基于激光自混合干涉的集成光学颗粒物测量系统及方法

本公开涉及半导体光电子器件应用，尤其涉及一种基于激光自混合干涉的集成光学颗粒物测量系统及方法。

背景技术：

1、随着工业规模不断扩大和经济快速发展，大气污染已非常严重。尤其空气细颗粒物很容易漂浮在空气中，是雾霾天形成的最主要“元凶”。此类颗粒物大多都具有体积小、质量轻、在大气中滞留时间长、污染范围广等特点，易被人体内部组织吸收，对空气能见度、人体健康等产生了不利影响。

2、为了有效改善室内空气质量和保护人体健康，有必要对室内环境或人体所在周围环境的细颗粒物浓度进行持续性监测。目前，市面上售卖的空气质量检测仪多采用重量法、β射线法、光散射法等方法。由于环境温湿度、颗粒物形态、成分以及折射性等因素会影响监测的准确性，市面上空气质量检测仪多兼用几种方法，以提升监测的精确性，这使得系统体积庞大、维护成本高。而对于室内环境监测和可移动穿戴式设备，亟需一种高精度、体积小、环境稳定性优良、维护成本低的微型化颗粒物传感器，来满足实际应用需求。

3、同时，现有测量装置多采用空间透镜模组实现会聚光，在使用时需要对光学透镜进行安装或者是拆卸下来进行更换，但是光学透镜的安装精度有较高的要求，使用者在安装时无法按照预定的精度进行安装，导致光线传播路径偏离初始设计的最优传播路径，从而使发出的光线出现过度分散而无法提取细颗粒物有效信息的情况。

技术实现思路

1、鉴于上述问题，本发明提供了一种基于激光自混合干涉的集成光学颗粒物测量系统及方法。

2、本公开的第一个方面提供了一种基于激光自混合干涉的集成光学颗粒物测量系统，包括：集成光学垂直腔面发射激光器，包括至少三个垂直腔面发射激光器，所述垂直腔面发射激光器用于产生探测激光照射细颗粒物，经过所述细颗粒物反射形成散射光，探测所述散射光与所述探测激光在不同所述垂直腔面发射激光器内发生干涉形成不同的自混合干涉信号；数据采集卡，连接所述集成光学垂直腔面发射激光器，用于采集所述自混合干涉信号和所述垂直腔面发射激光器的电压；信号处理系统，连接所述数据采集卡，用于基于所述自混合干涉信号和所述垂直腔面发射激光器的电压，提取不同自混合干涉信号的频率和相位差，基于所述频率和相位差计算所述细颗粒物的运动速度和直径，基于所述运动速度得到所述细颗粒物所处环境的风速，基于所述直径计算所述细颗粒物的质量浓度。

3、根据本公开的实施例，所述垂直腔面发射激光器包括：p型电极、反射镜、空气腔、牺牲层、电流扩散层、氧化层、有源区、分布布拉格反射镜、衬底、背面n型电极、n型电极；所述牺牲层、所述电流扩散层、所述氧化层、所述有源区、所述分布布拉格反射镜、所述衬底及所述背面n型电极从上至下依次叠加；所述牺牲层设于所述电流扩散层上方，用于感知所述自混合干涉信号的变化，并将所述自混合干涉信号转变为电信号；所述p型电极设于所述垂直腔面发射激光器出光口表面附近以外的区域；所述反射镜设于所述牺牲层的上表面；所述空气腔设于所述牺牲层中间，位于所述反射镜和所述电流扩散层之间；所述n型电极设于所述反射镜上。

4、根据本公开的实施例，所述有源区由有源层和隧道结交替生长形成。

5、根据本公开的实施例，还包括：微机电系统，用于调控所述p型电极和所述n型电极的电压，通过静电吸引使所述垂直腔面发射激光器的反射镜弯曲，产生位移，改变腔长连续调谐垂直腔面发射激光器的扫频波长。

6、根据本公开的实施例，还包括：信号放大器，用于放大所述牺牲层探测到的电信号；电压放大器，连接在所述垂直腔面发射激光器和所述数据采集卡之间，用于放大所述电压。

7、根据本公开的实施例，还包括：恒流电源，连接所述集成光学垂直腔面发射激光器，用于给所述集成光学垂直腔面发射激光器提供电流；信号发生器，连接所述恒流电源，用于通过三角波函数调制所述恒流电源的电流幅度，以调制所述探测激光的激光功率。

8、根据本公开的实施例，所述信号处理系统还用于基于所述细颗粒物的质量浓度构建细颗粒物浓度模型；所述集成光学颗粒物测量系统还包括：显示终端，连接所述信号处理系统，用于显示所述信号处理系统输出的数据。

9、根据本公开的实施例，所述垂直腔面发射激光器侧面集成光电探测器，所述垂直腔面发射激光器与所述光电探测器之间的耦合区域通过离子注入形成电学隔离；所述光电探测器用于当所述垂直腔面发射激光器激射光波产生探测激光时，探测所述垂直腔面发射激光器的探测激光的光功率以及探测所述细颗粒物反射形成的散射光的功率变化。

