输出端。

在一些实施例中，片上光谱仪还包括光纤耦合球透镜，方法包括：

对输入第一输入端的光束进行预处理，预处理包括通过透镜对第一输入端的光束进行聚焦。

在一些实施例中，片上光谱仪还包括滤波器，方法包括：

对输入第一输入端的光束进行滤波，去除进入第一输入端的光束中的本征光信号。

区别于现有技术，上述技术方案通过阵列波导光栅，对进入第一输入端的光束进行一级色散，使得进入多个透镜的多个离散光束的波长间隔相同，再通过多个棱镜，对聚合在离散光束中的相邻干涉级光谱对应的波长光束与离散光束进行二级色散，实现不同级次光的分离，结构及光路简单，便于交叉色散的光谱采集。这一方式能够显著缩小光谱仪的占用体积，又能对光束进行充分地交叉色散，便于将片上光谱仪集成在多种设备上用于不同光束的交叉色散的光谱研究。

上述发明内容相关记载仅是本申请技术方案的概述，为了让本领域普通技术人员能够更清楚地了解本申请的技术方案，进而可以依据说明书的文字及附图记载的内容予以实施，并且为了让本申请的上述目的及其它目的、特征和优点能够更易于理解，以下结合本申请的具体实施方式及附图进行说明。

附图说明

附图仅用于示出本发明具体实施方式以及其他相关内容的原理、实现方式、应用、特点以及效果等，并不能认为是对本申请的限制。

在说明书附图中：

图1为本发明第一示例性实施例所述适用于交叉色散的片上光谱仪示意图；

图2为本发明第二示例性实施例所述交叉色散的光谱采集方法示意图。

其中的附图标记包括：1、基底；2、光纤耦合球透镜；3、滤波器；4、波导；5、透镜；6、棱镜；7、探测器。

具体实施方式

在下文中，将参考附图描述本发明的实施例。在下面的描述中，相同的模块使用相同的附图标记表示。在相同的附图标记的情况下，它们的名称和功能也相同。因此，将不重复其详细描述。

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，而不构成对本发明的限制。

请参阅图1，在第一方面，本实施例提供了一种适用于交叉色散的片上光谱仪，片上光谱仪包括基底1，基底1上设有第一输入端以及第一输出端，片上光谱仪沿光路传播方向依次设有一级色散模块、透镜5组件、二级色散模块以及探测器7，一级色散模块设置在基底1上，一级色散模块用于对光束进行一级色散，一级色散模块为阵列波导4光栅，阵列波导4光栅包括第一色散件、多个波导4以及第一聚光件，第一色散件、多个波导4以及第一聚光件沿光路方向依次设置，多个波导4阵列等距分布在第一色散件与第一聚光件之间，第一色散件用于对进入第一输入端的光束进行色散，多个波导4用于对色散后的光束进行衍射，第一聚光件用于对衍射后的光束进行收集并聚光，输出具有预设波长间隔的离散光束；

透镜5组件包括多个透镜5，多个透镜5沿第一方向阵列分布在基底1上，透镜5用于对离散光束进行准直；二级色散模块设置在第一输出端上，二级色散模块包括沿第一方向阵列分布的多个棱镜6，棱镜6的数量与透镜5的数量相对应，棱镜6用于对准直后的光束进行二级色散；探测器7用于收集二级色散模块输出的二级色散后的光束，并对其进行光谱分析。

在本实施例中，片上光谱仪包括基底1，基底1作为光谱仪上其余部件的载体，呈扁平状结构件，可以根据实际需求设置基底1的尺寸。在本实施例中，基底1上设有第一输入端以及第一输出端，第一输入端用于光束的输入，第一输出端用于光束的输出。在本实施例中，第一输入端与第一输出端之间设置有多个光学部件，用于对自第一输入端进入的光束进行色散，并将色散后的光束自第一输出端输出。

