光谱仪的微型化及其应用

　　0　前　言

　　随着微电子技术和微加工的发展,微型光机电系统的制造技术日趋成熟。在微系统的控制和IC集成工艺与现代光学传感技术相融合的基础上,利用X射线、电子束、离子束、光刻等精密机械加工技术和封装技术,可以将传统的光电仪器微小化和集成化。它的结构紧凑、体积小、质量轻、耗能耗材少、性能稳定、寿命长、价格低廉而且便于批量生产。它通过对物质和光波相互作用的分析,几乎不受工作环境和测量物质状态的影响,能够精确地测出物质的成份和含量。光电探测器的发展促使微型光谱仪的测量范围覆盖了从紫外到远红外波段。

　　1　结构特点和相关器件

　　众所周知,传统光谱仪器的基本组成有:光源和照明系统、准直系统、色散系统(经典光谱仪)或干涉系统(干涉调制光谱仪)、成像系统以及接收、检测显示系统。

　　和传统光谱仪相比,微型光谱仪在结构上做了很多调整和改动。首先,由于制作上的困难,接近实用化的微型光谱仪大都是无透镜系统。有的采用反射式准直和成像系统,也有的取消了成像系统;其次,由于光学传感技术的发展,微型光谱仪主要作为光电接口设备和光纤探头联合使用。光纤探头一般由输出光纤、输入光纤、光源、特殊滤波片组成。它一方面起着入射狭缝的作用,直接影响着微型光谱仪的分辨率和光通量;另一方面可以使用特殊滤波装置,弥补微型光谱仪分光不足的弱点。

　　1.1　光源

　　和传统光谱仪采用的光源不同,微型光谱仪的光源具有耗能少、重量轻、抗震性强、使用寿命长等特点。目前,光源方面的进展主要有以下几个方面:发光二极管阵列、集成薄膜光源和脉冲黑体光源。

　　表1给出了中心波长为1300nm的LDT-362NF型发光二极管和微型透镜端面ML-142型卤钨灯的参数对比[1]。由表可以看出:发光二极管的使用寿命是普通卤钨灯的100倍,而它的功率仅为普通卤钨灯的1/4,光强却高达卤钨灯的400倍,而且抗震性强,可以在恶劣的环境下工作。

　　目前比较成熟的一种集成薄膜光源是由Si3N4-polySi-Si3N4组成的薄膜自持结构[2]。它使用掺杂多晶硅灯丝作为发热器件,外层氮化物作为保护层防止灯丝的氧化,发光面积约1mm2,在1000K时的峰值功率损耗为0.3W,可以使用电流对光信号进行从零到几百赫兹的调制,调制频率依赖于光源的结构参数。使用这种光源可以替代传统光源和斩波器,降低了微型光谱仪的制作难度,压缩了体积。尽管光电探测器已经发展到了不需要对光信号进行调制就可以进行接收的水平。

　　由Ion Optics公司生产的红外脉冲黑体光源具有发射效率高、可控光谱功率分布、响应快、低功率损耗等优点[3]。灯丝的表面是由亚微米量级的棒状和锥状颗粒组成。相对于平面灯丝,这种结构的灯丝改变了灯丝表面的光谱反射和吸收分布。对小于灯丝颗粒尺度的波长来说,由于瑞利散射,导致这一波段的光大部分被灯丝吸收,而使表面呈现黑色,根据基尔霍夫的能量守恒定律,光源在这一波段有很高的发射率。同理,对于长波段的光波来说,有较低的发射率。因此可以通过加工灯丝表面的颗粒尺度来改变光源辐射光谱,亦即光源具有可控发射波段的特性。这种脉冲光源是专为对高的开关调制对比度和相位敏感的探测器而设计的。