CN112033539A - 一种新型透射型光纤光栅光谱仪 - Google Patents

Abstract

本发明提供的是一种新型透射型光纤光栅光谱仪。其特征是：它由光源1、透射型光纤光栅2、重力块3、重力控制系统4、光束准直器5、聚焦透镜6、探测器7、读出电路8和数据处理系统9组成。本发明可用于对物质光谱特征的检测，从而可以观测到物质的成分和结构，可广泛用于生物化学分析、工业自动检测和食品工业等领域。

Description

一种新型透射型光纤光栅光谱仪

(一)技术领域

本发明涉及的是一种新型透射型光纤光栅光谱仪，可用于对物质光谱特征的检测，从而可以观测到物质的成分和结构，可广泛用于生物化学分析、工业自动检测和食品工业等领域。

(二)背景技术

光谱是复色光经过色散系统分光后，被色散分开的单色光按波长或者频率大小而依次排列的谱线图案。根据物质的光谱来分析鉴别物质和确定该物质的化学成分和相对含量的方法称为光谱分析。换言之，光谱分析技术是应用光学原理，对物质的结构和成分进行测量和分析的一门技术，该技术在科学工作中应用极为广泛，被经常用来解决物理学、生物化学、科技农业、地球物理学和其他相关学科中的基础问题和应用问题。

光谱仪作为光谱分析技术中不可或缺的工具，是一种分析、测定光辐射的频率、强度特性以及变化规律的仪器，它的原理是根据光的色散原理、衍射原理或光学调制原理，将不同频率的光按照一定的规律分解开形成光谱。通过光谱仪对被测物质结构观测、分析和处理，可以完成对光辐射的频率和强度进行测定和分析，光谱仪具有测量范围大、分辨率高、速度高和样品用量少等优点，广泛的应用于现代科学实验、医学和医药研究、生物研究、石油化工、环境保护、宇宙探索、资源和水文勘测等领域。

实现光谱仪功能需满足以下步骤：1、把被研究的光按照波长或波数分解开来；2、测定各波长的光所具有的能量，从而确定谱线的轮廓或者宽度；3、把分解开来的光波及其强度按照波长的分布记录和显示，成为光谱图。要具备以上功能，光谱仪的组成一般包括：光源和照明系统，准直系统、色散系统、聚焦系统、检测记录和显示系统。

目前光谱仪种类繁多，具有多种不同的分类方式，根据测量光谱原理不同可分为反射光谱仪、吸收光谱仪、散射光谱仪和荧光光谱仪，根据色散原件以及分光原理可以分为棱镜光谱仪、光栅光谱仪和干涉光谱仪，根据仪器波长范围的不同可以分为真空紫外(远紫外)光谱仪、紫外光谱仪、可见光光谱仪、近红外光谱仪和远红外光谱仪。

其中光栅光谱仪是一种使用非常普遍的光谱仪，它具有色散均匀、分辨率高、能量集中和光谱范围宽等特点。光栅是将复合光通过多缝衍射原理分解为单色光的光学元件，一般的光栅是在玻璃上刻出大量平行、等宽和等距的刻痕，刻痕为不透光部分，两刻痕之间的光滑部分可以透光，相当于一个狭缝。单位面积内刻痕越多，光栅的色散度越大，光栅的分辨本领由单位面积内的刻痕多少决定。光栅可以分为反射光栅和透射光栅，其中利用透射光衍射的光栅称为透射光栅，利用反射光衍射的光栅称为反射光栅。

目前光栅光谱仪在众多的生产和科研领域均有应用，市场需求量较大，随着各领域的进一步发展，光谱仪的需求也会进一步增加。虽然目前国内外的光谱仪种类繁多，尤其是衍射光栅的应用，光谱仪的分辨率和光强都有所提高。但是在目前使用的光谱仪中，色散系统主要是两种类型，分别是基于平场全息凹面光栅的光学系统以及基于平面光栅的光学系统，其中基于平场全息凹面光栅的光学系统只包含一个光学器件(平场全息凹面光栅)，虽然结构较为简单，但是其加工成本高，并且以其为色散系统的光谱仪效率低；基于平面光栅的光学系统被广泛地应用于大多数光谱仪系统，由狭缝、准直镜、平面光栅和成像镜等原件组成，但是该色散系统元器件使用较多，而且色散元器件对仪器的整体稳定性的要求较高，因为抖动、温差等原因会造成色散系统分光期间的位置发生相对变化，影响色散器件的分光效果，使得光谱仪的体积变大；同时由于探测阵列的使用，使得了光谱仪的设计难度大幅提高，增加了光谱仪的成本，能量损耗大。所以以往绝大多数光谱仪均局限与实验室和大型工程的应用中，在民用领域中应用很少，限制了其应用。

