微型可编程光栅实现光谱模拟的方法研究
1引言
衍射式微光机电系统(而ero一opto一eleetro一meehanieal一system,MOEMS)器件利用光学衍射原理可以对光波信号进行各种调制处理,如光能量的重新分布、方向等调制。可编程相位光栅是最典型的衍射式MOEMS器件之一。由斯坦福大学的玩vidBloom教授提出的光栅光阀(gratinglightvalve,GLV)装置,是早期的可编程衍射光栅模型。美国Sandia国家实验室与Honcywen技术中心联合研制了可编程光栅。可编程光栅技术可应用于许多高新技术领域,如全光网络通信的多频光模拟和分离、互连技术等,可作为微型光谱仪的新颖的色散元件等圈。利用可编程光栅还可以在固定衍射角下模拟目标物质的特征光谱,从而用于相关光谱检测法图等领域中。
相关光谱检测法的基础理论是相对于测量气体调制参考气体的吸收谱线,在此基础上对被检测气体进行分析团。其特点不但是选择性和灵敏度高,而且还可用于遥测遥感领域。利用可编程光栅模拟传统方法中经调制的特征光谱,去代替其中的参考单元,带来了许多传统方法无法比拟的优点:
(1)利用同一个光栅通过编程就可对多种气体成份进行检测;(2)利用可编程光栅可能模拟出一些传统相关检测法无法应用的气体特征谱线,如危险气体,强腐蚀性气体和一些瞬态气体等;(3)可在检测中实时改变光栅模拟出的谱线的特征参数,从而可尽量减少干扰化学成分光谱的影响,提高检测的精度等。
2微型可编程光栅结构原理及衍射特性
可编程光栅的结构如图1所示。微梁未受静电作用时,所有微梁处于同一平面,如图1(a)。当对每个微梁与下电极间施加不同的电压时,可编程光栅的各个微梁在静电场的作用下发生变形。由于每个微梁所处静电场的大小不同,因此其位移量也各自不同,即可编程光栅处于某一特定的编程状态,如图1(b)。
对于这一类型的微型可编程光栅光学性能,特别是衍射特性的分析,一些学者作了很多研究工作。可以用波动光学的理论对可编程光栅的光学衍射特性进行比较详尽的分析圈。同样也可以利用经典光学的光程差理论推导微型可编程衍射光栅的光强公式,对可编程光栅每个衍射单元包含的微梁数以及微梁高度的变化对其衍射特性的影响进行分析困。限于篇幅,现对此不予详述。
3基于微型可编程光栅的光谱模拟
3.1微型可编程光栅用于光谱模拟的原理
该光栅为一维光栅,如图2所示,设光栅由M个宽度为。的微梁构成,图中h‘(t’一1,2,…,对)为对应的微梁单元相对于初始位置的位移量。这些位移量的大小由施加于微梁上的静电驱动电压的大小决定。设入射光为正入射(方向垂直于光栅基底)的复色光,且入射光的振幅也不随其入射位置和波长的变化而变化,那么其衍射场可用式(1)表示明:
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