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光譜儀的微小型化
光譜儀的微小型化
1引言
微光學、微電子、微機械的結合產生出一類新的應用范圍很廣的器件——微型光機電系統(MOEMS)，它也是機、電、光、磁、化學、傳感技術等多種技術的綜合。MOEMS日益成為新的光學工具，已經對許多基于光學的儀器顯示出應用前景。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點，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用市場，可以應用在實驗室化學分析、臨床醫學檢驗、工業監測、航空航天遙感等領域，因而引起了人們廣泛的興趣。微型光譜儀的實現可以應用多種技術，目前常用的方法包括：采用新型濾光技術制作微型光譜儀；利用光纖的化學傳感性制成光纖探針進行光譜分析；使用微細加工制作集成式微型光譜儀等。
2采用新型濾光技術的微型光譜儀
聲光可調濾光片(AOTF)是一種微型窄帶可調濾光片，是光譜儀微型化的一個發展方向，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光的強度可利用改變射頻的功率進行精密、快速的調節。它的分辨率很高，目前可以達到0.0125nm，沒有可動部件，波長調節速度快、靈活性高。美國Brimrose公司和Jet Propulsion實驗室聯合設計一種微型電晶體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域，使用發光二極管(LED)陣列作為光源，光纖作為光波傳輸介質，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(產品)，是由一個微小模狀濾光片和一個陣列檢測器組成，可以對多個光譜頻帶進行檢測。模形光譜儀內有一個模形的多層薄膜介電材料構成的干擾濾光片，濾光片與兩維檢測器緊臨，這樣根據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*個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(從400nm到1030nm)。該光譜儀在實驗中還獲得了線性色散率，色散率與點帶寬無關，而且濾光片可以根據檢測器陣列設計成不同的幾何形狀。
3利用光纖制作的微型光譜儀
光纖傳感器的主要特點是具有很高的傳輸信息容量，可以同時反映出多元成分的多維信息，并通過波長、相位、衰減分布、偏振和強度調制、時間分辨、收集瞬時信息等來加以分辨，真正實現多道光譜分析和復合傳感器陣列的設計，達到復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*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、細胞)中，對分析物進行連續檢測。Ocean Optics公司的Michael J.Morris等人研制一種緊湊級聯光纖DIP探針微小光譜儀，該系統的設計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設計得到很高的光通量，常規應用中可以使用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試劑鑒定盒進行非接觸分析，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試劑和其它有毒化學物。拉曼光譜是通過使用一個帶有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單個活細胞的分析。
4集成微型光譜儀
利用MEMS和MOEMS的微加工技術也可以制作出微型光譜儀。Gayiin M.Yee等人利用微機械加工方法直接在CCD成像器件上制作衍射光柵構成集成式微型光譜儀，得到的光譜儀系統衍射效率可以達到63%，色散率為1.7mm/像元，分辨率為74.4。IMS(Institute of Microtechnology，University ofNe11cha，Switzerland)制作了一種基于光MEMS技術的微型傅里葉變換光譜儀(FTS)，它用一種由靜電驅動的電梳執行器來完成微鏡的掃描運動。測量得到執行器在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結論
由于光譜儀的結構特點以及光譜儀廣泛的應用領域，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，可以使它能應用于各種光譜化學分析，而用這樣的元件可以制成結構簡單、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，與一般棱鏡結合，進行交叉色散，可以得到分辨率很高的二維光譜圖，所以可以根據微小光譜儀的本身特點和工作環境要求來進行設計。微加工技術的發展以及MEMS、MOEMS的出現使許多學科技術的研究都朝著微驚訝及微小型化的方向發展，更需要一些特殊條件下(如外星、地下、深海、危險區等)的工作儀器。光譜儀在未來的新世紀必將出現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。微型儀器實際上是具有儀器功能的MEMS/MOEMS產品，是MEMES技術的實際應用。微型儀器的核心技術之一是微型傳感技術，采用各種新原理、新概念的各類傳感器是實現微型儀器的關鍵和必要條件。現在儀器朝著微小型化、智能化的發展使我們又面臨一個新的考驗，也是我們發展的一個機遇