CN110672205A - 一种基于阵列波导光栅的微型光谱仪装置 - Google Patents
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Abstract
本发明是一种基于阵列波导光栅的微型光谱仪装置，属于微型光谱仪装置的改进和创新技术领域。该装置包括用于支撑和散热的金属底座、用于保护和密封的金属外壳、用于光纤输入的光接口、用于端面耦合的单纤尾纤、用于分光的波导阵列光栅芯片、用于导热的铜片、半导体制冷器、CCD探测器、用于连接CCD探测器和半导体制冷器的电接口。分析复色光通过光接口，由单纤进入光栅阵列波导芯片进行分光，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，可用于可穿戴设备的开发。采用一体化封装，结构更加紧凑。该装置体积小，精度高，价格低，模块化组装，可用于大规模生产。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于阵列波导光栅的微型光谱仪装置，属于微型光谱仪装置的改进和创新。
背景技术
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、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体光学光谱仪，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。
本发明的一种基于阵列波导光栅的微型光谱仪装置，采用阵列波导光栅芯片作为分光器件，减少了复杂的光路设计，大大减小了光谱仪的尺寸，实现了高精度的分光，用于可穿戴设备的开发。采用阵列波导光栅芯片和CCD探测器的一体化封装，结构更加紧凑。采用半导体制冷器补偿环境温度的变化，保证阵列波导光栅芯片精密工作。该装置体积小，精度高，价格低，模块化组装，可用于大规模生产。
发明内容
本发明需要解决的技术问题是：提出一种基于阵列波导光栅的微型光谱仪装置。该装置采用阵列波导光栅芯片作为分光器件，大大减小了光谱仪的尺寸，实现了高精度的分光，用于可穿戴设备的开发；采用阵列波导光栅芯片和CCD探测器的一体化封装，结构更加紧凑；采用半导体制冷器补偿环境温度变换，保证阵列波导光栅芯片精密工作。
本发明的技术解决方案是：
1、该装置采用阵列波导光栅芯片作为分光器件，减少复杂的光路设计，波导芯片的材料不限于二氧化硅波导、硅波导、氮化硅波导、氮氧化硅波导和聚合物波导等类型。
2、该装置采用半导体制冷器补偿环境温度变化，阵列波导光栅芯片采用热膨胀系数一致的导热硅胶安装在导热铜片上，导热铜片通过导热硅脂安装在半导体制冷器上，半导体制冷器通过导热硅脂安装在金属底座上，导热铜片加工有螺纹孔，可安装在金属底座上。
3、该装置采用阵列波导光栅芯片和CCD探测器直接耦合封装，开窗的CCD探测器窗口高度刚好契合阵列波导光栅，通过光学紫外胶对准粘接。
4、该装置金属外壳加工有光接口和电接口，光接口为输入复色光的光纤接口，电接口为CCD探测器和半导体制冷器的驱动供电连接接口，金属底座加工有散热翅，金属底座和金属外壳采用螺钉旋紧，并用环氧树脂胶进行密封。
本发明的有益效果是：
1、该装置采用阵列波导光栅芯片作为分光器件，减少了复杂的光路设计，大大减小了光谱仪的尺寸，实现了高精度的分光，用于可穿戴设备的开发；
2、该装置采用半导体制冷器补偿环境温度的变换，保证阵列波导光栅芯片精密工作；
3、该装置采用阵列波导光栅芯片和CCD探测器直接耦合封装，更加紧凑，结构一体化；
4、该装置采用装有光接口和电接口的金属外壳，兼具散热和保护功能，方便安装集成，功能一体化；
附图说明
图1为本发明的一种基于阵列波导光栅的微型光谱仪装置示意图；
图2为本发明的一种基于阵列波导光栅的微型光谱仪装置三维图；
附图标记：
1是金属底座
2是金属外壳；
3是光接口；
4是单纤尾纤；
5是阵列波导光栅芯片；
6是铜片；
7是半导体制冷器；
8是CCD探测器；
9是电接口；
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和装置等的优点更加清楚，以下结合附图对本发明做进一步详细说明。
