關(guān)于光譜儀微小型化分析的論文
微光學(xué)、微電子、微機械的結合產(chǎn)生出一類(lèi)新的應用范圍很廣的器件——微型光機電系統(MOEMS)，它也是機、電、光、磁、化學(xué)、傳感技術(shù)等多種技術(shù)的綜合。MOEMS日益成為新的光學(xué)工具，已經(jīng)對許多基于光學(xué)的儀器顯示出應用前景。作為MOEMS的一種，微型光譜分析儀具有許多大型光譜儀所不具備的優(yōu)點(diǎn)，如重量輕、體積小、探測速度快、使用方便、可集成化、可批量制造以及成本低廉等，像普通光譜儀一樣微型光譜儀有著(zhù)巨大的應用市場(chǎng)，可以應用在實(shí)驗室化學(xué)分析、臨床醫學(xué)檢驗、工業(yè)監測、航空航天遙感等領(lǐng)域，因而引起了人們廣泛的興趣。
微型光譜儀的實(shí)現可以應用多種技術(shù)，目前常用的方法包括：采用新型濾光技術(shù)制作微型光譜儀；利用光纖的化學(xué)傳感性制成光纖探針進(jìn)行光譜分析；使用微細加工制作集成式微型光譜儀等。
2采用新型濾光技術(shù)的微型光譜儀
聲光可調濾光片(AOTF)是一種微型窄帶可調濾光片，是光譜儀微型化的一個(gè)發(fā)展方向，它通過(guò)改變施加在某種晶體上的射頻頻率來(lái)改變通過(guò)濾光片的光波長(cháng)，而通過(guò)AOTF光的強度可利用改變射頻的功率進(jìn)行精密、快速的調節。它的分辨率很高，目前可以達到0.0125nm，沒(méi)有可動(dòng)部件，波長(cháng)調節速度快、靈活性高。
美國B(niǎo)rimrose公司和JetPropulsion實(shí)驗室聯(lián)合設計一種微型電晶體NIR光譜儀。這種基于A(yíng)OTF的反射型近紅外微型光譜儀主要造用于航天領(lǐng)域，使用發(fā)光二極管(LED)陣列作為光源，光纖作為光波傳輸介質(zhì)，該光譜儀重量<250克，尺寸小9.2×5.4×3.2cm，超快速(4000波長(cháng)/秒)，高可靠性并經(jīng)過(guò)美國國防核子局的防輻射測試。
美國HughesSantaMara研究中心研制的線(xiàn)性楔形光譜儀(專(zhuān)利產(chǎn)品)，是由一個(gè)微小模狀濾光片和一個(gè)陣列檢測器組成，可以對多個(gè)光譜頻帶進(jìn)行檢測。模形光譜儀內有一個(gè)模形的多層薄膜介電材料構成的干擾濾光片，濾光片與兩維檢測器緊臨，這樣根據濾光片在不同位置的帶通，每一列檢測器可以接收不同光譜波段的能量，所以單獨一個(gè)模形光譜儀可以覆蓋很寬的光譜范圍。模形光譜儀的光譜范圍受到濾光片、探測器材料特性的限制，還需要使用多種阻擋濾光片。工作光譜范圍分布在可見(jiàn)光和近紅外區(從400nm到1030nm)。該光譜儀在實(shí)驗中還獲得了線(xiàn)性色散率，色散率與點(diǎn)帶寬無(wú)關(guān)，而且濾光片可以根據檢測器陣列設計成不同的幾何形狀。
3利用光纖制作的微型光譜儀
光纖傳感器的主要特點(diǎn)是具有很高的傳輸信息容量，可以同時(shí)反映出多元成分的多維信息，并通過(guò)波長(cháng)、相位、衰減分布、偏振和強度調制、時(shí)間分辨、收集瞬時(shí)信息等來(lái)加以分辨，真正實(shí)現多道光譜分析和復合傳感器陣列的設計，達到復雜混合物中特定分析對象的檢測，這對電傳感器和聲傳感器而言是望塵莫及的。光纖的探頭直徑可以小到與其傳播的光波波長(cháng)屬于同一數量級，這樣小巧的光纖探頭可以直接插入那些非整直空間和無(wú)法采樣的小空間(如活體組織、血管、細胞)中，對分析物進(jìn)行連續檢測。
