一种傅里叶红外光谱仪及其应用制造技术

本发明专利技术公开了一种傅里叶红外光谱仪及其应用，其中傅里叶红外光谱仪包括频率梳生成模块、测量模块和干涉图样生成模块；频率梳生成模块用于将光源发出的红外激光转化为频率梳，并输入至测量模块；测量模块用于利用频率梳测量被测物质，并将被测物质吸收后的红外光谱传输至干涉图样生成模块；干涉图样生成模块用于根据红外光谱生成干涉图样。本发明专利技术的傅里叶红外光谱仪中无需使用扫描装置即可生成干涉图样，其结构简单且稳定性佳；另外，本发明专利技术使用元件数量少，可以集成于一块芯片上，便于携带，对使用和放置环境没有要求，可以满足野外探测、环境监测等户外使用需求。环境监测等户外使用需求。环境监测等户外使用需求。

【技术实现步骤摘要】
一种傅里叶红外光谱仪及其应用


[0001]本专利技术公开了一种傅里叶红外光谱仪及其应用，属于光谱分析


技术介绍

[0002]Robert Willelm Bunsen和Gustav Robert Kirchhoff在1859年共同研发设计了世界上第一台光谱仪，并利用该仪器系统地研究各类样品发出的光谱，创建了光谱分析方法。光谱分析方法可以根据物质的光谱信息来确定其组成成分及相对含量，具有灵敏、迅速的特点。而由光谱分析法制成的仪器—光谱仪——是一种可以定性定量分析物质的分光仪器，光谱仪能够将所研究的复色光按波长或者波数分开，并且得到各个波长所具有的能量信息，从而得到各个单色光按波长或波数分布的光谱图。光谱仪一般包括光源和照明系统、准直系统、色散系统、成像系统和接收系统几个主要部分，具有灵敏、迅速、精度高的优点。光谱仪有多种类型，除在可见光波段使用的光谱仪外，还有红外光谱仪和紫外光谱仪。按色散元件的不同可分为棱镜光谱仪、光栅光谱仪和干涉光谱仪等。按探测方法分，有直接用眼观察的分光镜，用感光片记录的摄谱仪，以及用光电或热电元件探测光谱的分光光度计等。
[0003]近几十年来，人们研究了许多实现小型光谱仪的方法，包括基于微电子机械系统的器件，使用阵列波导光栅或微环谐振器的色散光谱仪，以及数字平面全息图。傅里叶变换光谱仪主要用于红外波长，其中频谱是由其相应的干涉图推导出来的，干涉图是由光信号与自身在时间上或空间上延迟的版本进行干涉而形成的。传统的傅里叶红外光谱仪多采用扫描装置进行调制，使用元件数量较多，难以实现紧凑型结构，体积比较大，且移动部件限制了仪器的稳定性，并对使用和放置环境有严格要求，难以满足野外探测、环境监测等户外使用需求。

