基于集成光波导的衰减全反射光谱测量式傅里叶光谱仪

摘要

一种基于集成光波导的衰减全反射(ATR)光谱测量式傅里叶光谱仪，包括一集成光波导电光调制器，一电压函数发生器、一宽带光源、一光电探测器、一信号处理芯片、一具有ATR敏感窗口的光纤。光源光被耦合进入光纤，沿光纤穿过ATR敏感窗口区间后被耦合进入集成光波导电光调制器。利用电压函数发生器给集成光波导电光调制器施加随时间变化的电压，同时利用光电探测器测量集成光波导电光调制器的输出光强度，再用与光电探测器和电压函数发生器相连的信号处理芯片对测得的光信号进行傅里叶变换处理，得到入射光光谱。本发明能测定固体、液体、在敏感窗口表面吸附的单分子层的可见-红外吸收光谱，抗干扰能力强，适用于现场快速定量检测。

说明书

技术领域

本发明涉及微光机电系统(MOEMS)加工技术、集成光波导电光调 制技术、光纤传感技术和光谱测量技术领域，是一种基于集成光波导技术 的傅里叶变换衰减全反射(ATR)光谱仪及其对生化物质的现场快速识辨 定量检测。

背景技术

光谱仪是分析物质成份、结构和含量的强有力工具，在大气监测、水 环境监测、食品安全检测、产品质量检测、防化反恐、生物医学、石油化 工、空间探测、材料研发等众多领域有着广泛应用。常见的光谱仪是基于 动镜迈克尔逊干涉仪结构的桌上型傅里叶变换红外光谱仪。这种商业化光 谱仪由分离光学元件构成，各元件需精确定位，需要一套高精度的动镜驱 动装置，系统内部的空间自由光束很容易受到环境温度、湿度、气压及气 氛变化的干扰，体积大，价格高，抗震性差，不适合携带和现场快速检测。 而现实生活中的许多特殊场合需要现场实时检测，在线提供数据。就现场 实时检测和航空航天探测而言，减小光谱仪的尺寸和重量比提高光谱分辨 率更为重要。

针对实验室大型光谱分析仪器的不足，便携式光谱仪成为当今国际社 会研究的热点。1999年瑞士大学微技术研究所Omar Manzardo等 人采用MOEMS技术研制出一种尺寸仅为5mm×4mm的微型傅里叶变换 光谱仪[O.Manzardo，H.P.Herzig，C.R.Marxer，and N.F.de Rooij，Opt.Lett.24(1999) 1705-1707.]。该光谱仪使用微型硅反射镜作为Michelson干涉计的扫描动镜， 使用静电驱动器驱动微型硅反射镜，可以实现对微镜系统的精确扫描。 2005年德国Wallrabe等人制备出一个微型傅里叶光谱仪[U.Wallrabe，etc.，Sens. Actuators A，2005，123-124，459-467]。他们首先利用LIGA技术制备了一个面积 为11.5mm×9.4mm光学平台，然后在该光学平台上安装分束器、球形透 镜、探测器、光纤接口、反射镜及电磁驱动器，形成迈克尔逊干涉型傅里 叶微光谱仪。

与常规的桌上型傅里叶光谱仪相比，微型傅里叶光谱仪确实体积小， 重量轻，很容易携带。但是这些微型傅里叶微光谱仪仍由分离元件组成， 各元件仍需精确定位，仍含运动部件，探测光仍为空间自由光束，因此仍 然存在抗机械振动性差，性能易受环境温度、湿度、气压及气氛变化的干 扰。而且微动镜移动距离小，使得光谱分辨率低；微动镜面积小，使得光 通量小，结果降低了信噪比。由此可见，基于动镜迈克尔逊干涉型的傅里 叶变换光谱仪也存在诸多先天性不足。

发明内容

本发明的目的是公开一种基于集成光波导的衰减全反射(ATR)光谱 测量式傅里叶光谱仪，以克服现有动镜Michelson干涉仪结构的傅里叶变 换光谱仪，以及传统ATR光谱测量方法中的不足，具有灵敏度高、结构 简单、无需运动部件、稳定性好、抗干扰能力强的优点。

为达到上述目的，本发明的技术解决方案是：

一种基于集成光波导的衰减全反射(ATR)光谱测量式傅里叶光谱仪， 其包括机壳，机壳内设有一宽带光源、一具有ATR敏感窗口的传输光纤、 一集成光波导电光调制器、一光电探测器、一电压函数发生器、一信号处 理芯片和接口；

