波导集成微型光谱仪和超小型多目标光谱探测系统

本发明涉及光谱分析的，特别涉及一种波导集成微型光谱仪和超小型多目标光谱探测系统。

背景技术：

1、光谱分析是现代科学研究和工业应用中的核心技术之一，在天文学、化学分析、生物医学、环境监测等领域扮演着不可或缺的角色。特别是在天文学领域，多目标光谱观测是揭示天体物理性质、化学成分和宇宙演化历史的最重要手段。随着郭守敬望远镜（lamost）、斯隆数字巡天（sdss）等大规模巡天项目的成功，同时获取成千上万个天体光谱的能力已成为天文学前沿突破的核心驱动力。

2、然而，传统的基于宏观体光学衍射光栅的光谱仪正面临着不可逾越的“尺度暴增”瓶颈。为了满足下一代大口径望远镜“大视场、高分辨率、高灵敏度”的要求，光谱仪的光学系统尺寸、重量和成本随着望远镜口径和分辨率的增加而急剧上升。例如，为欧洲极大望远镜（e-elt）配套的光谱仪，其重量可达数十吨，占据数层楼的空间，造价高达数亿美元。这种庞大的体积和高昂的成本严重制约了其在大型地基望远镜和空间望远镜上的部署和应用。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种波导集成微型光谱仪和超小型多目标光谱探测系统。

2、本发明的实施例提供了一种波导集成微型光谱仪，所述光谱仪包括至少一个光芯片和探测器，在光芯片基底上沿光路传播方向依次布置有输入波导区、第一自由传播区、阵列波导区和第二自由传播区，所述探测器的感光面直接光学耦合至第二自由传播区的输出端面；其中，

3、所述输入波导区用于将外部输入的多色光导入所述第一自由传播区；

4、所述第一自由传播区用于接收所述多色光并使所述多色光在平行于光芯片基底的第一平面内发生自由衍射及扩束，并将具有预设波前分布的光场耦合至所述阵列波导区的输入端；

5、所述阵列波导区包括多根并列设置的单模波导，用于对传输光场施加复合相位调制，其中：一阶相位项用于在第一方向上产生波长相关的角分散，二阶相位项用于使经色散的光在距阵列波导区输出端面预定传播距离的检测焦面处聚焦，三阶及以上相位项用于校正像差，其中所述第一方向垂直于所述光路传播方向；

6、所述第二自由传播区用于通过全反射调节光场在第二方向上的传输模式并保持光束在第二方向上的尺寸约束，所述第二方向垂直于光芯片基底，其中，所述第二自由传播区在所述光路传播方向上的长度与基于所述二阶相位项和三阶及以上相位项确定的设计焦距相匹配，使得第二自由传播区输出的光场能够在所述探测器的感光面上形成符合要求的二维聚焦谱线。

7、进一步地，所述第一自由传播区包括平面波导结构，和/或，所述第二自由传播区包括平面波导结构，以对光场在所述第二方向上进行束缚。

8、进一步地，所述第二自由传播区可以包括第二方向逐渐展宽的锥形结构，以减弱光场在输出第二自由传播区后光场在自由空间的发散。

9、进一步地，所述阵列波导区中第

i根通道波导相对于参考波导的物理长度差为，所述物理长度差包括色散项、聚焦项和像差校正项，并满足如下关系式：

10、

11、其中，为常数项，用于设定参考光程；

12、一阶相位项为一阶色散项，用于产生等效光栅的线性相位梯度，以实现不同波长光的色散分离；

13、二阶相位项为聚焦项，用于产生等效透镜的二次相位分布，以实现光束聚焦；

14、三阶及三阶以上相位项为像差校正项，用于产生高阶相位补偿，以校正光谱成像过程中的像差，并使不同波长的光束分别聚焦于所述阵列波导区的输出端面所在直线上的不同位置。

15、进一步地，根据所述探测器的像素尺寸、有效靶面宽度以及单色像在检测面上的半高全宽确定所述设计焦距，其中所述单色像在检测面上的半高全宽满足对探测器的过采样条件，以使单个分辨单元落在至少两个像素上。

16、进一步地，所述线性相位分量包括由所述阵列波导区的相邻通道波导间的线性长度增量引起的相位分量；和/或，所述非线性相位分量包括由所述阵列波导区的相邻通道波导的长度分布中的非线性项引起的相位分量。

17、进一步地，所述光谱仪的自由光谱范围fsr在所述平坦焦平面上的线性投影宽度小于或等于所述探测器的靶面有效宽度。

18、进一步地，所述第二自由传播区的输出端面经过光学抛光处理，并设置光学膜系，所述光学膜系包括增透膜或带通滤光膜。

19、进一步地，所述输入波导区包括多个输入波导，多个输入波导与所述第一自由传播区耦合，和/或，所述阵列波导区包括多个波导，多个波导与所述第二自由传播区耦合。

20、本发明的实施例提供了一种超小型多目标光谱探测系统，所述系统包括光芯片阵列和二维探测器，所述光芯片阵列包括沿垂直于光芯片基底的方向堆叠集成的多个光芯片单元，其中至少一个光芯片单元中包括所述的光芯片；其中，多个光芯片单元的输出端面对准所述二维探测器的不同像素区域，其中，通过设置在光芯片之间的隔离层或衬底层对相邻光芯片单元在探测器上的成像区域进行物理分隔。

