一种基于平面光波导平台的微型光谱仪及其制作方法与流程

1.本发明涉及微型光谱仪，具体是一种基于平面光波导平台的微型光谱仪。


背景技术：

2.随着光谱学的发展，光谱仪广泛应用于我们生活的各个方面，无论是食品安全检测、水质检测、矿石煤炭分析、环境监测，还是疾病诊断、生命科学分析等，都离不开光谱仪的身影。传统的商用光谱仪大都为大型的光学光谱仪，普遍存在价格昂贵、结构复杂、体积庞大等特点。传统的微型光谱仪虽然在一定程度上减小了体积，便于携带，但复杂的光路设计带来了各种杂散光的影响，且精度不高。


技术实现要素：

3.本发明需要解决的技术问题是：提出一种基于平面光波导平台的微型光谱仪。该光谱仪体积小，精度高，价格低，模块化组装，可用于大规模生产。
4.为了实现上述技术目的，本发明采用如下技术方案：一种基于平面光波导平台的微型光谱仪，包括光波导平台，所述光波导平台包括：一芯层；两层包覆层，与所述芯层通过紫外压印组装在一起，光在芯层传播；所述芯层上与包覆层接触的两个表面镀有起反射作用限制光在芯层传播的材料；所述光波导平台上加工有：光纤耦合接口；反射光栅；凹面反射镜；ccd探测器；分析复色光通过所述光纤耦合接口进入所述芯层，由凹面反射镜反射进入反射光栅进行分光，反射光栅用于将从凹面反射镜接收到的特定波长范围内的复色光分解为不同的单色光输出，使不同波长的光以固定间距聚焦在ccd探测器上，直接由ccd探测器探测分析，形成光谱。
5.所述起反射作用限制光在芯层传播的材料为铝或金。
6.所述反射光栅直接刻画制造在光波导平台上。
7.所述反射光栅具有非均匀性间距，这些不均匀间距用于根据不同波长以固定间隔将光聚焦在所述ccd探测器上。
8.本发明进一步公开了一种所述基于平面光波导平台的微型光谱仪的制作方法，包括以下步骤：s1、制作平面光波导平台的原始模具，厚度为500μm的金属原始模具，其为芯层（2）的厚度；s2、然后通过复制成型工艺，使用金属原始模具精确复制pdms印章，厚度约为
10mm；s3、将uv树脂滴入并填充到带有芯层图案的pdms印章中，uv树脂在氮气环境中以110 mj/cm2的紫外线照射60 s后固化制成芯层，在芯层上与包覆层接触的两个表面镀一层起反射作用限制光在芯层传播的材料；s4、制作包覆层，厚度同样为500μm；s5、将制作好的包覆层和芯层层压在一起，制成光波导平台；s6、将ccd探测器和凹面反射镜采用光学紫外胶粘接在所述光波导平台上；光纤耦合接口熔接在所述光波导平台上；在平面光波导平台上通过光刻方法刻画一系列锯齿状间距不均匀的斜槽，再镀上一层铝膜或金膜，形成所述反射光栅。
9.所述芯层材料为uv树脂、二氧化硅、氮化硅、氮氧化硅和聚合物中的任意一种。
10.所述包覆层材料为uv树脂、二氧化硅、氮化硅、氮氧化硅和聚合物中的任意一种。
11.有益效果：第一．本发明基于平面光波导平台的微型光谱仪，采用两层包覆层和一层芯层作为光波导平台，两层包覆层和一层芯层通过紫外压印组装在一起，光在芯层传播，减少复杂的光路设计，大大减小光谱仪的尺寸,芯层和包覆层材料不限于uv树脂、二氧化硅、氮化硅、氮氧化硅和聚合物等类型。
12.第二．该光谱仪采用直接刻画制造在光波导平台上的反射光栅作为分光器件，反射光栅具有非均匀性间距，这些不均匀间距可以根据不同波长以固定间隔将光聚焦在ccd探测器上，实现了高精度的分光；采用非外部组装反射光栅减少组装过程给应用测量结果带来的误差影响，且结构更加紧凑，保证基于平面光波导平台的微型光谱仪精密工作。
13.第三．该光谱仪采用平面光波导平台和ccd探测器以及凹面反射镜直接耦合封装，ccd探测器光敏区域长度要足够覆盖最小波长和最大波长的聚焦点之间的距离，ccd探测器和凹面反射镜采用光学紫外胶粘接。
附图说明
14.图1为本发明的一种基于平面光波导平台的微型光谱仪平面示意图；图2为本发明的一种基于平面光波导平台的微型光谱仪三维图；其中，1是包覆层；2是芯层；3是光纤耦合接口；4是凹面反射镜；5是反射光栅；6是ccd探测器。
具体实施方式
15.为使本发明的目的、技术方案等的优点更加清楚，以下结合附图对本发明做进一步详细说明。
16.参照图1、2，该光谱仪主要由包覆层1、芯层2、光纤耦合接口3、反射光栅5、凹面反射镜4和ccd探测器6组成。其中，包覆层1有两层，芯层2有一层，用于组成平面光波导平台，限制光在芯层传播；平面光波导平台上加工有光纤耦合接口3和反射光栅5，用于光的输入和分光；凹面反射镜4用于将通过光纤耦合接口3输入的光反射到反射光栅5上；反射光栅5用于将从凹面反射镜4接收到的特定波长范围内的复色光分解为不同的单色光输出，使不同波长的光以固定间距聚焦在ccd探测器6上。
17.参照图2，为了减小由表面粗糙度引起的传播损耗，通过超精密加工机制作了平面光波导平台的原始模具，厚度为500μm的金属原始模具，其为芯层2的厚度；然后通过复制成型工艺，使用金属原始模具精确复制pdms印章，厚度约为10mm；将uv树脂滴入并填充到带有芯层2图案的pdms印章中，uv树脂在氮气环境中以110 mj/cm2的紫外线照射60 s后固化制成芯层2，在芯层2上与包覆层1接触的两个表面镀一层起反射作用限制光在芯层传播的材料铝、金等；再根据不同材料二氧化硅、聚合物等通过不同加工工艺制作包覆层，厚度同样为500μm；最后，将制作好的包覆层1和芯层2层压在一起，制成光波导平台。
18.参照图1、2，特定波长范围内的复色分析光通过光纤耦合接口3，进入到整个系统装置中，由凹面反射镜4输入到反射光栅5上进行分光。光纤耦合接口3可以通过光纤与外部光源连接在一起，光纤一端与光纤耦合接口3耦合对准，另一端通过sma905接口与光源相接。ccd探测器6和凹面反射镜4通过紫外胶固化在光波导平台上。
19.参照图1、2，特定波长的复色光通过间距不均匀的反射光栅5分解为特定的单色光，单色光按照固定间隔聚焦到ccd探测器6的光敏区域上，特定波长的单色光对应特定的感光像元，使光信号转换为电信号。为了减少外部组装部件，使结构更加紧凑，提高精密度，采用了通过光刻的方法直接在光波导平台上制造反射光栅5的方法，且光栅间距采用非均匀的方式，使单色光以固定间隔聚焦到ccd探测器6上。
20.为了检测特定波长范围内的单色光，ccd探测器6的光敏区域需足够长，以覆盖该波段范围内的单色光。