OceanOptics公司的MichaelJ.Morris等人研制一種緊湊級聯(lián)光纖DIP探針微小光譜儀，該系統的設計是使用單股光纖以獲得高分辨率光譜信息，對于決定液體的吸收、發(fā)射和散射，或測量pH或有毒金屬濃度使用固定指示材料。光譜儀的模式限制光學(xué)設計得到很高的光通量，常規應用中可以使用50μm的光纖。
微型光纖光譜儀還有美國Stwenchristesen等人研制的便攜式光纖拉曼光譜儀，便攜式光纖拉曼光譜儀可以對化學(xué)試劑鑒定盒進(jìn)行非接觸分析，它包括二極管激光器、中階梯攝譜儀、電荷桐合器件(CCD)檢測器和一個(gè)帶有濾光涂層的光纖探針，這種光譜儀被用來(lái)分析密封玻璃容器中的化學(xué)試劑和其它有毒化學(xué)物。拉曼光譜是通過(guò)使用一個(gè)帶有25m光纖的EICRamanProbe探針獲得的'。探針輸出功率在紫翠玉激光器下為80mW，而二極管激光器為137nW。這種微型拉曼光譜儀也可以用T單個(gè)活細胞的分析。
4集成微型光譜儀
利用MEMS和MOEMS的微加工技術(shù)也可以制作出微型光譜儀。GayiinM.Yee等人利用微機械加工方法直接在CCD成像器件上制作衍射光柵構成集成式微型光譜儀，得到的光譜儀系統衍射效率可以達到63%，色散率為1.7mm/像元，分辨率為74.4。
IMS(InstituteofMicrotechnology，UniversityofNe11chatel，Switzerland)制作了一種基于光MEMS技術(shù)的微型傅里葉變換光譜儀(FTS)，它用一種由靜電驅動(dòng)的電梳執行器來(lái)完成微鏡的掃描運動(dòng)。測量得到執行器在38.5mm位移下的非線(xiàn)性為±0.5mm，在消除非線(xiàn)性后得到校正光譜，光譜重現率為±25nm。相位校正后在633nm波長(cháng)下測量得到光譜儀的分辨率為6nm。
5結論
由于光譜儀的結構特點(diǎn)以及光譜儀廣泛的應用領(lǐng)域，在微小光譜儀的研究中可以采用多種方法和多種思路。比如改善AOTF的波長(cháng)覆蓋范圍、波長(cháng)分辨率和通光本領(lǐng)，可以使它能應用于各種光譜化學(xué)分析，而用這樣的元件可以制成結構簡(jiǎn)單、性能良好、成本低廉的光譜儀，或者使用分辨率較高的中階梯光柵，與一般棱鏡結合，進(jìn)行交叉色散，可以得到分辨率很高的二維光譜圖，所以可以根據微小光譜儀的本身特點(diǎn)和工作環(huán)境要求來(lái)進(jìn)行設計。
微加工技術(shù)的發(fā)展以及MEMS、MOEMS的出現使許多學(xué)科技術(shù)的研究都朝著(zhù)微驚訝及微小型化的方向發(fā)展，更需要一些特殊條件下（如外星、地下、深海、危險區等）的工作儀器。光譜儀在未來(lái)的新世紀必將出現高度智能化和微型化的趨勢，微型光譜儀可以說(shuō)是微型儀器的一種。微型儀器實(shí)際上是具有儀器功能的MEMS/MOEMS產(chǎn)品，是MEMES技術(shù)的實(shí)際應用。微型儀器的核心技術(shù)之一是微型傳感技術(shù)，采用各種新原理、新概念的各類(lèi)傳感器是實(shí)現微型儀器的關(guān)鍵和必要條件�，F在儀器朝著(zhù)微小型化、智能化的發(fā)展使我們又面臨一個(gè)新的考驗，也是我們發(fā)展的一個(gè)機遇。
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