一种基于多级谐振腔结构的光谱滤波器及光谱仪

摘要

本发明涉及光谱检测技术领域，公开了一种基于多级谐振腔结构的光谱滤波器及光谱仪，其在使用时被配置在计算式光谱仪中，所述光谱滤波器至少具有一路光通道，在其中一路光通道上至少设有n+1个线性排列的反射镜，n∈N且n≥2；所述反射镜具有一定的反射率，反射率在5%至50%；相邻两个反射镜之间构成一个谐振腔，n+1个线性排列的反射镜构成n级谐振腔；每个谐振腔的腔长在20μm至2000μm之间,其中至少有两个谐振腔的腔长相异或者至少有两个反射镜的反射率相异，以使n级谐振腔能产生在频域上高随机的透射谱。

权利要求

1.一种基于多级谐振腔结构的光谱滤波器，其在使用时被配置在计算式光谱仪中，所述光谱滤波器至少具有一路光通道，其特征在于：在其中一路光通道上至少设有n+1个线性排列的反射镜，n∈N且n≥2；

所述反射镜具有5%至50%的反射率；

相邻两个反射镜之间构成一个谐振腔，n+1个线性排列的反射镜构成n级谐振腔；每个谐振腔的腔长在20μm至2000μm之间；

其中至少有两个谐振腔的腔长相异，和/或至少有两个反射镜的反射率相异，以使n级谐振腔能产生在频域上高随机的透射谱。

2.根据权利要求1所述的光谱滤波器，其特征在于，n为5或6或7或8。

3.根据权利要求1所述的光谱滤波器，其特征在于，包括光波导器件，所述光波导器件上刻蚀布拉格光栅以形成所述反射镜。

4.根据权利要求1所述的光谱滤波器，其特征在于，包括光波导器件，所述光波导器件上设有一维光子晶体以形成所述反射镜。

5.根据权利要求1所述的光谱滤波器，其特征在于，包括多个基体，在所述基体表面覆盖具有反射率的光学镀膜，所述光学镀膜构成所述反射镜。

6.根据权利要求1所述的光谱滤波器，其特征在于，包括光纤，在光纤内设布拉格光栅以构成所述反射镜。

7.根据权利要求6所述的光谱滤波器，其特征在于，所述光纤为多芯光纤，每根纤芯内均设有布拉格光栅以构成所述反射镜。

8.根据权利要求1所述的光谱滤波器，其特征在于，所述反射镜的反射率在10%‑20%。

9.根据权利要求1‑6中任一项所述的光谱滤波器，其特征在于，至少具有M路光通道，每一路光通道上均设有所述n级谐振腔；

在M路光通道中，每一路上的n级谐振腔均通过腔长和/或反射镜反射率的在设置上的不相同以产生的相异透射谱。

10.一种光谱仪，包括宽谱光源、光电探测器阵列，以及如权利要求1‑8中任一项所述的光谱滤波器：其特征在于，所述宽谱光源和光电探测器阵列分别设于光谱滤波器的两端，所述光电探测器阵列中光电探测器的数量与光谱滤波器中光通道的数量相同。

11.一种光谱仪，包括宽谱光源、光电探测器，以及如权利要求5中所述的光谱滤波器；

其特征在于，所述宽谱光源和光电探测器分别设于所述光谱滤波器的两端；

所述光谱仪还包括微机电系统；所述微机电系统包括微执行器阵列，用于通过微执行器来在光通路传播方向上移动反射镜并改变反射镜间的间距以形成可调谐振腔。

12.根据权利要求11所述的光谱仪，其特征在于，所述光谱滤波器仅有一路光通道。

说明书

一种基于多级谐振腔结构的光谱滤波器及光谱仪

技术领域

[0001] 本发明涉及光谱检测技术领域，具体涉及一种基于多级谐振腔结构的光谱滤波器及光谱仪。

背景技术

[0002] 光谱仪作为基础的物质分析设备，可以有效的检测物质的物理化学成分与性质，因而被广泛应用于材料科学，食品安全，生命健康，环境监测，航空航天等领域。

[0003] 传统的光谱探测方法主要是基于棱镜或者窄带滤波器的色散式光谱仪和基于迈克尔逊干涉仪的傅里叶转化式光谱仪。

[0004] 其中，色散式光谱仪通过将宽谱的输入光谱在频域上分解成各个成分并由探测器阵列逐一探测，从而得到完整的输入光谱。由于此方法必须要将输入光束的功率等比例分解，从而造成大量的能量损耗，这意味着对探测器阵列的灵敏度和响应度有非常高的要求，同时随着探测范围和精度的拓展，探测器数量也要等比例增加，导致成本的提升。