技术实现思路

[0004]本申请的目的在于，提供一种傅里叶红外光谱仪，以解决现有傅里叶红外光谱仪存在结构松散、稳定性不佳，难以满足野外探测、环境监测等需求的技术问题。
[0005]本专利技术的第一方面提供了一种傅里叶红外光谱仪，包括频率梳生成模块、测量模块和干涉图样生成模块；
[0006]所述频率梳生成模块用于将光源发出的红外激光转化为频率梳，并输入至所述测量模块；
[0007]所述测量模块用于利用所述频率梳测量被测物质，并将所述被测物质吸收后的红外光谱传输至所述干涉图样生成模块；
[0008]所述干涉图样生成模块用于根据所述红外光谱生成干涉图样。
[0009]优选地，所述傅里叶红外光谱仪还包括光电探测器；
[0010]所述光电探测器的输入端与所述干涉图样生成模块连接，用于探测所述干涉图样并将其输出。
[0011]优选地，所述频率梳生成模块、所述测量模块、所述干涉图样生成模块和所述光电
探测器均集成于同一块芯片上。
[0012]优选地，所述频率梳生成模块包括光源和微环谐振器；
[0013]所述光源用于产生红外激光；
[0014]所述微环谐振器接收所述红外激光，并将所述红外激光转化为频率梳后输出至所述测量模块。
[0015]优选地，所述微环谐振器包括环形波导和设置于所述环形波导两侧并与所述环形波导耦合的输入直波导和输出直波导；
[0016]所述输入直波导的输入端接收所述红外激光；
[0017]所述环形波导从所述输入直波导上耦合所述红外激光，并将其转化为频率梳从所述输出直波导的下载端输出至所述测量模块。
[0018]优选地，所述测量模块包括第一衍射光栅和第二衍射光栅；
[0019]所述第一衍射光栅设置于所述微环谐振器的下载端，用于将所述微环谐振器下载端处的频率梳发射至所述被测物质；
[0020]所述第二衍射光栅设置于所述干涉图样生成模块的输入端，用于收集所述被测物质吸收后的红外光谱，并将所述红外光谱传输至所述干涉图样生成模块。
[0021]优选地，所述测量模块还包括第一透镜和第二透镜；
[0022]所述第一透镜设置于所述第一衍射光栅的出光路径上，用于将所述第一衍射光栅出射的频率梳转化为平行出射的频率梳；
[0023]所述第二透镜设置于所述被测物质吸收后的红外光谱的传输路径上，用于将所述被测物质吸收后的红外光谱聚焦于所述第二衍射光栅上。
[0024]优选地，所述干涉图样生成模块包括马赫曾德干涉仪；
[0025]所述马赫曾德干涉仪的输入端与所述第二衍射光栅连接，输出端与所述光电探测器连接。
[0026]本专利技术的第二方面提供了一种上述傅里叶红外光谱仪在可穿戴设备中的应用。
[0027]本专利技术的傅里叶红外光谱仪及其应用，相较于现有技术，具有如下有益效果：
[0028]本专利技术的傅里叶红外光谱仪中无需使用扫描装置即可生成干涉图样，其结构简单且稳定性佳，解决了现有傅里叶红外光谱仪由于使用扫描装置导致的稳定性差的问题。进一步地，本专利技术的傅里叶红外光谱仪，使用元件数量少，可以集成于一块芯片上，便于携带，对使用和放置环境没有要求，可以满足野外探测、环境监测等户外使用需求。
[0029]另外，本专利技术的傅里叶红外光谱仪还具有信噪比高、波长准确且重复性好、稳定性好、高光通量、光谱分辨率高、光谱测量范围宽等优点。
附图说明
[0030]图1为本专利技术实施例提供的傅里叶红外光谱仪的结构示意图。
[0031]图中1为频率梳生成模块；11为光源；12为微环谐振器；2为测量模块；21为第一衍射光栅；22为第二衍射光栅；23为第一透镜；24为第二透镜；3为干涉图样生成模块；4为光电探测器；5为被测物质。
具体实施方式
[0032]以下描述中，为了说明而不是为了限定，提出了诸如特定系统结构、技术之类的具体细节，以便透彻理解本专利技术实施例。然而，本领域的技术人员应当清楚，在没有这些具体细节的其它实施例中也可以实现本专利技术。在其它情况中，省略对众所周知的系统、装置、电路以及装置的详细说明，以免不必要的细节妨碍本专利技术的描述。
[0033]本专利技术实施例的第一方面提供了一种傅里叶红外光谱仪，其结构如图1所示，包括频率梳生成模块1、测量模块2和干涉图样生成模块3；
[0034]其中频率梳生成模块1用于将光源发出的红外激光转化为频率梳，并输入至测量模块2。
[0035]本专利技术实施例中的频率梳生成模块1可以为光电振荡器、钛宝石飞秒激光器或者光源11和微环谐振器12组成的频率梳生成结构。由于光源11和微环谐振器12组成的频率梳生成结构具有结构简单、占用空间小、成本低等优点，本专利技术实施例优选使用光源11和微环谐振器12组成的频率梳生成结构；其中，光源11用于产生红外激光，具体可为红外激光器；微环谐振器12接收红外激光，并将红外激光转化为频率梳(一种由众多频率稳定并且其间隔严格相等的光谱梳齿组成的宽带光谱)后输出至测量模块2。
[0036]进一步地，微环谐振器12包括环形波导和设置于环形波导两侧并与环形波导耦合的输入直波导和输出直波导；
[0037]输入直波导的输入端接收红外激光；
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种傅里叶红外光谱仪，其特征在于，包括频率梳生成模块、测量模块和干涉图样生成模块；所述频率梳生成模块用于将光源发出的红外激光转化为频率梳，并输入至所述测量模块；所述测量模块用于利用所述频率梳测量被测物质，并将所述被测物质吸收后的红外光谱传输至所述干涉图样生成模块；所述干涉图样生成模块用于根据所述红外光谱生成干涉图样。2.根据权利要求1所述的傅里叶红外光谱仪，其特征在于，所述傅里叶红外光谱仪还包括光电探测器；所述光电探测器的输入端与所述干涉图样生成模块连接，用于探测所述干涉图样并将其输出。3.根据权利要求2所述的傅里叶红外光谱仪，其特征在于，所述频率梳生成模块、所述测量模块、所述干涉图样生成模块和所述光电探测器均集成于同一块芯片上。4.根据权利要求2或3所述的傅里叶红外光谱仪，其特征在于，所述频率梳生成模块包括光源和微环谐振器；所述光源用于产生红外激光；所述微环谐振器接收所述红外激光，并将所述红外激光转化为频率梳后输出至所述测量模块。5.根据权利要求4所述的傅里叶红外光谱仪，其特征在于，所述微环谐振器包括环形波导和设置于所述环形波导两侧并与所述环形波导耦合的输入直波导和输出直波导；所述输入直波导的输入端接收所述红外激光；所述环形波导...

【专利技术属性】
技术研发人员：张天禹，张奕泽，王斌，
申请(专利权)人：光子集成温州创新研究院，
类型：发明
国别省市：