10、本公开的第二个方面提供了一种基于激光自混合干涉的集成光学颗粒物测量方法，应用于第一方面任意一项所述的基于激光自混合干涉的集成光学颗粒物测量系统，其特征在于，包括：

11、通过至少三个垂直腔面发射激光器产生探测激光照射细颗粒物，所述探测激光经过所述细颗粒物反射形成散射光，所述散射光与所述探测激光在不同所述垂直腔面发射激光器内发生干涉形成不同的自混合干涉信号；

12、探测所述自混合干涉信号，将所述自混合干涉信号转换为电信号；

13、采集所述自混合干涉信号和所述垂直腔面发射激光器的电压；

14、基于所述自混合干涉信号和所述垂直腔面发射激光器的电压，提取不同自混合干涉信号的频率和相位差，基于所述频率和相位差计算所述细颗粒物的运动速度和直径，基于所述运动速度得到所述细颗粒物所处环境的风速，基于所述直径计算所述细颗粒物的质量浓度。

15、在本公开实施例采用的上述至少一个技术方案能够达到以下有益效果：

16、(1)本公开提供的基于激光自混合干涉的集成光学颗粒物测量系统及测量方法，基于自混合干涉的多普勒效应原理，从细颗粒物散射光信号的频率和相位中获取细颗粒物信息，避免了散射幅度衰减的不确定性给测量带来的影响；细颗粒物的运动速度、直径与信号的频率和相位参数有明确的线性关系，既能保证所获取的信号参数准确反映细颗粒物的物理特征和动态特征，又能保证系统具有大的测量范围和很高的测量精度；适用于直径从0.1μm到1000μm范围的粒子流或粒子场的测量，测量范围宽，测量精度和空间分辨力高。本公开也可以应用于其它粒子流(场)的监测和测量。

17、(2)本公开提供的基于激光自混合干涉的集成光学颗粒物传感器及测量方法，采用集成光学垂直腔面发射激光器，该垂直腔面发射激光器采用牺牲层材料作为感知自身光功率和光反馈的变化，减少了材料生长层数，制作工艺简单，有效降低了热效应；同时将光源与探测集成一体化，无需额外的空间探测器，简化了实验装置，降低空间占比和功重比，可装载在任意移动设备或可穿戴式设备，采样时间短，实现大规模开发应用。同时，采用集成光学垂直腔面发射激光器作为光源，对环境光不敏感，有效降低环境光的影响，提高信噪比，且耦合进牺牲层的光功率可调，优化传感器性能。此外，可通过感应在牺牲层的电流变化，并调谐作用在牺牲层的电流，以自适应校准垂直腔面发射激光器输出波长，补偿自身电流引起波长漂移量，从而大大提高探测精度。同时，微机电系统可用于垂直腔面发射激光器，通过静电吸引使垂直腔面发射激光器的反射镜弯曲，产生位移，改变腔长连续调谐所述垂直腔面发射激光器的扫频波长。

18、(3)本公开提供的基于激光自混合干涉的集成光学颗粒物传感器及测量方法，采用集成光学垂直腔面发射激光器，通过横向耦合腔将垂直腔面发射激光器和光电探测器横向集成，左侧腔体作为垂直腔面发射激光器，右侧腔体作为光电探测器，实现了垂直腔面发射激光器和光电探测器集成在同一个腔中。垂直腔面发射激光器激射光波，产生横向行波；通过对横向耦合光的测量实现对垂直腔面发射激光器出射光功率的检测，也可对外部反馈光功率进行探测。在垂直腔面发射激光器与光电探测器之间的耦合区域，可以通过离子注入形成电学隔离，限制电流扩散。该横向耦合腔结构工艺简单，外延生长简单，热效应低，有利于实现集成光学测量系统。

19、(4)本公开提供的基于激光自混合干涉的集成光学颗粒物传感器及测量方法，垂直腔面发射激光器的有源区为非均匀厚度的多结级联有源区，有源区之间通过重掺杂砷化镓隧道结连接起来，相比于单个有源区，可提高电流注入效率和光电转换效率，从而有效降低热效应。采用三束激光，可优化空间位置距离确定测量精度和测量范围，实现不同场景的测试。

20、(5)本公开提供的基于激光自混合干涉的集成光学颗粒物传感器及测量方法，采用集成光学垂直腔面发射激光器，通过半导体二工艺微纳加工成圆锥体、圆台、半球体或者椭球体等结构的集成透镜，将透镜集成在衬底。该结构无需传统的聚焦透镜等模组，相位、强度可通过集成透镜结构进行调节，可扩大收集光线范围和视角探测范围，提高孔径比和亮度，进而有效提高探测精度。此外，集成透镜有利于实现小型化，环境稳定性好，无需进行透镜安装或更换，降低维护成本。