为了解决光谱仪体积大，能量损耗大、成本高昂等问题，本发明使用了重力控制系统，通过在透射型光纤光栅表面施加外力作用来改变光纤光栅的透射中心波长，使得在施加不同重力下光纤光栅中透射出去的光波长不同，同时使用单个探测器来得到透射中心波长对应的光强，经过多次测量后得到完整波段的光谱图，这种方法大大降低了光谱仪的成本，同时具有能耗小、体积小等优点。经过对比专利和文献，目前不曾有人使用过该方法制作光谱仪。

本发明公开了一种新型透射型光纤光栅光谱仪。可用于物质光谱特征的检测，从而可以观测到物质的成分和结构，可广泛用于大生物化学分析、工业自动检测和食品工业等领域。本发明利用光纤光栅光谱仪具有色散均匀、分辨率高、能量损耗小和体积小等特点，通过使用重力控制系统改变施加在透射型光纤光栅表面上的重力大小，从而改变该透射型光纤光栅的透射中心波长，使得在透射中心波长该波段的光发生透射，其余波长的光均发生反射。与此同时，该系统使用单个探测器，节约了成本，减少了光谱仪的体积，经过多次改变重力控制系统后，可以得到波长和其强度分布一一对应的光谱图。

(三)发明内容

本发明的目的在于提供一种体积小、功耗低、集成度高和操作简单的新型透射型光纤光栅光谱仪

本发明的目的是这样实现的：

一种新型透射型光纤光栅光谱仪，其特征是：它由光源1、透射型光纤光栅2、重力块3、重力控制系统4、光束准直器5、聚焦透镜6、探测器7、读出电路8和数据处理系统9组成。所述系统中封装好的透射型光纤光栅2表面上放置一个重力块3，通过重力控制系统4可以改变重力块3施加在透射型光纤光栅2上的重力大小。光源1发出的光束经由传输光纤入射至透射型光纤光栅2中，波长处于透射型光纤光栅2透射中心波长波段的光经由每个光栅面透射后，形成的聚集光束通过传输光纤输入至光束准直器5，经准直后的光束由聚焦透镜6聚焦至探测器7。探测器7将探测到的光信号转换为电信号，读出电路8将电信号读出并传输至控制和数据处理系统9处理得到与透射中心波长对应的光强。通过多次改变施加在透射型光纤光栅上的重力来改变透射中心长波长，并将不同透射中心波长和相对应的光强记录，得到光谱图。

光源1需要具有较强的辐射强度、良好的稳定性和寿命长等特点，光源1发出光束通过传输光纤入射至透射型光纤光栅2中，只有处于该光纤光栅的透射中心波长波段的光在其每个光栅面上透射，其余波长的光会发生反射。

重力控制系统4通过放置在封装好的透射型光纤光栅2表面上的重力块3改变施加在光纤光栅表面上的重力，从而改变该光纤光栅的透射中心波长，经由透射型光纤光栅2的每个光栅面上透射后的光经由传输光纤输入至光束准直器5，经准直后的光束由聚焦透镜6聚焦至探测器7上。

探测器7可以是单个光电倍增管或者雪崩光电二极管，这种探测器稳定性高，具有极高的灵敏度，可以探测极为微弱的光信号并将其转化为电信号输入至读出电路8。

读出电路8需要根据不同的探测器类型进行选择，比如探测器7选用雪崩光电二极管，当探测器7处于单光子探测模式时，读出电路8为猝灭电路；当探测器7处于线性模式时，读出电路8为跨阻放大电路。

读出电路8将读出的电信号送至输出处理系统9，数据处理系统9将电信号处理后得到透射型光纤光栅2的透射中心波长对应的光强值，并进行一一对应的记录。

在该系统中，通过重力控制系统4多次改变施加在透射型光纤光栅2表面重力的大小，使得透射型光纤光栅2的透射中心波长发生相应的改变，之后将从该光纤光栅中透射过去的波长和得到的光强相对应交由数据处理系统9进行处理并记录，最后形成光谱图。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的发明效果：

本发明通过重力控制系统4可以控制放置在透射型光纤光栅2表面上的重力块3，从而控制在该光纤光栅表面的重力大小，进而使得透射型光纤光栅2的透射中心波长发生变化，根据透射型光纤光栅的特点，只有在其透射波长中心波段的光才可以透射，其他波长的光发生反射。也就是说通过多次改变重力控制系统4，使得施加在透射型光纤光栅2表面的重力发生变化，从而得到不同波长相对应的光强，经过数据处理系统9便可以得到波长和其光强一一对应的光谱图，同时单个探测器7的使用也使得成本降低。该光谱仪具有体积小、功耗低、性能稳定和成本低，可在复杂多变的环境下使用等优点。

(四)附图说明

图1是新型透射型光纤光栅光谱仪的结构示意图。由光源1、透射型光纤光栅2、重力块3、重力控制系统4、光束准直器5、聚焦透镜6、探测器7、读出电路8和数据处理系统9组成。

图2是新型透射型光纤光栅光谱仪的实施例。由光源21、透射型光纤光栅22、重力块23、重力控制系统24、光束准直器25、聚焦透镜26、探测器27、读出电路28和数据处理系统29组成。