[0005] 傅里叶转化式光谱仪利用干涉仪在不同光程差情况下的干涉谱，将宽谱光谱的信息在空间域进行编码，从而可以只利用一个探测器而获得整个输入光谱的信息，避免了功率的损耗。然而干涉仪的光程差调节往往需要机械器件的扫描，导致结构体积较大，探测时间较长，成本较高。且此方法的傅里叶运算过程需要较大的算力资源消耗。

[0006] 近年来，计算式光谱仪作为一种全新的光谱探测方法得到了学界和业界的广泛关注。其基本原理是将输入光谱导入多个提前标定好的宽谱滤波阵列，并用相应数量的光电探测器来探测被滤波后光谱的光强。利用这些强度信息构建欠定方程组，并利用相关算法进行求解，从而得到输入光谱的信息。这种方法的优势在于可以利用较少数量的滤波器和光电探测器组，来求解光谱在频域上较大数量的像素点，从而可以在取得高光谱检测性能的同时，有效降低系统体积、成本和计算的复杂度。

[0007] 计算式光谱仪的核心设计难点在于其宽谱滤波器阵列的设计。从数学角度来说，为取得理想的光谱探测效果，需要此类滤波结构满足以下两个条件：（1）每个通道的频谱响应需要具备较小的自相关系数，从而实现高分辨率；（2）通道之间需要具备较小的互相关系数，从而保证光谱采样的不相关性；才能够在频域上产生高强度的随机扰动，从而在使用计算式光谱仪时能构建出有效的欠定方程组并求解。

发明内容

[0008] 本发明旨在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明提供了一种基于多级谐振腔结构的光谱滤波器及光谱仪，该光谱滤波器基于谐振腔能在频域上产生高强度的随机扰动。

[0009] 为了达到上述目的，本发明在第一方面采用如下技术方案：

[0010] 一种基于多级谐振腔结构的光谱滤波器，其在使用时被配置在计算式光谱仪中，所述光谱滤波器至少具有一路光通道，在其中一路光通道上至少设有n+1个线性排列的反射镜，n∈N且n≥2；

[0011] 所述反射镜具有5%至50%的反射率；

[0012] 相邻两个反射镜之间构成一个谐振腔，n+1个线性排列的反射镜构成n级谐振腔；每个谐振腔的腔长在20μm至2000μm之间，其中至少有两个谐振腔的腔长相异，和/或至少有两个反射镜的反射率相异，以使n级谐振腔能产生在频域上高随机的透射谱。

[0013] 利用多个具有不同反射率或不等距线性排布的反射镜，形成反射率不同或腔长不同的谐振腔，使得输入光进入该谐振腔后，每遇到一个反射镜就会有一部分光发生透射，一部分发生反射。在依次经过多个反射镜的过程中，这些透射和反射的成分彼此形成干涉，最终在输出端产生在频域上近乎随机的透射谱，从而在使用计算式光谱仪时能通过该光谱滤波器构建出有效的欠定方程组并求解。

[0014] 本发明进一步优选为，所述反射镜的反射率在10%‑20%。

[0015] 本发明进一步优选为，n为5或6或7或8。

[0016] 本发明进一步优选为，包括光波导器件，所述光波导器件上设有一维光子晶体以形成所述反射镜。

[0017] 可选的，包括多个基体，在所述基体表面覆盖具有反射率的光学镀膜，所述光学镀膜构成所述反射镜。

[0018] 可选的，包括光纤，在光纤内设布拉格光栅以构成所述反射镜。

[0019] 本发明进一步优选为，所述光纤为多芯光纤，每根纤芯内均设有布拉格光栅以构成所述反射镜。

[0020] 本发明进一步优选为，所述反射镜的反射率在10%‑20%。

[0021] 本发明进一步优选为，至少具有M路光通道，每一路光通道上均设有所述n级谐振腔；在M路光通道中，每一路上的n级谐振腔均通过腔长和/或反射镜反射率的在设置上的不相同以产生的相异透射谱。

[0022] 此外，本发明在第二方面还提供了一种光谱仪，包括宽谱光源、光电探测器阵列，以及如第一方面中所述的光谱滤波器：所述宽谱光源和光电探测器阵列分别设于光谱滤波器的两端，所述光电探测器阵列中光电探测器的数量与光谱滤波器中光通道的数量相同。本发明所提供的光谱仪与前述光谱滤波器的有益效果推理过程相似，在此不再赘述。

[0023] 并且，本发明在第三方面还提供了一种光谱仪，包括宽谱光源、光电探测器，以及如第一方面中所述的光谱滤波器；所述宽谱光源和光电探测器阵列分别设于所述光谱滤波器的两端；

