一种光谱仪的制作方法

本发明涉及一种光谱仪结构，具体涉及一种能够产生离散光程差的级联光谱仪。

背景技术：

作为一种分析物质组成成分及其结构的重要分析仪器，光谱仪在环境监测、食品安全检测、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。传统基于自由空间光学技术的光谱仪，通常体积庞大、价格昂贵从而限制了其应用范围。而集成化、小型化、便携化与价格低廉的片上光谱仪能够极速扩大光谱仪的应用范围，有效减少相关领域产品价格，对安全生产、食品检测、医疗分析等事关国计民生的行业具有重要推动作用。

技术实现要素：

针对现有技术中存在的问题，本发明提供了一种光谱仪，所述光谱仪由功分器、离散光程差模块、第一合束器和连续光程差模块依次串联构成；

所述离散光程差模块与所述功分器相连，包括路径选择开关、离散光程差路径和无光程差路径、第二合束器组成，所述离散光程差路径和无光程差路径通过所述路径选择开关并联，最终由所述第二合束器汇合输出至第一合束器；

所述第一合束器汇合所述离散光程差模块输出的信号后，将所述信号输出至所述连续光程差模块。

进一步，所述离散光程差模块由上臂光路和下臂光路构成；

所述上臂光路和所述下臂光路分别包括路径选择开关、离散光程差路径和无光程差路径、第二合束器。

进一步，所述上臂光路和所述下臂光路包含的路径选择开关数量相等。

进一步，所述路径选择开关数量为2，并依次记为第一路径选择开关和第二路径选择开关；

所述上臂第一路径选择开关和第二路径选择开关之间的所述离散光程差光路产生的光程差为-1个单位光程差，所述第二路径选择开关和所述第二合束器之间的所述产生光程差光路产生的光程差为-4个单位光程差；

所述下臂第一路径选择开关和第二路径选择开关之间的所述离散光程差光路产生的光程差为2个单位光程差，所述第二路径选择开关和所述第二合束器之间的所述产生光程差光路产生的光程差为8个单位光程差。

进一步，所述连续光程差模块由马赫增德尔干涉器和加热器构成；

其中，所述加热器对所述马赫增德尔干涉器进行温度控制，产生连续变换的光程差，使得总光程差增大且提高可变光程差的分辨率。

本发明提出了一种高分辨率、大带宽的级联光谱仪结构，该光谱仪采用数字光程差串联连续光程差的方法实现超窄间隔光程差可调，从而有效增大光谱仪的测量范围；联合数字光程差和连续光程差也能够增加最大光程差范围，从而提高光谱仪分辨率；采用串联方式使得干涉输出端仅需要一个光点探测器即可完成干涉图样的测量，能够有效减少片上光谱仪的尺寸和复杂度。

附图说明

图1为本发明级联光谱图结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明作进一步说明。

实施例1

本实施例包括功分器、路径选择开关，合束器，马赫增德尔干涉器、加热器和光电探测器。各个部分的链接关系是：功分器首先将光谱分为功率相等的两部分，分别输入上臂和下臂；上臂和下臂分别由路径选择开关和传输通道构成，通过路径选择开关可以调节上下两臂的传输长度；信号到达上臂和下臂的终点时通过合束器将不同路径信号耦合到上下臂的输出端，然后再通过一个合束器将上下两臂信号耦合，产生离散路径差，即延时差；然后将合束器的输出输入到mzi中，通过加热mzi产生有效折射率差从而产生连续延时差，最后mzi干涉输出最终的干涉图样，在通过一个光电探测器探测干涉图样，方便后续进行傅里叶变换和算法补偿，恢复出输入光谱。

具体结构为：

所述光谱仪由功分器、离散光程差模块、第一合束器、连续光程差模块依次级联构成；

所述离散光程差模块包括路径选择开关、离散光程差路径和无光程差路径、第二合束器组成，所述离散光程差路径和无光程差路径通过所述路径选择开关并联，最终由所述第二合束器汇合输出至第一合束器；

所述第一合束器汇合所述离散光程差模块输出的信号后，将所述信号输出至所述连续光程差模块。

所述连续光程差模块通过加热器加热马赫增德尔干涉器产生有效折射率差从而产生连续延时差，并输出最终的干涉图样。

实施例2

本实施例提供了一种2级级联光谱仪器，结合图1所示，具体结构如下：

所述路径选择开关数量为2，并依次记为第一路径选择开关和第二路径选择开关；

所述上臂第一路径选择开关和第二路径选择开关之间的所述离散光程差光路产生的光程差为-1个单位光程差，所述第二路径选择开关和所述第二合束器之间的所述产生光程差光路产生的光程差为-4个单位光程差；