机壳表面设有一窗口、一接口，接口与外接电源和后续设备相连接；

宽带光源输入端经接口与电源连接，宽带光源输出端与传输光纤一端 光连接，传输光纤另一端与集成光波导电光调制器光连接；集成光波导电 光调制器分别与光电探测器光连接，与电压函数发生器电连接；光电探测 器、电压函数发生器的输出端分别与信号处理芯片电连接，信号处理芯片 输出端连接于后续设备；

传输光纤上设有光纤ATR敏感窗口，光纤ATR敏感窗口正面位于机 壳表面窗口内，背面托有敏感窗口基板，敏感窗口基将窗口由内侧覆盖。

所述的ATR光谱测量式傅里叶光谱仪，其所述光纤ATR敏感窗口为 侧边抛光光纤、D型光纤、双锥形光纤或去包层光纤其中之一，其中侧边 抛光区域、D型抛光区域、双锥形拉伸区域、去包层区域用作光纤ATR 敏感窗口；敏感窗口基板外表面纵向设有V型槽，传输光纤上的光纤ATR 敏感窗口固定在V型槽中，并暴露于机壳的窗口内。

所述的ATR光谱测量式傅里叶光谱仪，其所述光纤ATR敏感窗口， 在机壳窗口内的暴露部分表面有一层生化试剂修饰层。

所述的ATR光谱测量式傅里叶光谱仪，其所述传输光纤两端具有标 准接口，便于同宽带光源和集成光波导电光调制器相连接。

所述的ATR光谱测量式傅里叶光谱仪，其所述集成光波导电光调制 器，为铌酸锂基光波导、钽酸锂基光波导、砷化镓基光波导、磷化铟基光 波导其中之一；或由包含氧化锌、钛酸钡电光功能薄膜的光波导制作而成。

所述的ATR光谱测量式傅里叶光谱仪，其所述集成光波导电光调制 器，其电极长度L为数毫米至数厘米，电极间距d＝4um～10um。

所述的ATR光谱测量式傅里叶光谱仪，其工作流程如下：

a)启动电源，宽带光源发出的光被耦合进入传输光纤，沿传输光纤 穿过光纤ATR敏感窗口区间，然后被耦合进入集成光波导电光调制器；

b)电压函数发生器给集成光波导电光调制器施加随时间变化的电 压，同时利用光电探测器实时测量集成光波导电光调制器输出光强度随调 制电压的变化，再用与光电探测器和电压函数发生器同时相连的信号处理 芯片对测得的光信号进行快速傅里叶变换处理，得到入射光光谱；

c)再将待测样品置于光纤ATR敏感窗口后，如前所述探测入射光光 谱，由此得到待测样品的ATR吸收光谱。

所述的ATR光谱测量式傅里叶光谱仪，其使用时，

a)将少量待测固体或液体样品置于光纤ATR敏感窗口，基于消逝场 与物质的相互作用，样品将吸收特定波长的导波光，光谱仪能够快速灵敏 地测定样品的吸收光谱；

b)对在光纤ATR敏感窗口表面吸附的单分子层的吸收光谱进行实 时测量，进一步借助分子特有的光谱指纹，实现对单分子吸附层的识辨性 探测；

c)利用具有分子识别本领的生化试剂对光纤ATR敏感窗口进行表 面修饰，增强待测溶液样品中靶标分子与表面修饰层的选择性结合，然后 利用该光谱仪对在光纤ATR敏感窗口表面形成的靶标单分子层进行光谱 分析，实现对生化物质的识辨性痕量探测。

一种所述的ATR光谱测量式傅里叶光谱仪扩展的多通道ATR光谱测 量式傅里叶光谱仪，其包括机壳上设有多个窗口，在同一光波导基底上制 备多个集成光波导电光调制器，使用多根具有光纤ATR敏感窗口的传输 光纤，多个发射不同频谱的宽带光源，多个探测频谱范围不同的光电探测 器，至少一个电压函数发生器，至少一个信号处理芯片，由各相应部件构 成多通道傅里叶变换ATR光谱仪，每一通道测量的光谱范围不同，从而 扩展整个光谱仪的光谱测量范围，提高光谱分辨率。

本发明的一种基于集成光波导的衰减全反射(ATR)光谱测量式傅里 叶光谱仪，能够灵敏地测定在光纤ATR敏感窗口内的固体、液体、甚至 单分子吸附层的可见-红外吸收光谱。该光谱仪结构简单新颖，制作容易， 造价低，体积小，重量轻，稳定可靠，便于携带，使用方便，光谱范围宽， 分辨率高，测量时间短，灵敏度高，抗干扰能力强，用途广泛，尤其适合 于现场快速识辨探测与定量检测。