21、进一步地，在所述光芯片中，第二自由传播区的输出端面直接物理接触所述探测器的封装玻璃或感光芯片表面；或者，

22、第二自由传播区的输出端面通过光学胶层粘接于所述探测器的封装玻璃或感光芯片表面。

23、本发明的上述技术方案具有如下有益的技术效果：

24、本发明实施例中，为了将每种单色光对应的线状光谱聚焦到探测器的感光面上，通过第二自由传播区的结构设计，通过全反射限制光场在第二方向上的传输模式，从而保持光束在所述第二方向上的尺寸约束；且第二自由传播区沿光路传播方向的长度与非线性相位分量确定的设计焦距相匹配，使得经由第二自由传播区输出的光场在探测器感光面上形成在第一方向由相位聚焦、在第二方向由波导约束的二维聚焦谱线；这样探测器的感光面与对应的第二自由传播区的输出端直接相对设置，经第二自由传播区输出可与探测器有效靶面宽度及像元尺寸综合匹配，在探测器与光芯片之间无需设置自由空间光学元件；由此可见，对经光纤输入的多色光进行分光，在第一方向和第二方向上均可聚焦的所有光学功能都可以在光芯片上实现，从而提升了微型光谱仪的集成度，降低系统成像的复杂度；并且多个光芯片易于集成，这样有利于实现高效、紧凑的可用于天文观测的多目标光谱仪。

1.一种波导集成微型光谱仪，其特征在于，所述光谱仪包括至少一个光芯片和探测器，在光芯片基底上沿光路传播方向依次布置有输入波导区、第一自由传播区、阵列波导区和第二自由传播区，所述探测器的感光面直接光学耦合至第二自由传播区的输出端面；其中，

2.根据权利要求1所述的波导集成微型光谱仪，其特征在于，所述第一自由传播区包括平面波导结构，和/或，所述第二自由传播区包括平面波导结构，以对光场在所述第二方向上进行束缚。

3.根据权利要求1所述的波导集成微型光谱仪，其特征在于，所述第二自由传播区可以包括第二方向逐渐展宽的锥形结构，以减弱光场在输出第二自由传播区后光场在自由空间的发散。

4.根据权利要求1所述的波导集成微型光谱仪，其特征在于，所述阵列波导区中第i根通道波导相对于参考波导的物理长度差为，所述物理长度差包括色散项、聚焦项和像差校正项，并满足如下关系式：

5.根据权利要求1所述的波导集成微型光谱仪，其特征在于，根据所述探测器的像素尺寸、有效靶面宽度以及单色像在检测面上的半高全宽确定所述设计焦距，其中所述单色像在检测面上的半高全宽满足对探测器的过采样条件，以使单个分辨单元落在至少两个像素上。

6.根据权利要求1所述的波导集成微型光谱仪，其特征在于，线性相位分量包括由所述阵列波导区的相邻通道波导间的线性长度增量引起的相位分量；和/或，非线性相位分量包括由所述阵列波导区的相邻通道波导的长度分布中的非线性项引起的相位分量。

7.根据权利要求1所述的波导集成微型光谱仪，其特征在于，所述光谱仪的自由光谱范围fsr在平坦焦平面上的线性投影宽度小于或等于所述探测器的靶面有效宽度。

8.根据权利要求1所述的波导集成微型光谱仪，其特征在于，所述第二自由传播区的输出端面经过光学抛光处理，并设置光学膜系，所述光学膜系包括增透膜或带通滤光膜。

9.根据权利要求1-8中任一项所述的波导集成微型光谱仪，其特征在于，所述输入波导区包括多个输入波导，多个输入波导与所述第一自由传播区耦合，和/或，所述阵列波导区包括多个波导，多个波导与所述第二自由传播区耦合。

10.一种超小型多目标光谱探测系统，其特征在于，所述系统包括光芯片阵列和二维探测器，所述光芯片阵列包括沿垂直于光芯片基底的方向堆叠集成的多个光芯片单元，其中至少一个光芯片单元中包括如权利要求1-9中任一项所述的光芯片；其中，

11.根据权利要求10所述的系统，其特征在于，在所述光芯片中，第二自由传播区的输出端面直接物理接触所述二维探测器的封装玻璃或感光芯片表面；或者，第二自由传播区的输出端面通过光学胶层粘接于所述二维探测器的封装玻璃或感光芯片表面。