[0024] 所述光谱仪还包括微机电系统；所述微机电系统包括微执行器阵列，用于通过微执行器来在光通路传播方向上移动反射镜并改变反射镜间的间距以形成可调谐振腔。

[0025] 进一步地，所述光谱滤波器仅有一路光通道。

[0026] 本发明的这些特点和优点将会在下面的具体实施方式以及附图中进行详细的揭露。本发明最佳的实施方式或手段将结合附图来详尽表现，但并非是对本发明技术方案的限制。另外，在每个下文和附图中出现的这些特征、要素和组件是具有多个，并且为了表示方便而标记了不同的符号或数字，但均表示相同或相似构造或功能的部件。

附图说明

[0027] 下面结合附图对本发明作进一步说明：

[0028] 图1是本发明中所述光谱滤波器的原理示意图。

[0029] 图2是基于多级谐振腔的光谱滤波器的传输光谱曲线图。

[0030] 图3是一示范性实施例中所述光谱滤波器的结构示意图。

[0031] 图4是一示范性实施例中所述光谱滤波器的结构示意图。

[0032] 图5是一示范性实施例中所述光谱滤波器的结构示意图。

[0033] 图6是一示范性实施例中所述光谱滤波器的结构示意图。

[0034] 图7是一示范性实施例中所述光谱仪的结构示意图。

[0035] 图8是一示范性实施例中所述光谱仪的结构示意图。

[0036] 图9是一示范性实施例中所述光谱仪的结构示意图。

[0037] 图10是一示范性实施例中利用16通道多级谐振腔滤波器构建的计算式光谱仪的光谱恢复效果图。

[0038] 其中：100、光谱滤波器；110、光波导器件；111、布拉格光栅；120、光纤；121、光栅；200、光电探测器阵列；310、微执行器。

具体实施方式

[0039] 下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。基于实施方式中的实施例，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

[0040] 在本说明书中引用的“一个实施例”或“实例”或“例子”意指结合实施例本身描述的特定特征、结构或特性可被包括在本专利公开的至少一个实施例中。短语“在一个实施例中”在说明书中的各位置的出现不必都是指同一个实施例。

[0041] 如图1所示，示出了本发明中所述基于多级谐振腔结构的光谱滤波器的原理示意图。所述基于多级谐振腔结构的光谱滤波器在使用时被配置在计算式光谱仪中，所述光谱滤波器至少具有一路光通道，图中以一路通道为例进行说明。

[0042] 在该路光通道上至少设有n+1个线性排列的反射镜，n∈N且n≥2。排列方向即为光路的传播方向，附图中光谱滤波器的左侧为光谱的输入端，右侧为输出端。所述反射镜具有一定的反射率，反射率在5%至50%，优先选用不同的反射率的反射镜来线性排布，以提高光在传播过程中随机扰动的强度。

[0043] 相邻两个反射镜之间构成一个谐振腔，n+1个线性排列的反射镜则可以构成n级谐振腔。每个谐振腔的腔长在20μm至2000μm之间，其中至少有两个谐振腔的腔长相异，为了实现更加的效果，尽可能保证每一个腔长都不相同，以提高光在传播过程中随机扰动的强度。

[0044] 左侧的输入光谱在进入该腔后，每遇到一个反射镜就会有一部分光发生透射，一+ ‑部分发生反射，图中透射光标为E ，反射光标为E。在依次经过多个反射镜的过程中，这些透射和反射的成分彼此形成干涉，最终在输出端产生在频域上近乎随机的透射谱。影响随机扰动的因素主要有三个，一个是反射镜数量，即谐振腔的数量；二是所有反射镜反射率之间的差异性；三就是所有谐振腔的腔长之间的差异性。反射镜数量越多，反射率和腔长的差异性越大，最后在输出端的出射光谱的随机扰动强度就越大。

[0045] 在数学上，此类谐振腔结构的投射（即透射，也即经折射穿过反射镜）或反射光谱可以通过传输矩阵法描述：

[0046] ，

[0047] 其中 和 代表光从第i个反射镜向第i+1个反射镜传播过程中，向前投射（透射）传播部分的电场强度； 和 代表光从第i个反射镜向第i+1个反射镜传播过程中，向后反射传播部分的电场强度；为两个反射镜之间光程造成的相位变化，光程即谐振腔的腔长，也即两个反射镜之间的间距；和 则分别代表第i个反射镜的反射率与透射率；为该反射镜带来的功率损耗。