在本实施例中，一级色散模块选用为阵列波导光栅，阵列波导光栅(AWG)为一组具有相等长度差的阵列波导形成的光栅，具有分波的能力。具体可参阅图1所示，第一色散件用于对输入光束进行色散，可选地，第一色散件的输出端面呈弧面，便于使光束色散后的波长以相同的相位到达多个波导4的端面上。多个波导4之间阵列等距分布，并呈圆弧形设置在第一色散件与第一聚光件之间。由于多个波导4之间的间距相同，使得每个波导4之间所吸收的光束的波长具有等距相位差，色散后的光束在多个波导4之间传输并发生衍射。多个波导4的输出端面与第一聚光件连通，衍射后的多个光束可直接进入第一聚光件内。可选地，第一聚光件的输入端与输出端均为弧面，使得衍射后的多个光束进入第一聚光件后，会根据不同的波长进行聚合，并在第一聚光件的输出端的多个点进行聚合，形成一组离散光束输出，一组离散光束中包括多个离散光束。

透镜5为准直透镜5，透镜5的数量与第一聚光件的离散光束数量相对应。一个透镜5与一个第一聚光件的输出端的离散光束连接，用于对离散光束进行准直，便于将其输入至二级色散模块中。

二级色散模块设置在第一输出端上，二级色散模块为多个棱镜6，棱镜6与透镜5一一对应，用于对准直后的离散光束进行二级色散。这是因为，在阵列波导4光栅中输出的离散光束还存在相邻干涉级光谱对应的波长，通过棱镜6进行二次色散，能够进一步实现不同级次光的分离。值得注意的是，根据不同透镜5输出的准直光束的波长不同，棱镜6的棱镜角也不同。采用棱镜6进行二次色散，附加损耗小，没有衍射效应，探测器7输出的二维图谱与波长的对应关系简单，便于分析；同时，棱镜6结构简单，易于加工，尺寸可设置范围大，能够适应多个尺寸的片上光谱仪，在微型光谱仪的设计结构中具有极大优势。

探测器7为CCD光谱探测器7，CCD是指电荷耦合器件，是一种用电荷量表示信号大小，用耦合方式传输信号的探测元件，具有自扫描、感受波谱范围宽、畸变小、体积小、重量轻、系统噪声低、功耗小、寿命长、可靠性高等一系列优点，并可做成集成度非常高的组合件。CCD探测器7是指集成了CCD功能的探测器7，探测器7即为光谱探测器7，用于对采集到的光束进行光谱分析。

通过阵列波导4光栅，对进入第一输入端的光束进行一级色散，使得进入多个透镜5的多个离散光束的波长间隔相同，再通过多个棱镜6，对聚合在离散光束中的相邻干涉级光谱对应的波长光束与离散光束进行二级色散，实现不同级次光的分离，结构及光路简单，便于交叉色散的光谱采集。这一方式能够显著缩小光谱仪的占用体积，又能对光束进行充分地交叉色散，便于将片上光谱仪集成在多种设备上用于不同光束的交叉色散的光谱研究。

在一些实施例中，第一色散件为罗兰圆色散件；和/或，第一聚光件为罗兰圆聚光件。罗兰圆在凹球面反射镜面上刻划一系列等间距的平行线条构成的反射光栅。它具有分光能力和聚光能力。

采用罗兰圆色散件、罗兰圆聚光件以及多个波导4组成的阵列波导4光栅的光学原理为：阵列波导4(多个波导4)端面位于光栅圆的圆周上，衍射光以相同的相位到达阵列波导4的端面上。经阵列波导4传输后，相邻的波导4保持有相同的长度差ΔL，在输出凹面光栅(即罗兰圆聚光件)上相邻阵列波导4的某一波长的输出光具有相同的相位差，对于不同波长的光此相位差不同，于是不同波长的光在输出平板波导4中发生衍射并聚焦到不同的输出信道的位置，经输出信道输出后完成了波长分配效果。