附图说明

图1为本发明的基于集成光波导的衰减全反射(ATR)光谱测量式傅 里叶光谱仪结构示意图；

图2为本发明基于集成光波导的衰减全反射(ATR)光谱测量式傅里 叶光谱仪中所述第一种光纤ATR敏感窗口的结构示意图，为光纤侧边抛 光区域；

图3为本发明基于集成光波导的衰减全反射(ATR)光谱测量式傅里 叶光谱仪中所述第二种光纤ATR敏感窗口的结构示意图，为光纤D型抛 光区域；

图4为本发明基于集成光波导的衰减全反射(ATR)光谱测量式傅里 叶光谱仪中所述第三种光纤ATR敏感窗口的结构示意图，为双锥形光纤 拉伸区域；

图5为本发明基于集成光波导的衰减全反射(ATR)光谱测量式傅里 叶光谱仪中所述第四种光纤ATR敏感窗口的结构示意图，为光纤去包层 纤芯区域；

图6为本发明给出的一个具体实施例中，所使用的集成光波导电光调 制器结构示意图；

图7为本发明给出的一个具体实施例中，调制电压随时间的变化以及 在调制过程中集成光波导电光调制器输出光强度随时间的变化关系图；

图8为对图7所示的集成光波导电光调制器输出的干涉图样进行离散 傅里叶变换后得到的关于采样点与光功率的谱图；

图9为把图8横轴从取样点数转换为波长后得到的光源光谱图，它是 关于波长与光功率的谱图。

图中标号：

1为宽带光源；2为传输光纤；3为光纤ATR敏感窗口；31为光纤ATR 敏感窗口基板，该基板带有用于固定光纤的V型槽结构；4为集成光波导 电光调制器；41为带有标准接口的输入和输出光纤，其中输入光纤通过光 纤适配器与带有ATR敏感窗口的光纤相连，输出光纤连接到光电探测器； 42为LiNbO₃单模三维光波导Mach-Zehnder干涉计；43为推挽调制电极， 它与图1所示的电压函数发生器6相连；44为LiNbO₃基底；5为光电探 测器；6为电压函数发生器；7为信号处理芯片；8为电源及后续设备接口； 9为机壳，91为机壳窗口。

具体实施方式

本发明的一种基于集成光波导的衰减全反射(ATR)光谱测量式傅里 叶光谱仪，其工作波长范围是由集成光波导的透射窗口和光电探测器可探 测波长范围共同决定的。常用的集成光波导电光调制器由LiNbO₃基光波 导(透射波长范围0.4μm～5μm)或LiTaO₃基光波导(透射波长范围0.45 μm～5μm)构成，具有非常宽的透射窗口，因此光电探测器的种类决定了 本发明提出的光谱仪的工作波长范围，如Si光电探测器的灵敏区间为0.4 μm～1.1μm，InGaAs光电探测器的灵敏区间为0.8μm～1.7μm等等。为了 拓宽光谱仪的探测区间，在同一集成光波导基底上制备多个电光调制器， 使用多根具有ATR敏感窗口的光纤，多个发射不同频谱的宽带光源，多 个探测频谱范围不同的光电探测器，一个或多个电压函数发生器芯片，一 个或多个信号处理芯片，由此构成多通道光谱仪，每一通道测量的光谱范 围不同，从而扩展整个光谱仪的光谱测量范围，提高光谱分辨率。

本发明的一种基于集成光波导的衰减全反射(ATR)光谱测量式傅里 叶光谱仪，不仅能够对未知光源的发射光谱进行测试分析，而且可用于如 下三个方面的物质识辨与定量测定功能：(1)如若将少量待测固体或液体 样品置于光纤ATR敏感窗口表面，借助导波光消逝场与表面物质的相互 作用，该光谱仪能够测定样品的吸收光谱；(2)该光谱仪还能够对在光纤 ATR敏感窗口表面形成的单分子吸附层的消逝波吸收光谱进行实时测量， 进一步借助每种分子特有的光谱指纹，可以实现对待测气体和生化物质的 识辨性探测；(3)如若利用具有分子识别本领的生化试剂对光纤ATR敏 感窗口进行适当的表面修饰，增强表面对待测溶液样品中靶标分子的选择 性结合，然后利用该光谱仪对在光纤ATR敏感窗口表面形成的单分子吸 附层进行光谱分析，即可实现识辨性痕量探测。

见图1，本发明的一种基于集成光波导的衰减全反射(ATR)光谱测 量式傅里叶光谱仪，包括机壳9，机壳9内设有一宽带光源1、一具有ATR 敏感窗口的传输光纤2、一集成光波导电光调制器4、一光电探测器5、一 电压函数发生器6、一信号处理芯片7和接口8。接口8可与外接电源和 后续设备相连接。

