基于阵列波导光栅(AWG)的便携式拉曼光谱仪的系统研究

摘要

拉曼光谱分析技术是一种非常重要的鉴定物质成分的技术，可通过分析拉曼特征光谱来检测出该物质所含有的成分。随着食品安全、环境卫生等问题的日益凸显，拉曼光谱仪利用拉曼光谱分析技术以其简便、快速等优点逐渐被应用市场认可。传统的拉曼光谱仪往往具有体积庞大、价格昂贵等缺点，不能满足现场检测的需求，这严重阻碍了拉曼技术在民生方面的推广和应用。因此，小型化、低成本、高可靠性能的便携式拉曼光谱仪有望成为一种新型的现场快速检测仪器。
　　如何使拉曼光谱仪的体积、成本减小并保持提高其性能是本文主要研究的工作内容，在保证仪器的高分辨率和灵敏度前提下，采用新原理、新技术设计出一款小体积、低成本的基于阵列波导光栅(AWG)芯片的便携式拉曼光谱仪。
　　本文主要介绍基于AWG的便携式拉曼光谱仪的设计方法，研究内容主要包括:
　　1.将AWG芯片、光电探测器(PD)阵列及光纤对准装配为一个独立的插件。为了提高对准的可靠性和准确性，构建了专业对准装置，采用了边测试边对准的方法;
　　2.控制电路系统的设计和制作。主要功能包括低噪声积分放大及A/D转换，半导体激光器的控制，与上位机的通信，测试参数的设置;
　　3.软件设计，主要涉及到两部分，第一是在控制电路系统的基础上采用C语言设计底层软件用以实现各硬件模块的功能，第二是采用C＃完成上位机软件的设计，用以实现PC端对光谱仪的控制;
　　4.壳体结构设计，用于保证光谱仪性能的稳定，合理利用空间。
　　最终得到的基于AWG的便携式拉曼光谱仪尺寸为140×100×40 mm3，重量为600 g，激光器的激发波长是785 nm，输出功率最大为500mW，且可调。测试积分时间可在10 ms-10 s间设置，测试拉曼信号波长范围是800-1000 nm。使用本文中设计的光谱仪对孔雀石绿进行测试，获得的孔雀石绿特征峰的信噪比大约为35∶1。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 拉曼光谱仪的研究背景及其意义

1．2 便携式拉曼光谱仪发展现状

1．2．1 国外发展研究现状

1．2．2 国内发展研究现状

1．3 本文主要研究工作内容

第二章 阵列波导光栅(AWG)和拉曼光谱仪的结构

2．1 阵列波导光栅(AWG)

2．1．1 AWG的应用

2．1．2 AWG的基本原理

2．1．3 AWG的制备和工艺流程

2．2 基于AWG便携式拉曼光谱仪的系统原理及结构

2．2．1 便携式拉曼光谱仪的原理

2．2．2 双光纤拉曼探头

2．2．3 半导体激光器(LD)

2．2．4 光电探测器(PD)阵列

2．2．5 硬件电路系统

2．3 本章小结

第三章 便携式拉曼光谱仪信号处理硬件电路系统

3．1 硬件电路系统的整体框图

3．2 单片机C8051F021核心板电路模块

3．2．1 单片机C8051F021主要性能参数

3．2．2 单片机C8051F021实现的功能

3．3 USB转UART0串口电路模块

3．4 电压转换电路模块

3．5 JTAG下载口模块

3．6 D／A模块

3．7 半导体激光器控制电路模块

3．8 PD阵列信号积分放大电路

3．8．1 几种常见的光电检测电路

3．8．2 积分放大电路的原理

3．8．3 本文设计的积分放大电路

3．8．4 积分放大电路的调试

3．9 PCB板的制作

3．10 本章小结

第四章 拉曼光谱仪的软件设计

4．1 单片机软件系统设计

4．1．1 主程序开发

4．1．2 指令处理程序部分

4．1．3 固件更新设计

4．1．4 串口通信程序

4．1．5 DAC输出控制程序

4．1．6 ADC模数转换程序

4．1．7 单片机BootLoader的介绍

4．2 上位机软件系统设计

4．2．1 上位机用户界面介绍

4．2．2 上位机软件系统总体流程图

4．2．3 参数设定

4．2．4 数据采集部分

4．2．5 数据处理

4．3 本章小结

第五章 AWG与PD阵列的对准耦合

5．1 PD阵列电路板的制备

5．2 AWG与光纤的粘合

5．2．1 固定光纤的V型槽芯片

5．2．2 AWG芯片与V型槽的配对

5．2．3 光纤与AWG的对准耦合

5．3 AWG与PD阵列的对准耦合

5．4 本章小结

第六章 光谱仪的结构设计与测试结果分析

6．1 AWG01型光谱仪的结构设计

6．2 便携式拉曼光谱仪的结构设计

6．3 测试结果的分析

6．4 本章小结

第七章 总结与展望

参考文献

致谢

在学期间发表成果