CN114397261A - 一种傅里叶红外光谱仪及其应用 - Google Patents

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Abstract

本发明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。

Description

一种傅里叶红外光谱仪及其应用
技术领域
本发明公开了一种傅里叶红外光谱仪及其应用，属于光谱分析技术领域。
背景技术
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***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***、准直***、色散***、成像***和接收***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。
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***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。
发明内容
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。
本发明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；
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。
优选地，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。
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。
优选地，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。
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；
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。
优选地，所述测量模块包括第一衍射光栅和第二衍射光栅；
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；
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。
优选地，所述测量模块还包括第一透镜和第二透镜；
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；
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。
优选地，所述干涉图样生成模块包括马赫曾德干涉仪；
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。
本发明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。
本发明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：
本发明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，本发明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。
另外，本发明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
图1为本发明实施例提供的傅里叶红外光谱仪的结构示意图。
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
以下描述中，为了说明而不是为了限定，提出了诸如特定***结构、技术之类的具体细节，以便透彻理解本发明实施例。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发明。在其它情况中，省略对众所周知的***、装置、电路以及装置的详细说明，以免不必要的细节妨碍本发明的描述。
本发明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；
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。
本发明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，本发明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。
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；
输入直波导的输入端接收红外激光；
环形波导从输入直波导上耦合红外激光，并将其转化为频率梳从输出直波导的下载端输出至测量模块2。
本发明实施例中的测量模块2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3。
其中，测量模块2包括第一衍射光栅21和第二衍射光栅22；
第一衍射光栅21设置于微环谐振器12的下载端，用于将微环谐振器12下载端处的频率梳发射至被测区内的被测物质5，被测物质5吸收红外光后形成特定的红外光谱并反射；
第二衍射光栅22设置于干涉图样生成模块3的输入端，用于收集被测物质5吸收后的红外光谱，并将红外光谱传输至干涉图样生成模块3。
为进一步提高频率梳的利用率及确保干涉图样生成模块3能够接收足量的被测物质5吸收后的红外光谱，本发明实施例的测量模块2还包括第一透镜23和第二透镜24；
第一透镜23设置于第一衍射光栅21的出光路径上，用于将第一衍射光栅21出射的频率梳转化为平行出射的频率梳，以此确保频率梳全部照射在被测物质5上。
第二透镜24设置于被测物质5吸收后的红外光谱的传输路径上，用于将被测物质5吸收后的红外光谱聚焦于第二衍射光栅22上。
本发明实施例中的干涉图样生成模块3用于根据红外光谱生成干涉图样。干涉图样生成模块3可以为马赫曾德干涉仪、迈克尔逊干涉仪和法布里珀罗干涉仪中的一种，由于马赫曾德干涉仪不带纤端反射镜，不存在回波干扰的优点，因此，本发明实施例中的干涉图样生成模块3使用的马赫曾德干涉仪。具体地，马赫曾德干涉仪的输入端与第二衍射光栅22相接，接收被测物质5吸收后的红外光谱，然后通过电调制改变马赫曾德干涉仪两臂的折射率从而形成不同的干涉图样并存储。
本发明实施例中的傅里叶红外光谱仪还包括光谱模块(图中未示出)，光谱模块用于对干涉图样进行傅里叶逆变换，得到被测物质的光谱。
进一步，本发明实施例中的傅里叶红外光谱仪还包括光电探测器4，光电探测器4的输入端与干涉图样生成模块3的输出端连接，光电探测器4的输出端与光谱模块的输入端连接，用于探测干涉图样并将其输出至光谱模块，从而得到被测物质的光谱。
为使本发明实施例的傅里叶红外光谱仪结构稳定且紧凑，从而便于携带及使用，本发明实施例还将频率梳生成模块1、测量模块2、干涉图样生成模块3和光电探测器4均集成于同一块芯片上，从而形成片上集成的傅里叶红外光谱仪，其所使用的芯片优选为硅片。片上集成的傅里叶红外光谱仪结构紧凑，没有移动部件，且分辨率更高，可靠性更高。
本发明实施例的傅里叶红外光谱仪的工作过程为：红外激光器发出的红外激光耦合进微环谐振器，输出光学频率梳(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)，由第一衍射光栅发射，经过第一透镜进入被测区，被测区内的被测物质吸收红外光后形成特定的红外光谱，由第二透镜聚焦后，被第二衍射光栅收集进入马赫曾德干涉仪，通过电调制改变马赫曾德干涉仪两臂的折射率形成不同的干涉图样，由光电探测器探测，再经过光谱模块进行傅里叶逆变换输出所测光谱。
本发明的第二方面提供了一种上述傅里叶红外光谱仪尤其是片上集成的傅里叶红外光谱仪在可穿戴设备中的应用。
本发明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，本发明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。
另外，本发明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。
以上所述，仅是本申请的几个实施例，并非对本申请做任何形式的限制，虽然本申请以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限制本申请，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本申请技术方案的范围内，利用上述揭示的技术内容做出些许的变动或修饰均等同于等效实施案例，均属于技术方案范围内。

Claims (9)

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。
6.根据权利要求4所述的傅里叶红外光谱仪，其特征在于，所述测量模块包括第一衍射光栅和第二衍射光栅；
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；
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。
7.根据权利要求6所述的傅里叶红外光谱仪，其特征在于，所述测量模块还包括第一透镜和第二透镜；
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；
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。
8.根据权利要求7所述的傅里叶红外光谱仪，其特征在于，所述干涉图样生成模块包括马赫曾德干涉仪；
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。
9.一种如权利要求1-8任一项所述的傅里叶红外光谱仪在可穿戴设备中的应用。
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