技术特征：
1.一种基于平面光波导平台的微型光谱仪，包括光波导平台，其特征在于，所述光波导平台包括：一芯层；两层包覆层，与所述芯层通过紫外压印组装在一起，光在芯层传播；所述芯层（2）上与包覆层（1）接触的两个表面镀有起反射作用限制光在芯层传播的材料；所述光波导平台上加工有：光纤耦合接口（3）；反射光栅（5）；凹面反射镜（4）；ccd探测器（6）；分析复色光通过所述光纤耦合接口（3）进入所述芯层，由凹面反射镜（4）反射进入反射光栅（5）进行分光，反射光栅（5）用于将从凹面反射镜（4）接收到的特定波长范围内的复色光分解为不同的单色光输出，使不同波长的光以固定间距聚焦在ccd探测器（6）上，直接由ccd探测器探测分析，形成光谱。2.根据权利要求1所述的基于平面光波导平台的微型光谱仪，其特征在于，所述起反射作用限制光在芯层传播的材料为铝或金。3.根据权利要求1所述的基于平面光波导平台的微型光谱仪，其特征在于，所述反射光栅（5）直接刻画制造在光波导平台上。4.根据权利要求1所述的基于平面光波导平台的微型光谱仪，其特征在于，所述反射光栅（5）具有非均匀性间距，这些不均匀间距用于根据不同波长以固定间隔将光聚焦在所述ccd探测器（6）上。5.根据权利要求1~4中任一所述基于平面光波导平台的微型光谱仪的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：s1、制作平面光波导平台的原始模具，厚度为500μm的金属原始模具，其为芯层（2）的厚度；s2、然后通过复制成型工艺，使用金属原始模具精确复制pdms印章，厚度约为10mm；s3、将uv树脂滴入并填充到带有芯层（2）图案的pdms印章中，uv树脂在氮气环境中以110 mj/cm2的紫外线照射60 s后固化制成芯层（2），在芯层（2）上与包覆层（1）接触的两个表面镀一层起反射作用限制光在芯层传播的材料；s4、制作包覆层，厚度同样为500μm；s5、将制作好的包覆层（1）和芯层（2）层压在一起，制成光波导平台；s6、将ccd探测器（6）和凹面反射镜（4）采用光学紫外胶粘接在所述光波导平台上；光纤耦合接口（3）熔接在所述光波导平台上；在平面光波导平台上通过光刻方法刻画一系列锯齿状间距不均匀的斜槽，再镀上一层铝膜或金膜，形成所述反射光栅（5）。6.根据权利要求5所述的基于平面光波导平台的微型光谱仪的制作方法，其特征在于，所述芯层材料为uv树脂、二氧化硅、氮化硅、氮氧化硅和聚合物中的任意一种。7.根据权利要求5所述的基于平面光波导平台的微型光谱仪的制作方法，其特征在于，
所述包覆层材料为uv树脂、二氧化硅、氮化硅、氮氧化硅和聚合物中的任意一种。

技术总结
本发明是一种基于平面光波导平台的微型光谱仪及其制作方法。该光谱仪包括用于限制光传播的包覆层和芯层、用于连接光纤的光纤耦合接口、用于反射的凹面反射镜、用于分光且刻画在光波导平台上的反射光栅、CCD探测器。分析复色光通过光纤耦合接口，由反射镜反射进入光栅进行分光，直接由CCD探测器探测分析，形成光谱。该装置大大减小了光谱仪的尺寸，实现了高精度的分光，可用于小型设备的开发。采用一体化封装，结构更加紧凑。该装置体积小，精度高，模块化组装，可用于大规模生产。可用于大规模生产。可用于大规模生产。


技术研发人员：章伟 张子贤 胡雪峰 路珊珊
受保护的技术使用者：滁州怡然传感技术研究院有限公司
技术研发日：2022.08.24
技术公布日：2022/11/11