宽带光源1输入端经接口8与电源连接，宽带光源1输出端与传输光 纤2一端光连接，传输光纤2另一端与集成光波导电光调制器4光连接。 集成光波导电光调制器4分别与光电探测器5光连接，与电压函数发生器 6电连接。光电探测器5、电压函数发生器6的输出端分别与信号处理芯 片7电连接，信号处理芯片7输出端连接于后续设备。

传输光纤2上设有光纤衰减全反射(ATR)敏感窗口3，光纤ATR敏 感窗口3正面暴露于机壳9外表面窗口91内，背面托有敏感窗口基板31， 敏感窗口基板31固定在机壳9内侧。

参见图2、3、4、5，光纤ATR敏感窗口3有多种形式，为侧边抛光 光纤、D型光纤、双锥形光纤或去包层光纤其中之一，其中侧边抛光区域 (如图2)、D型抛光区域(如图3)、双锥形拉伸区域(如图4)、去包层 区域(如图5)位于传输光纤2中间区段，用作ATR敏感窗口。敏感窗口 基板31外表面纵向设有V型槽，传输光纤2上的光纤ATR敏感窗口3固 定在V型槽中，并暴露于机壳9的窗口91内。

在光纤ATR敏感窗口3表面可进行一层生化试剂修饰。

传输光纤2两端具有标准接口(图中没示出)，便于同宽带光源1和 集成光波导电光调制器4相连接，同时也便于维修、替换更新。

集成光波导电光调制器4，是铌酸锂基光波导、钽酸锂基光波导、砷 化镓基光波导、磷化铟基光波导其中之一；或由包含氧化锌、钛酸钡等电 光功能薄膜的光波导制作而成。

本发明的一种基于集成光波导的衰减全反射(ATR)光谱测量式傅里 叶光谱仪，其工作流程如下：

启动电源，宽带光源1发出的光被耦合进入传输光纤2，沿传输光纤 2穿过光纤ATR敏感窗口3区间，然后被耦合进入集成光波导电光调制器 4。电压函数发生器6给集成光波导电光调制器4施加随时间变化的电压， 同时利用光电探测器5实时测量集成光波导电光调制器4输出光强度随调 制电压的变化，再用与光电探测器5和电压函数发生器6同时相连的信号 处理芯片7对测得的光信号进行快速傅里叶变换处理，得到入射光光谱。 再将待测样品置于光纤ATR敏感窗口3后，再如前所述探测入射光光谱， 由此得到待测样品的ATR吸收光谱。

利用电压函数发生器6给集成光波导电光调制器4施加随时间线性变 化的电压，同时利用光电探测器5实时测量集成光波导电光调制器4的输 出光信号随调制电压的变化，然后利用信号处理芯片7对测得的光信号进 行快速傅里叶变换处理，获取入射光在穿过光纤ATR敏感窗口区间后的 强度光谱。

使用时，可将少量待测固体或液体样品置于光纤ATR敏感窗口3，基 于消逝场与物质的相互作用，样品将吸收特定波长的导波光，光谱仪能够 快速灵敏地测定样品的吸收光谱。

还能够对在光纤ATR敏感窗口3表面吸附的单分子层的吸收光谱进 行实时测量，进一步借助分子特有的光谱指纹，实现对单分子吸附层的识 辨性探测。

利用具有分子识别本领的生化试剂对光纤ATR敏感窗口进行表面修 饰，增强待测溶液样品中靶标分子与表面修饰层的选择性结合，然后利用 该光谱仪对在ATR敏感窗口表面形成的靶标单分子层进行光谱分析，实 现对生化物质的识辨性痕量探测。

本发明的一种基于集成光波导的衰减全反射(ATR)光谱测量式傅里 叶光谱仪，还可以扩展成多通道ATR光谱测量式傅里叶光谱仪。参见图6， 在同一光波导基底44上制备多个集成光波导电光调制器4，使用多根具有 光纤ATR敏感窗口3的传输光纤2，多个发射不同频谱的宽带光源1，多 个探测频谱范围不同的光电探测器5，一个或多个电压函数发生器6，一 个或多个信号处理芯片7，由此则构成多通道ATR光谱测量式傅里叶光谱 仪，每一通道测量的光谱范围不同，从而扩展整个光谱仪的光谱测量范围， 提高光谱分辨率。