在一些实施例中，多个波导4沿一定弧度方向设置在第一色散件与第一聚光件之间，多个波导4沿弧度方向上的长度不等。在本实施例中，多个波导4沿一定弧度方向设置，能够满足波导4之间间距相等、长度不同、波导4的输出端面与第一聚光件的圆弧端面连接、波导4的输入端面与第一色散件的圆弧端面连接的特性，同时，还能充分利用基底1空间，并且便于加工。可选地，还可以根据需要分散的光束波长的不同，设置不同曲率的弧长。

在一些实施例中，光谱仪还包括光纤耦合球透镜2，光纤耦合球透镜2设置在第一输入端处，用于对进入第一输入端之前的光束进行聚焦，以降低光束进入第一输入端的耦合损耗。

在本实施例中，光纤耦合是采用光学系统对一端的光束进行准直、整形、变换，进一步耦合到另一端光纤中的一个过程。一方面可以改善光束质量，另一方面由于光纤柔软可弯曲，可以将光能量导向任意方向，极大提高应用范围。减小透镜5焦距可以提高耦合效率，要得到最小的透镜5，就是直接将光纤端面制成一定大小和形状的微透镜5，然后直接对待输入的光束进行耦合。光纤端面使用一定的加工工艺制作成这种锥形得光纤耦合效率较高，制作工艺较简单，且体积小，价格低。把光纤端面加工成半球形得微透镜5，则相当于增加了系统中的数值孔径，可以提高耦合效率。在本实施例中，光纤耦合球透镜2即将光纤的端面制成球面透镜5，并且球面透镜5的弧面端与光源的输出端相切，将其用作单模光纤和光纤耦合球透镜2之间的光学互连，可以实现光束的聚焦，降低了单模光纤和集成光子学芯片光输入波导4之间的耦合损耗。

在一些实施例中，光谱仪还包括滤波器3，滤波器3设置在第一输入端与第一色散件之间，滤波器3用于去除进入第一输入端的光束中的本征光信号。本实施例所示的本征光信号是外部激发光产生的，需要滤除外部的激发光信号。

请参阅图2，在第二方面，本实施例还提供一种交叉色散的光谱采集方法，适用于第一方面所述的交叉色散的片上光谱仪，方法包括以下步骤：

S11、第一色散件对进入第一输入端的光束进行色散，并将色散后的光束输出至多个波导中；

S12、多个波导对色散后的光束进行衍射；

S13、第一聚光件对衍射后的光束按照预设方式进行收集并聚光，输出具有预设波长间隔的离散光束；

S14、多个透镜对离散光束进行准直；

S15、多个棱镜对准直后的离散光束进行二级色散；

S16、探测器收集二级色散模块输出的二级色散后的光束，并对其进行光谱分析。

在本实施例中，片上光谱仪包括基底1，基底1作为光谱仪上其余部件的载体，呈扁平状结构件，可以根据实际需求设置基底1的尺寸。在本实施例中，基底1上设有第一输入端以及第一输出端，第一输入端用于光束的输入，第一输出端用于光束的输出。在本实施例中，第一输入端与第一输出端之间设置有多个光学部件，用于对自第一输入端进入的光束进行色散，并将色散后的光束自第一输出端输出。

在本实施例中，一级色散模块选用为阵列波导4光栅，阵列波导4光栅(AWG)为一组具有相等长度差的阵列波导4形成的光栅，具有分波的能力。具体可参阅图1所示，第一色散件用于对输入光束进行色散，可选地，第一色散件的输出端面呈弧面，便于使光束色散后的波长以相同的相位到达多个波导4的端面上。多个波导4之间阵列等距分布，并呈圆弧形设置在第一色散件与第一聚光件之间。由于多个波导4之间的间距相同，使得每个波导4之间所吸收的光束的波长具有等距相位差，色散后的光束在多个波导4之间传输并发生衍射。多个波导4的输出端面与第一聚光件连通，衍射后的多个光束可直接进入第一聚光件内。可选地，第一聚光件的输入端与输出端均为弧面，使得衍射后的多个光束进入第一聚光件后，会根据不同的波长进行聚合，并在第一聚光件的输出端的多个点进行聚合，形成一组离散光束输出，一组离散光束中包括多个离散光束。