[0048] 利用该式，多级谐振腔的透射谱便可以通过该矩阵的累乘来表示。相关计算表明，当反射镜在2个时，谐振腔输出周期性变化的透射光谱，而当反射镜数目超过3个时，输出光谱的周期性就可以被有效打破，而形成一种近随机的光谱扰动。

[0049] 具体而言，当每个反射镜反满足其射率在约5%到50%之间，而每两个反射镜之间的间隔（即每个腔长）在几十到几千微米之间，所产生的光谱扰动的在波动范围和波动速率上均较为理想。随着谐振腔数量的增加，扰动密度会增加。

[0050] 如图2所示，示出了基于集成光波导器件实现五级谐振腔结构的光谱滤波器的传输光谱曲线图，其中单个反射镜的反射率在10%到20%之间，腔长为50到200微米之间。由图可知，该光谱滤波器的透射光谱具有很高的随机扰动。

[0051] 以下将结合不同结构的反射镜来详细阐述如何构建多级谐振腔结构的光谱滤波器及应用该结构光谱滤波器的光谱仪。

[0052] 实施例1：

[0053] 如图3所示，示出了一种基于多级谐振腔结构的光谱滤波器，该光谱滤波器100是在集成光学平台上利用光波导器件110实现的。在本实施例中，仅以一路光通道为例进行说明，根据实际需要还可以采用多路光通道，在每一路光通道上均设置基于多级谐振腔结构的光波导器件。

[0054] 具体而言，通过在硅/氮化硅/InP等材料的光波导器件110（结构）上刻蚀一段布拉格光栅111区域实现对光的部分反射。布拉格光栅是一种周期性结构，通过刻蚀等方式在光波导（器件）中加入周期性的折射率变化，实现对特定波长的光的特定强度的反射，其中具体的反射强度和反射的中心波长等均可以通过光栅的周期长度、周期数量、折射率差等参数来有效控制。基于这种方法，如同上文所述，可以将每段布拉格光栅区域（所形成的反射镜）的反射率设置在约10%到20%的范围内，且将每两个反射镜之间的间隔（即腔长）控制在几十到几百微米之间，以实现较好的随机光谱扰动的效果。

[0055] 需要说明的是，除了上述方案外，本领域技术人员还可以通过一维纳米梁光子晶体结构（反射镜）来实现对光的部分反射，作为刻蚀布拉格光栅的替代方案。而一维光子晶体（纳米梁）结构，同样是一种具有周期性折射率变化的结构，其基本原理是基于光子带隙（photonic bandgap）的调制来形成禁带，从而以特定的反射率来反射特定波长的光，而具体的反射率同样可以通过纳米梁结构参数（如其晶体的几何参数和周期长度等）来有效调制。同理，基于这种方法，如同上文所述，可以将每个光子晶体反射镜的反射率设置在约10%到20%的范围内，而每两个反射镜之间的间隔（即腔长）控制在几十到几百微米之间，以实现较好的随机光谱扰动的效果。

[0056] 需要说明的是，如4图所示，在一示范性的实施例中，还可以在光敏光纤120内形成类似的谐振腔结构，其制作方法与通常的光纤布拉格光栅类似，光敏光纤在UV光的照射下可以产生折射率变化，通过设计光栅121的周期和占空比，可以获得所需反射率/透射率的光栅121，多个光栅121级联即可制作得到复杂的响应光谱。

[0057] 如图5所示，除了上述单通道的光敏光纤外，若光谱滤波器需要多个光路通道，可以设计多个特殊的响应光谱的光纤，在多路光通道中，每一路上的n级谐振腔均不同以产生的相异透射谱。这多个光纤可以通过多芯预制件直接拉制、多光纤紧固在一起的方法使制作在同一个结构内，称为多芯光纤。多芯光纤的一端入射待测光谱，另一端连接光电探测器阵列，用于对光谱信号进行检测，最终得到强度信息恢复光谱。

[0058] 实施例2：

[0059] 如图6所示，示出了另一种基于多级谐振腔结构的光谱滤波器，该光谱滤波器是在自由空间光学平台上利用光学镀膜法来实现多级光学谐振腔结构的。

[0060] 图中仅示出了一路光通道上的多级谐振腔结构。具体地，是通过在基底材料（如光学玻璃或石英玻璃）的表面覆盖特定的镀膜材料（如氧化物，氟化物，硅等构成的介电材料镀膜）来实现具有部分反射率、部分透射率的反射镜，其中反射镜的具体反射率和透射率可以通过调整镀膜的厚度、材料组分比例等方式来实现有效地控制。