所述下臂第一路径选择开关和第二路径选择开关之间的所述离散光程差光路产生的光程差为2个单位光程差，所述第二路径选择开关和所述第二合束器之间的所述产生光程差光路产生的光程差为8个单位光程差。

对于离散光程差，本发明通过上下两臂路径选择开关和路径长度的设置，使得离散光谱仪光程差等间隔变化且有效增加等间隔光程差个数，如图1所示，通过上下两臂4个不同路径长度(-δl(负值为相对于参考长度)、-4δl、2δl和8δl)可以产生间隔为δl的16个光程差，以此类推，当上下两臂路径长度个数为2n时，能够产生的等间隔光程差个数为2²ⁿ。具体分析如下：对于上臂来说，通过路径选择开关，从功分器到合束器的路径长度分别为0、-δl、-4δl和-5δl，下臂的长度分别为0、2δl、8δl和10δl，于是上下两臂的光程差可以通过控制上下两臂的路径选择开关实现如表1所示的0到15δl。

表1上下两臂光程差

在第一级产生离散光程差的基础上，在合束器输出端串联一个有加热器的马赫增德尔干涉器(mzi)，通过加热改变mzi上下两臂有效折射率产生光程差，从而在上一级离散光程差的基础上再叠加一个连续变换的光程差，使得总光程差增大且提高可变光程差的分辨率。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围内。

技术特征：

1.一种光谱仪，其特征在于：所述光谱仪由功分器、离散光程差模块、第一合束器和连续光程差模块依次级联构成；

所述离散光程差模块与所述功分器相连，包括路径选择开关、离散光程差路径和无光程差路径、第二合束器组成，所述离散光程差路径和无光程差路径通过所述路径选择开关并联，最终由所述第二合束器汇合输出至第一合束器；

所述第一合束器汇合所述离散光程差模块输出的信号后，将所述信号输出至所述连续光程差模块。

2.根据权利要求1所述光谱仪，其特征在于：

所述离散光程差模块由上臂光路和下臂光路构成；

所述上臂光路和所述下臂光路分别包括路径选择开关、离散光程差路径和无光程差路径、第二合束器。

3.根据权利要求2所述光谱仪，其特征在于：

所述上臂光路和所述下臂光路包含的路径选择开关数量相等。

4.根据权利要求3所述光谱仪，其特征在于：

所述路径选择开关数量为2，并依次记为第一路径选择开关和第二路径选择开关；

所述上臂第一路径选择开关和第二路径选择开关之间的所述离散光程差光路产生的光程差为-1个单位光程差，所述第二路径选择开关和所述第二合束器之间的所述产生光程差光路产生的光程差为-4个单位光程差；

所述下臂第一路径选择开关和第二路径选择开关之间的所述离散光程差光路产生的光程差为2个单位光程差，所述第二路径选择开关和所述第二合束器之间的所述产生光程差光路产生的光程差为8个单位光程差。

5.根据权利要求1-4所述任一光谱仪，其特征在于：

所述连续光程差模块由马赫增德尔干涉器和加热器构成；

其中，所述加热器对所述马赫增德尔干涉器进行温度控制，产生连续变换的光程差，使得总光程差增大且提高可变光程差的分辨率。

技术总结
本发明提供了一种光谱仪，由功分器、离散光程差模块、第一合束器和连续光程差模块依次级联构成；所述离散光程差模块与所述功分器相连，包括路径选择开关、离散光程差路径和无光程差路径、第二合束器组成，所述离散光程差路径和无光程差路径通过所述路径选择开关并联，最终由所述第二合束器汇合输出至第一合束器；所述第一合束器汇合所述离散光程差模块输出的信号后，将所述信号输出至所述连续光程差模块。该光谱仪采用数字光程差串联连续光程差的方法实现超窄间隔光程差可调，从而有效增大光谱仪的测量范围，从而提高光谱仪分辨率；该方式使得干涉输出端仅需要一个光点探测器即可完成干涉图样的测量，能够有效减少片上光谱仪的尺寸和复杂度。

技术研发人员：不公告发明人
受保护的技术使用者：北京科易达知识产权服务有限公司
技术研发日：2020.03.17
技术公布日：2020.06.05