本发明专利技术的具体实现提供了一种被称为“G-Fresnel”的可同时实现线性光栅和菲涅耳透镜功能的器件。我们使用PDMS软刻蚀技术已经制成了G-Fresnel器件。该器件已用三维表面轮廓测定法检验其质量。我们也通过光学特性表征确认了本器件同时聚焦和色散的双重功能。本G-Fresnel器件可以用于开发微型光谱仪以及新兴的各种光流体应用。我们也提供了用该衍射光学器件制作小型光谱仪的具体实现设计。理论模拟结果表明，毫米级大小的G-Fresnel器件的光谱分辨率可达到约1纳米。实验已经证明一个概念验证性G-Fresnel光谱仪可以达到亚纳米级的光谱分辨率。
【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】基于色散聚焦复合功能衍射光学元件的微型光谱仪参见相关申请在此声明本申请要求美利坚合众国NO.61/373,501临时专利申请的优先权。该临时专利申请在2010年8月13日提交，并通过引用被纳入本申请。关于联邦资助的研究或技术开发的声明此项专利技术由政府通过国家科学基金No.DBI0649866，ECCS0547475支持。制作负菲涅耳模具的菲涅耳透镜由OIDAPhotonicsTechnologyAccessProgram提供。OIDAPTAP是由国家科学基金和国防前沿研究项目机构资助。根据与康奈尔大学的国家科学基金合作协议No.0335765，国家纳米科技基础设施网络，相关光学轮廓曲线测量在宾州州立大学材料研究所纳米加工实验室进行。政府对此专利技术享有一定权利。专利技术背景专利技术
此项专利技术的具体实例涉及具有聚焦和色散入射光双重功能的衍射光学元件，及复制该衍射光学元件的模具器件，和基于该元件的小型光谱仪。相关技术描述光谱仪是现代科学和工程中最重要的和最广泛使用的仪器之一(参考J.James，SpectrographDesignFundamentals，CambridgeUniversityPress，Cambridge，2007)。在材料测量、化学检测和生物医学诊断等众多领域都有它的大量应用。考虑到光谱学在当今许多飞速发展的领域中的重要地位以及繁荣的便携电子产业(手机、笔记本电脑等)，对于未来可能集成于移动电子终端的经济型微型光谱仪的需求正在增加。尽管光谱仪的性能不断提高，但是分离光元件(准直和收集曲面镜、衍射光栅)的使用是造成传统光谱仪笨重和昂贵的主要原因。针对这个问题科研人员进行了多种尝试，比如利用单个凹型光栅将凹镜的准直和采集功能与衍射光栅功能结合(参考C.Palmer，andE.Loewen，Diffractiongratinghandbook(NewportCorporation，2005))。另一种新近出现的方法是体全息光谱仪，它利用体全息取代了入光狭缝、聚光曲镜和光栅(参考C.Hsieh，O.Momtahan，A.Karbaschi，andA.Adibi，Appl.Phys.B91，1(2008))。其他尝试包括波导光栅和集成微机械系统等方法。专利技术简介本专利技术的具体实例所涉及的衍射光学元件将高数值孔径透镜功能(比如菲涅耳透镜)和衍射光栅集成在一起。该元件可以是弯曲或者平面结构。我们将这种结合了光栅和菲涅耳透镜的元件称作G-Fresnel部件，也可以称作G-Fresnel透镜，或者简单地称为G-Fresnel。其他实现方法可以利用其它衍射光器件，比如，但不仅限于，单面表面结构或新型微型光谱仪所需的G-Fresnel器件。进一步的，本专利技术涉及用聚二甲基硅氧烷(polydimethylsiloxane，PDMS)软刻蚀加工该器件。PDMS印刷将光栅和菲涅耳透镜的功能融合进一个复合器件中。相比于传统透镜和凹镜，G-Fresnel透镜的f-number(f/#)较小，使得它有潜力做出比应用传统技术更小的光谱仪。另外，G-Fresnel的表面结构特性使通过复制模板的低成本大规模生产成为可能。附图说明图1展示了透射型G-Fresnel(T-G-Fresnel)的聚焦色散复合功能。图2是G-Fresnel制作流程图，其中：(a)将PDMS预聚物倒在菲涅耳透镜表面；(b)经过原位固化形成负菲涅耳透镜模具并可以揭下；(c)将PDMS预聚物夹在负菲涅耳透镜模具和光栅之间；(d)固化后形成透射型G-Fresnel；(e)通过在透射型G-Fresnel光栅一侧镀反射膜可以获得反射型G-Fresnel；(f)负菲涅耳透镜模具成品照片；(g)透射型G-Fresnel成品照片；(h)反射型G-Fresnel成品照片(光栅面向上)。图3给出通过光学轮廓仪测量的负菲涅耳模具和透射型G-Fresnel器件的菲涅耳镜一面的表面轮廓。(a)和(b)分别是负菲涅耳模具和透射型G-Fresnel器件的菲涅耳镜一面中间部分的表面轮廓三维图像；(c)和(d)分别是负菲涅耳模具和透射型G-Fresnel器件的菲涅耳镜一面边缘部分的表面轮廓三维图像；(e)模具和透射型G-Fresnel器件中间部分径向方向表面高度对比；(f)模具和透射型G-Fresnel器件边缘部分径向方向表面高度对比。