透镜5为准直透镜5，透镜5的数量与第一聚光件的离散光束数量相对应。一个透镜5与一个第一聚光件的输出端的离散光束连接，用于对离散光束进行准直，便于将其输入至二级色散模块中。

二级色散模块设置在第一输出端上，二级色散模块为多个棱镜6，棱镜6与透镜5一一对应，用于对准直后的离散光束进行二级色散。这是因为，在阵列波导4光栅中输出的离散光束还存在相邻干涉级光谱对应的波长，通过棱镜6进行二次色散，能够进一步实现不同级次光的分离。值得注意的是，根据不同透镜5输出的准直光束的波长不同，棱镜6的棱镜角也不同。采用棱镜6进行二次色散，附加损耗小，没有衍射效应，探测器7输出的二维图谱与波长的对应关系简单，便于分析；同时，棱镜6结构简单，易于加工，尺寸可设置范围大，能够适应多个尺寸的片上光谱仪，在微型光谱仪的设计结构中具有极大优势。

探测器7为CCD光谱探测器7，CCD是指电荷耦合器件，是一种用电荷量表示信号大小，用耦合方式传输信号的探测元件，具有自扫描、感受波谱范围宽、畸变小、体积小、重量轻、系统噪声低、功耗小、寿命长、可靠性高等一系列优点，并可做成集成度非常高的组合件。CCD探测器7是指集成了CCD功能的探测器7，探测器7即为光谱探测器7，用于对采集到的光束进行光谱分析。

通过阵列波导4光栅，对进入第一输入端的光束进行一级色散，使得进入多个透镜5的多个离散光束的波长间隔相同，再通过多个棱镜6，对聚合在离散光束中的相邻干涉级光谱对应的波长光束与离散光束进行二级色散，实现不同级次光的分离，结构及光路简单，便于交叉色散的光谱采集。这一方式能够显著缩小光谱仪的占用体积，又能对光束进行充分地交叉色散，便于将片上光谱仪集成在多种设备上用于不同光束的交叉色散的光谱研究。

在一些实施例中，第一聚光件为罗兰圆色散件，第一聚光件对衍射后的光束进行收集并聚光包括：

衍射后的光束进入到第一聚光件中；

第一聚光件利用干涉原理将衍射后的光束按照预设波长间隔均匀分配到多个第一聚光件的输出端。

在一些实施例中，片上光谱仪还包括光纤耦合球透镜，方法包括：

对输入第一输入端的光束进行预处理，预处理包括通过球透镜对第一输入端的光束进行聚焦。

在一些实施例中，片上光谱仪还包括滤波器3，方法包括：

对输入第一输入端的光束进行滤波，去除进入第一输入端的光束中的本征光信号。

上述技术方案通过阵列波导4光栅，对进入第一输入端的光束进行一级色散，使得进入多个透镜5的多个离散光束的波长间隔相同，再通过多个棱镜6，对聚合在离散光束中的相邻干涉级光谱对应的波长光束与离散光束进行二级色散，实现不同级次光的分离，结构及光路简单，便于交叉色散的光谱采集。这一方式能够显著缩小光谱仪的占用体积，又能对光束进行充分地交叉色散，便于将片上光谱仪集成在多种设备上用于不同光束的交叉色散的光谱研究。

尽管在本申请的说明书文字及附图中已经对上述各实施例进行了描述，但并不能因此限制本申请的专利保护范围。凡是基于本申请的实质理念，利用本申请说明书文字及附图记载的内容所作的等效结构或等效流程替换或修改产生的技术方案，以及直接或间接地将以上实施例的技术方案实施于其他相关的技术领域等，均包括在本申请的专利保护范围之内。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

以上本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所作出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。