[0061] 通过制备多个这样的镀膜反射镜，并在两两反射镜之间依据不同间隔（即腔长）来排列，便可实现本专利中所提出的多级谐振腔滤波器。同样，为了实现较好的扰动效果，每个镀膜反射镜的反射率可以设置在约10%到20%之间，而每两个反射镜之间的间隔（即每个腔长）可以在几十到几百微米之间。

[0062] 需要说明的是这里的反射镜是设置在基底其表面的镀膜。基底为玻璃，其厚度可以做到几十微米，且光谱通过玻璃基底时几乎没有影响，因此此处的腔长实际上包括了玻璃厚度和间隔。

[0063] 实施例3：

[0064] 如图7所示，示出了一种芯片级计算式光谱仪，该芯片级计算式光谱仪包括宽谱光源、基于多级谐振腔结构的光谱滤波器100，以及光电探测器阵列200。宽谱光源位于光谱滤波器的输入端，光电探测器阵列200位于光谱滤波器100的输出端。

[0065] 其中，该光谱滤波器是在集成光学平台上，采用了实施例1中提出的多级谐振腔结构，区别在于其采用了多路光通道，在每一路光通道上均设置了多级谐振腔结构的光波导器件110。

[0066] 其中，输入光通过端口耦合器或者光栅耦合器等方法导入集成光芯片，然后被分束成多份输入光，并导入光谱滤波器上不同光路的多级谐振腔中，并最后被片上或片外的光电探测器阵列测量。由于每个谐振腔滤波器的传输响应均各不相同，便可以通过光电探测器的读数反推输入光谱，以实现光谱检测的目的。其中，被探测的未知样品可以放在多腔结构与光源之间，也可以放置在多腔结构与光电探测器之间，图中仅示出了样品放置在多腔结构与光源之间的方式。

[0067] 实施例4：

[0068] 如图8所示，示出了另一种计算式光谱仪，该计算式光谱仪包括多个宽谱光源、基于多级谐振腔结构的光谱滤波器，以及光电探测器阵列。宽谱光源位于光谱滤波器的输入端，光电探测器阵列位于光谱滤波器的输出端。

[0069] 其中，该光谱滤波器是基于在自由空间中，采用了实施例2中提出的多级谐振腔结构，区别在于其采用了多路光通道，在每一路光通道上均设置了多级谐振腔结构，相应地，也采用的宽谱光源的数量以及光电探测器阵列中光电探测器的数量与光通道的路数相同。

[0070] 需要说明的是本实施例中的多个宽谱光源采用了相同的光源，以并行输入的方式进入多路谐振腔中。滤波后的光强同样被光电探测器阵列探测，从而反推输入光谱。同样，被探测的未知样品可以放在多腔结构与光源之间，也可以放置在多腔结构与光电探测器之间，附图中仅示出了样品放置在多腔结构与光源之间的方式。

[0071] 此外，除了上述采用多个宽谱光源外，还可以仅采用单个宽谱光源的实施方式来作为替代方案，此处不再详述。

[0072] 实施例5：

[0073] 如图9所示，示出了又一种计算式光谱仪，本实施例中所述的光谱仪与实施例4中所述的光谱仪的区别在于，本实施例中光谱滤波器仅采用了一路光通道，相应地宽谱光源和光电探测器也仅设置一个。同时本实施例中的光谱仪还包括微机电系统。所述微机电系统包括微执行器阵列，用于通过微执行器来在光通路传播方向上移动反射镜并改变反射镜间的间距以形成可调腔体。微执行器的数量至少一个，最多与光谱滤波器中反射镜的数量相等，为了达到最大的调整数量，本实施例中除了一个反射镜作为参考坐标的原点没有配置微执行器外，其余的反射镜都被一一固定在对应的微执行器上。微执行器在工作时会带着与其固定的反射镜在沿光通道的方向上进行移动、从而调整谐振腔的腔长。通过调整不同的腔长，进行多次测量即可达到多路光通道的光谱仪的作用。

[0074] 实施例7：

[0075] 本实施例提供了一种计算式光谱仪，该光谱仪采用了16通道多级谐振腔滤波器。

[0076] 如图10所述，图10为利用16通道多级谐振腔滤波器构建的计算式光谱仪的光谱恢复效果图。可以看到，被恢复的光谱与实际输入光谱高度重合，说明其光谱检测的高度准确性。具体而言，此示例中，带宽达到120nm，精度达到0.5nm，即在所测的1480nm‑1600nm波长范围内得到了＞240个光谱像素点。

[0077] 以上，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，熟悉该本领域的技术人员应该明白本发明包括但不限于附图和上面具体实施方式中描述的内容。任何不偏离本发明的功能和结构原理的修改都将包括在权利要求书的范围中。