(五)具体实施方式

下面结合具体的实施例来进一步阐述本发明。

图2给出了新型透射型光纤光栅光谱仪的实施例。该系统由光源21、透射型光纤光栅22、重力块23、重力控制系统24、光束准直器25、聚焦透镜26、探测器27、读出电路28和数据处理系统29组成。所述系统中封装好的透射型光纤光栅2表面上放置一个重力块3，通过重力控制系统4可以改变重力块3施加在透射型光纤光栅2上的重力大小。光源1发出的光束经由传输光纤入射至透射型光纤光栅2中，波长处于透射型光纤光栅2透射中心波长波段的光经由每个光栅面透射后，形成的聚集光束通过传输光纤输入至光束准直器5，经准直后的光束由聚焦透镜6聚焦至探测器7。探测器7将探测到的光信号转换为电信号，读出电路8将电信号读出并传输至控制和数据处理系统9处理得到与透射中心波长对应的光强。通过多次改变施加在透射型光纤光栅上的重力来改变透射中心长波长，并将不同透射中心波长和相对应的光强记录，得到光谱图。

本实施例使用的光源系统21为氘灯，它具有稳定性强，寿命长等优点，辐射的是连续辐射谱，波长的范围为165nm-370nm。氘灯发出的光通过传输光纤进入透射型光纤光栅22中。

透射型光纤光栅22的透射中心波长受到外界重力变化的影响，通过重力控制系统24控制放置在封装好的透射型光纤光栅22表面的重力块23，从而使得施加在该光纤光栅上的重力发生变化，进而改变透射型光纤光栅22的透射中心波长。

当施加在透射型光纤光栅22表面的重力为某一特定值时，此时透射型光栅光纤22的透射中心波长为650nm,进入透射型光纤光栅的22波长为650nm的光在该光纤光栅的每个光栅面上发生透射，其余波长的光反射。

经透射的光束经过传输光纤从输入至光束准直器25，经过准直后的反射光束由聚焦透镜23聚焦至探测器27上，探测器27为单个的处于单光子模式下的雪崩光电二极管，它将收集到的光信号转化为电信号并送至读出电路28进行读取，此时读出电路28为淬灭电路，将读出的电信号送至信号处理系统29进行处理，信号处理系统29得到和该波长相对应的光强。

通过重力控制系统24多次改变施加在透射型光纤光栅22表面上的重力，使得透射型光纤光栅22的透射中心波长也发生相应的变化(依次从165nm-370nm)，之后通过探测器系统将得到与波长一一对应的光强，通过数据处理系统29得到完整的光谱图。

Claims (6)

1.一种新型透射型光纤光栅光谱仪，其特征是：它由光源1、透射型光纤光栅2、重力块3、重力控制系统4、光束准直器5、聚焦透镜6、探测器7、读出电路8和数据处理系统9组成。所述系统中封装好的透射型光纤光栅2表面上放置一个重力块3，通过重力控制系统4可以改变重力块3施加在透射型光纤光栅2上的重力大小。光源1发出的光束经由传输光纤入射至透射型光纤光栅2中，波长处于透射型光纤光栅2透射中心波长波段的光经由每个光栅面透射后，形成的聚集光束通过传输光纤输入至光束准直器5，经准直后的光束由聚焦透镜6聚焦至探测器7。探测器7将探测到的光信号转换为电信号，读出电路8将电信号读出并传输至控制和数据处理系统9处理得到与透射中心波长对应的光强。通过多次改变施加在透射型光纤光栅上的重力来改变透射中心波长，并将不同透射中心波长和相对应的光强记录，得到光谱图。

2.根据权利要求1所述的一种新型透射型光纤光栅光谱仪。其特征是：所述的光源1的作用是为仪器提供稳定的激发能，可以是低压汞灯，也可以是发光二极管、脉冲激光器和氘灯等中的任意一种。

3.根据权利要求1所述的一种新型透射型光纤光栅光谱仪。其特征是：所述的透射型光纤光栅2可以是长周期光纤光栅，也可是光纤布拉格光栅中的任意一种。在该光纤光栅中处于透射中心波长波段的光发生透射，其他波长的光发生反射。

4.根据权利要求1所述的一种新型透射型光纤光栅光谱仪。其特征是：所述的重力控制系统4通过控制重力块3，使得在封装好的透射型光纤光栅2表面上的重力发生变化，从而改变其透射中心波长。

5.根据权利要求1所述的一种新型透射型光纤光栅光谱仪。其特征是：所述的探测器7为单个探测器，可以是光电倍增管和雪崩光电二极管中的任何一种，其功能是将光信号转换为电信号。

6.根据权利要求1所述的一种新型透射型光纤光栅光谱仪。其特征是：所述的读出电路8对探测器7的输出的电信号进行读出，对于处于不同探测模式的探测器7，其读出电路也会发生变化。例如探测器7选用雪崩光电二极管，当雪崩光电二极管处于单光子探测模式时，读出电路为淬灭电路；当雪崩光电二极管处于线性模式时，读出电路为跨阻放大电路。

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