一种采用微硅片狭缝的新型微小型光纤光谱仪

　　1　引　言

　　光谱仪是光学仪器的重要组成部分之一,是对物质的结构和成分进行测量和分析的基本设备,具有分析精度高、测量范围大、速度响应快等优点,广泛应用于医学、化学、地质学、物理及天文学等学科的研究中。微小型光纤光谱仪集成了各学科领域的先进技术成果,例如光谱技术、微机械技术、高效光敏材料、半导体制冷技术、光纤精密定位技术、微光学元件加工技术、精密加工技术、CCD耦合技术、高速度A/D转换技术、计算机控制技术和高速电子集成电路技术等[1]。作为MOEMS的一种,微小型光纤光谱仪具有许多大型光谱仪所不具备的优点,如质量轻、体积小、探测速度快、使用方便、可集成化、可批量制造以及成本低廉等[2]。采用线阵探测器阵列方式的光谱仪为全固态安装,没有机械传动,延长了使用寿命;减小传统倍增管探测方式仪器的体积,提高了定位精度[3]。本文将微小型光纤光谱仪应用于医用生化分析仪器中并制造出了便携式生化分析仪,该仪器相对传统的大型生化分析仪具有体积小、携带方便、价格低、易于家庭化普及等优点,具有巨大的市场前景。在研究便携式生化分析仪时,其分辨率是非常重要的因素,我国和世界各国药典规定用于药检和生化分析的紫外可见光分光光度计的光谱带宽要小于2 nm[4]。本文结合MEMS微机电系统技术为光谱仪制造出了微硅片狭缝,并将其用于微小型光纤光谱仪中,通过理论计算和实验验证微硅片狭缝对微小型光纤光谱仪分辨率的影响,进一步对微小型光纤光谱仪光谱带宽和像元分辨力进行了讨论,为光谱仪波长的标定提供了一种理论依据,给出了通用波长标定公式。

　　2　系统的组成和分析

　　本系统采用的是小型折叠Czerny2Turner结构,这种结构比较容易通过内部集成光阑来抑制杂散光,并且可以使得系统结构紧凑。它是将狭缝入射的光信号通过色散系统,按波长由小到大(或由大到小)的顺序沿垂直于狭缝的方向分开,并将色散后的光线聚焦到输出焦平面上。主要的部件有微硅片狭缝、准直系统、色散系统(光栅)和聚焦系统。光线经引导光纤进入入口,经过微硅片狭缝对光线进行控制,使光束宽度按要求的宽度入射到准直反射镜M1上,准直反射镜把光线准直后入射到光栅G上进行分光,分光后的光束再照射到成像反射镜M2上,成像在出口探测器光敏面上。在准直反射镜M1处的一侧加设集成渐晕光阑,去掉像差较大的一部分光束[5]。

　　2.1　微硅片狭缝

　　狭缝是光谱仪的重要组成部分,狭缝的宽度直接影响光谱仪系统的分辨率,狭缝的高度直接影响光谱仪的探测强度。传统光谱仪狭缝是采用机械方法加工的,具有体积大、加工困难、装调复杂等缺点。若仍然采用机械加工的方法加工和装配狭缝,会使得光谱仪的体积增大,装配更加复杂,很难装配出理想微小型光纤光谱仪,更难应用于便携式生化分析仪中。采用微机械加工工艺加工出的硅片狭缝具有体积小、质量轻、价格低廉、适宜批量化生产等优点。系统的分辨率直接受狭缝宽度的影响,利用微机械加工工艺加工的硅片狭缝孔的宽度可以在1~100μm内任意选择,完全满足系统分辨率对狭缝宽度的要求。硅片狭缝的另一个优点是超薄型,由于采用硅片,其支撑膜的厚度可以在2~100μm内选择。硅片狭缝的刀口的平直度必须很好才能满足系统的要求。图2是微硅片狭缝的图片,其中(a)是微硅片狭缝的三维立体图,是本系统设计的模型;图(b)、(c)、(d)分别是在扫描电子显微镜下观察的微硅片狭缝的图片;图(b)为微硅片狭缝的下表面图,放大倍率是37.4倍,可看出狭缝在低倍率扫描电镜下是非常平直的缝隙;(c)图是微硅片狭缝底面的倾斜视图,放大倍率是3000倍,可以看出狭缝的侧面非常平整;(d)图是微硅片狭缝的正面视图,放大倍率是700倍,可以看出狭缝的2个刀口的平直性很好。