实际操作中，本发明的一种基于集成光波导的衰减全反射(ATR)光 谱测量式傅里叶光谱仪，采用如图1所示的结构，其中，光纤的ATR敏 感窗口3采用如图2所示的侧边抛光光纤结构；集成光波导电光调制器4 采用如图6所示的具有推挽调制电极43结构的LiNbO₃光波导 Mach-Zehnder干涉计42，图中，LiNbO₃单模三维光波导Mach-Zehnder 干涉计42，包括光纤41、推挽调制电极43、LiNbO₃基底44，光纤41、 推挽调制电极43固设于LiNbO₃基底44上表面。带有标准接口的光纤41， 其输入端通过光纤适配器与带有ATR敏感窗口3的传输光纤2相连，输 出端连接到光电探测器5，推挽调制电极43与电压函数发生器6相连。在 本实施例中，电极43长度L＝10mm，电极43间距d＝8μm。

首先，使用波长为808nm的单色光作为宽带光源1。带有标准接口 的传输光纤2一端与宽带光源1连接，另一端与集成光波导电光调制器4 连接。宽带光源1发出的光被耦合进入传输光纤2，沿传输光纤2穿过光 纤ATR敏感窗口3区间，然后被耦合进入集成光波导电光调制器4。集成 光波导电光调制器4的输出光信号被与之光连接的光电探测器5接收。电 压函数发生器6与集成光波导电光调制器4电连接，并给集成光波导电光 调制器4施加随时间线性变化的电压。同时利用光电探测器5实时测量集 成光波导电光调制器4的输出光强度随调制电压的变化，实验测得的结果 如图7所示。从图中可以看出随着调制电压在0.05秒内从-60V线性增 大到+60V，集成光波导电光调制器4的输出光强度周期性振荡了24次， 即光相位变化了48π，由此可知集成光波导电光调制器4的半波调制电压 V_π＝2.5V。

在之前本发明同一申请人提出的基于集成光技术的傅里叶变换芯片 光谱仪(申请号：201010138943.2)中，我们已经论证了：集成光波导电 光调制器4的输出光强度作为调制电压的函数，与光源的功率谱之间互为 傅里叶变换。因此利用与光电探测器5和电压函数发生器6同时相连的信 号处理芯片7对测得的干涉信号进行快速傅里叶变换处理，可以得到入射 光光谱。图8即为对图7所示的干涉图样做离散傅里叶变换后所得的谱图， 它是关于采样点数与光功率的谱图，还需要将该谱图横坐标中的采样点数 与波长对应。在之前本发明同一申请人提出的基于集成光技术的傅里叶变 换芯片光谱仪(申请号：201010138943.2)中，我们已经详细描述了采样 点数与波长的对应方法。使用该方法得到图9所示的入射光光谱图，它是 关于波长-光源功率的光谱图。从图9中可以看出光谱谱峰出现在808.7 nm波长处，与所用光源的波长吻合的非常好，说明利用集成光波导电光 调制器4结合傅里叶变换处理技术，可以准确地反演出光源的功率谱。同 理，将光源从单色光扩展为多色光时，可以借助傅里叶变换反演获得多色 光强度随波长的分布，进一步利用光纤传感技术可以测得生化物质的ATR 吸收光谱。

基于以上具体实施例所得的结果可推知，本发明的ATR光谱测量式 傅里叶光谱仪除了能够对未知光源的发射光谱进行测试分析外，还能够对 各种物质进行光谱测试分析，并借助分子特有的光谱指纹，实现现场快速 识辨性定量检测。

为了克服动镜迈克尔逊干涉仪结构的傅里叶变换光谱仪的不足，本发 明提出采用集成光波导电光调制技术和光纤ATR敏感技术相结合的途径 制备全程导波光的傅里叶光谱仪。这种光谱仪利用导波光取代了空间自由 光束，不含运动部件，不需CCD探测器，具有体积小，重量轻，结构简单， 光谱窗口宽，机械稳定性好，抗干扰能力强等特点，适合于在恶劣条件下 现场实时检测。

与之前本发明同一申请人提出的基于集成光技术的傅里叶变换芯片 光谱仪(申请号：201010138943.2)相比，本发明提出的基于集成光波导 的衰减全反射(ATR)光谱测量式傅里叶光谱仪，实现了敏感窗口与集成 光波导电光调制器有效分离，使得制备工艺得到简化，敏感窗口便于更换， 器件性能得到提高。从目前公开的文献中尚未发现与本发明提出的基于集 成光波导的衰减全反射(ATR)光谱测量式傅里叶光谱仪，以及之前提出 的基于集成光技术的傅里叶变换芯片光谱仪相类似的方法和装置。