微型光纤光栅光谱仪的制作方法

本发明属于光谱测量仪器领域，涉及微型光纤光栅光谱仪。

技术背景

随着MEMS、微光学等微制造技术的发展，光谱仪器的微型化成为可能，光谱仪的微型化是光谱仪器的一个重要发展方向。和传统光谱仪相比，微型光谱仪由于它体较小、价格便宜等优点广泛应用于许多测量、控制领域。光纤具有损耗低、传输频带宽、容量大、体积小、重量轻等特点而备受业內人士青睐，发展非常迅速。光纤的快速发展使得光谱仪的发展快速崛起，使用光纤可以缩小和减轻整个光谱仪的体积和重量

传统的光谱仪光学系统结构复杂，体积较大，需通过旋转光栅对整个光谱进行扫描，测量速度慢，对某些测量样品还需经过特定的预处理，并且需要放在仪器的固定样品室内进行测量。微型光纤光栅光谱仪虽然大大缩小了体积，但其体积仍然很大，光栅和光纤分离，光栅的雕刻对光纤造成了破坏，被测光的波长范围较窄，部分紫外光和红外光无法实现测量。传统的微型光纤光栅光谱仪仍存在许多缺陷，需要一种体积更小，栅距可控，温度可调的新型光纤光栅光谱仪来实现被测光的波长范围更宽的测量。

技术实现要素：

为了解决上述现有技术的不足，本发明的目的是提供一种体积更小、栅距可控的微型光纤光栅光谱仪。可利用飞秒激光器或聚焦离子束在不破坏光纤的基础上完成光栅的雕刻，实现光纤和光栅的集成，可利用TEC实现温度控制，被测光的波长范围在亚波长级，即100nm-1μm。适用于在线实时检测，传输损耗小且不受电磁干扰。

本发明的技术解决方案如下：

微型光纤光栅光谱仪由测量系统、计算机、电源组成。其中电源模块采用高精度恒流恒压源，基座、光纤、聚焦光学元件、线阵CCD安装在测量系统内，测量系统放在TEC上控制温度，温度范围在-5℃-100℃之间，光纤的端面使用飞秒激光器或聚焦离子束刻上500nm-1000nm的光栅，聚焦光学元件的焦距为20mm，线阵CCD放在聚焦光学元件的焦平面后。计算机通过USB接口与测量系统相连。电源与线阵CCD相连。

测量系统中的光纤作为信号耦合器件，将被测光耦合，经光栅色散，将入射的单束复合光分解为多束单色光，多束单色光经过聚焦光学元件按照波长的顺序成像在聚焦光学元件焦平面上；这样，单束的复合光经过测量系统后变成了多束单色光的像，经过CCD瞬间采集，将焦平面上接收的光谱能量转换成易于测量的电信号，并测量出对应光谱组成部分的波长和强度，相应测量出各波长光的强度，得到光能量按波长的发布规律。将CCD测量出来的电信号经过初步处理后存储或通过USB接口上传给计算机，在计算机上对光谱数据进行进一步数据处理及显示等。

本发明的有益效果在于：

1.体积更小且栅距可控在500nm-1000nm，可利用飞秒激光器或聚焦离子束在不破坏光纤的基础上完成光栅的雕刻，实现光纤和光栅的集成，可利用TEC实现温度控制，被测光的波长范围较宽，在亚波长级即100nm-1μm。

2.设计使用聚焦光学元件聚焦在线阵CCD上，这种CCD处理信息速度快，外围电路简单，易实现实时控制。

附图说明

图1是微型光纤光栅光谱仪结构示意图。

图2是沟槽型光栅的截面图。

图3是线型光栅的截面图。

主要符号说明如下：

1-基座；2-光纤光栅；3-聚焦光学元件；4-线阵CCD；5-测量系统；

6-计算机；7-电源；8-TEC；

具体实施方式

以下结合附图对本发明进一步描述。

参见图1所示，微型光纤光栅光谱仪由基座1、光纤光栅2、聚焦光学元件3、线阵CCD4、计算机6、电源7、TEC8组成。其中电源模块采用高精度恒流恒压源，基座1、光纤2、聚焦光学元件3、线阵CCD4安装在测量系统5内，测量系统5放在TEC8上控制温度，线阵CCD4由感光元件、移位信号寄存器、并行信号寄存器、信号放大器、模数转换器和USB接口组成。计算机6通过USB接口与测量系统5相连。电源7采用香蕉线与系统内部的线阵CCD4相连

微型光纤光栅光谱仪的光纤端面使用飞秒激光器或聚焦离子束在不破坏上述的光纤的基础上雕刻500nm-1000nm的光栅，实现光纤和光栅的集成，上述的聚焦光学元件3焦距为20mm。上述的线阵CCD4放在上述的聚焦光学元件3的焦平面后，USB接口作为数据传输通道与上述的计算机11相连。

图2所示为沟槽型光栅的截面图，在图2所示的实例中，光纤的端面使用飞秒激光器或聚焦离子束刻上500nm-1000nm沟槽型光栅。

图3所示为线型光栅的截面图，在图3所示的实例中，光纤的端面使用飞秒激光器或聚焦离子束刻上500nm-1000nm线型光栅。

该系统工作流程：光进入光纤经过光纤端面的光栅后发生色散现象，通过聚焦光学元件聚焦后送入线阵CCD中，感光元件接收到光后激发出电荷，移位信号寄存器暂时储存感光后产生的电荷，并行信号寄存器暂时储存寄存器中的模拟信号并将电荷转移放大，信号放大器放大微弱的电信号，模数转换器将放大的电信号转换成数字信号，数据经过USB接口传输到计算机中并且通过计算机显示出强度和波长的关系图。