参照图1，该装置主要由金属底座（1）、金属外壳（2）、光接口（3）、单纤尾纤（4）、阵列波导光栅芯片（5）、铜片（6）、半导体制冷器（7）、CCD探测器（8）和电接口（9）组成。其中金属底座（1）加工有散热翅，用于整个***的支撑和散热；金属外壳（2）上加工有光接口（3）和电接口（9），用于光信号的输入和电信号的输出，另外起保护和密封作用；阵列波导光栅芯片（5）用于将通过单纤尾纤（4）输入的特定波长范围内的复色光分解为不同的单色光输出；半导体制冷器（7）用以补偿环境温度的变化，确保阵列波导光栅芯片（5）精密工作。
参照图1，特定波长范围内的复色分析光通过金属外壳（2）上的光接口（3），进入到整个***装置中，由单纤尾纤（4）输入到阵列波导光栅芯片（5）中进行分光。光接口（3）为法兰转接口，可以将输入光纤与单纤尾纤（4）连接在一起。单纤尾纤（4）一端为标准的光纤FC接口，另一端为尾纤连接的单纤光纤阵列，单纤尾纤（4）采用有源对准的方法，与阵列波导光栅芯片（5）的输入通道进行端面耦合对准，并采用折射率相匹配的紫外固化胶进行固化，确保特定波长的复色分析光能够完全进入到阵列波导光栅芯片（5）中。
参照图1，特定波长的复色分析光通过阵列波导光栅芯片（5）分解为特定的单色光，单色光按照不同的输出波导通道输出，直接照射到CCD探测器（8）的感光像面上，特定波长的单色光对应特定的感光像元，由光信号转换为电信号并通过电接口（9）与外部电路相连。为了减少阵列波导光栅芯片（5）输出光的发散，采用机械加工的方法，将CCD探测器（8）进行开窗，窗口高度刚好契合阵列波导光栅芯片（5）的厚度。安装时，将阵列波导光栅芯片（5）与CCD探测器（8）接近，但不接触CCD探测器（8）的感光像面，防止感光像元被破坏。两者对准后采用折射率匹配的光学紫外固化胶进行固化，保证其稳定可靠地工作。
参照图1，为了保证阵列波导光栅芯片（5）在恒定的温度下精密工作，该装置还包括了环境温度的补偿装置。阵列波导光栅芯片（5）采用热膨胀系数一致的导热硅胶安装在导热铜片（6）上，导热铜片（6）通过导热硅脂安装在半导体制冷器（7）上，半导体制冷器（7）通过导热硅脂安装在金属底座（1）上，导热铜片（6）加工有螺纹孔，可安装在金属底座（1）上，金属底座（1）加工有散热翅，将热量传导到空气中。
参照图1，整个装置工作流程如下：特定波长范围内的复色分析光通过金属外壳（2）上的光接口（3），由单纤尾纤（4）输入到阵列波导光栅芯片（5）中进行分光，分解后的特定单色光按照不同的输出波导通道输出，直接照射到CCD探测器（8）的感光像面上，特定波长的单色光对应特定的感光像元，由光信号转换为电信号并通过电接口（9）与外部电路相连，经过处理得到光谱。当外界环境温度变化时，半导体制冷器（7）开始加热或制冷，从而保证阵列波导光栅芯片（5）在恒温条件下精密工作。
以上所述，仅为本发明中的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此。任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可理解想到的变换或替换，都涵盖在本发明的包含范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。
Claims (4)
1.一种基于阵列波导光栅的微型光谱仪装置，其特点在于该装置包括用于支撑和散热的金属底座（1）、用于保护和密封的金属外壳（2）、用于光纤输入的光接口（3）、用于端面耦合的单纤尾纤（4）、用于分光的阵列波导光栅芯片（5）、用于导热的铜片（6）、半导体制冷器（7）、CCD探测器（8）和用于连接CCD探测器和半导体制冷器的电接口（9）。
2.根据权利要求1所述的基于阵列波导光栅的微型光谱仪装置，其特征在于金属底座（1）加工有散热翅，金属外壳（2）上设有用于光纤输入的光接口（3）和用于连接CCD探测器（8）和半导体制冷器的电接口（9），金属底座（1）和金属外壳（2）采用螺钉旋紧，并用环氧树脂胶进行密封，保护内部器件。
3.根据权利要求1所述的基于阵列波导光栅的微型光谱仪装置，其特征在于CCD探测器（8）为开窗去除滤光片的CCD探测器（8），窗口高度刚好契合阵列波导光栅芯片（5）的输出端，并采用光学紫外胶粘接。
4.根据权利要求1所述的的基于阵列波导光栅的微型光谱仪装置，其特征在于阵列波导光栅芯片（5）下面安装有温度补偿装置，阵列波导光栅芯片（5）采用热膨胀系数一致的导热硅胶安装在导热铜片（6）上，导热铜片（6）通过导热硅脂安装在半导体制冷器（7）上，半导体制冷器（7）通过导热硅脂粘接在金属底座（1）上，导热铜片（6）加工有螺纹孔，可安装在金属底座（1）上。
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