图4给出光学特性测试结果：(a)实验装置示意图；(b)准直超连续谱光通过T-G-Fresnel后产生的聚焦衍射图样；(c)光栅产生的衍射图样；(d)几种示例波长下得到的强度分布图(486.0nm，525.3nm，564.7nm，604.1nm，643.5nmand682.8nm)。图5展示了包含了透射型G-Fresnel或反射型G-Fresnel器件的示范光谱仪设计图。图6是计算机生成的(a)双面微型G-Fresnel表面结构侧面图(中间部分)和(b)单面微型G-Fresnel表面结构截面图。图7(a)示意图给出了模拟所用的几何结构。图7(b)显示在三种示例波长(490nm，500nm，510nm)下计算所得的一阶衍射图样强度分布；焦点位置可以通过虚线拟合。图7(c)显示根据图8(c)实验结果优化所得位置上放置一倾斜虚拟检测器所接收到的多个波长(496nm-504nm)点扩散函数计算结果。图8(a)是G-Fresnel光谱仪结构示意图。图8(b)中展示了安装固定好的G-Fresnel器件。图8(c)给出了分别由G-Fresnel光谱仪和商用光谱分析仪测量的氩离子激光部分光谱。图8(d)校准后的像素-波长关系。图9显示测量所得的通过(a)激光线滤光器和(b)长波滤光器的透射光谱。专利技术的具体介绍本专利技术的具体实例提供了具有光栅和菲涅耳透镜双重功能的G-Fresnel器件。我们通过理论分析证明G-Fresnel可以在对点源成像的同时分离其中的不同光谱成分。双面透射和反射型G-Fresnel器件可以通过PDMS软刻蚀技术制作。同时我们利用3D表面轮廓曲线测量检验成品的质量。最后通过光学特性测量实验证明了该器件的聚焦色散双重功能。本专利技术有潜力通过表面结构复制进行大规模生产，并达到很小的f/#，这使得G-Fresnel开启了经济微型便携式光谱仪发展的新方向。本专利技术具体实例提供的光学元件有由很多同心啁啾刻槽组成的菲涅耳镜一侧，刻槽间距从里往外逐渐减小。该元件也包括由大量线型刻槽组成的光栅一侧。一般来说这些刻槽相互平行。在一些具体实例中该元件需要单面或者双面镀膜或表面处理。在一个优选的实例中可在光栅一侧镀反射膜。其他种类膜可透射特定频率光。镀膜可以是，但不仅限于，例如金属薄膜、液态金属膜和电介质材料镀膜。此类光谱仪可被应用于科研领域或者作为消费类电子产品。比如说，某人用餐时可以用它来检测食物中是否含有会导致过敏的成分。该产品也可以为天文学与空间科学研究提供多种类型的小型化光谱仪器。该器件还可以被应用在文件与纸币的真伪鉴定，化学物质探测，以及生物医学等领域。考虑到该器件(G-Fresnel)可被方便的集成到基于PDMS软刻蚀技术的光流器件上，我们相信G-Fresnel可以在光流器件研究的新兴领域找到令人兴奋的应用(关于光流体的讨论，参考Y.Fainman，L.P.Lee，本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2010.08.13 US 61/373,5011.一种衍射光学器件，包含：菲涅耳透镜一侧：此面刻有多个同心啁啾环形槽，刻槽间距由中心向外递减；以及光栅一侧：此面刻有多个线形刻槽；该衍射光学器件的相位函数包含一个径向二次相位分布项和一个一维线性相位分布项，所述衍射光学器件具有同时聚焦入射光波和色散不同波长的双重特性；其直径为4.096mm。2.根据权利要求1所述的衍射光学器件，所述光栅一侧有镀膜。3.根据权利要求1所述的衍射光学器件，所述菲涅耳透镜一侧有镀膜。4.根据权利要求3所述的衍射光学器件，所述菲涅耳透镜一侧的镀膜为金属涂层。5.根据权利要求1所述的衍射光学器件，其一侧镀有液态金属膜，从而使该器件成为反射型衍射光学器件。6.根据权利要求1所述的衍射光学器件，其中菲涅耳透镜一侧与光栅一侧之间至少有一个封闭隔绝空间，而每一个封闭隔绝空间中选择性地含有一种流体材料，变更其中至少一种流体材料或流体材料的性质都会使该衍射光学器件的性能发生改变。7.根据权利要求6所述的衍射光学器件，所述封闭隔绝空间中含有一种流体材料。8.一种光谱仪，包含一个狭缝，一个衍射光学器件，和一个检测器阵列，其中，所述衍射光学器件包含：菲涅耳透镜一侧：此面刻有多个同心啁啾环形槽，刻槽间距由中心向外递减；以及光栅一侧：此面刻有多个线形刻槽；该衍射光学器件的相位函数包含一个径向二次相位分布项和一个一维线性相位分布项，所述衍射光学器件具有同时聚焦入射光波和色散不同波长的双重特性；其直径为4.096mm；入射光经过狭缝后，由所述衍射光学器件收集、色散和聚焦，然后由设置在适应不同波长焦点位置的检测器阵列检测。9.根据权利要求8所述的光谱仪，其衍射光学器件没有镀反射膜，从狭缝发出的发散光波经过该衍射光学器件后同时被色散和聚焦，从而不同波长被分开并继而被沿不同波长聚焦的轨迹放置的检测器阵列检测。10.根据权利要求8所述的光谱仪，其衍射光学器件的光栅一侧镀有反射...
【专利技术属性】
技术研发人员：刘志文，杨川，施可彬，佩里·爱德华兹，
申请(专利权)人：宾夕法尼亚州立大学研究基金会，
类型：
国别省市：
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