调制光谱仪的微型化研究进展

　　1　引言

　　光谱仪器是对物质的光谱重要特征进行精细分析的装置,是分析物质组成成分以及结构的强有力的工具。近年来,各种光谱仪器已广泛应用于环境监测、化学分析、生物医学、国防和光电子功能材料等科研领域[1~4]。微型光谱分析仪具有许多大型甚至小型光谱仪所不具备的优点,如体积小、重量轻、探测速度快、可集成化、可批量制造、可用于二次开发以及成本低廉等,并且在光谱成像与探测等方面有较大的潜力,因而应用前景十分诱人[5,6]。

　　近几年来,微光机电系统(MOEMS)理论与技术的发展和日益成熟使光谱仪的微型化研究进展非常迅速,目前已经报道了许多基于各种原理的微型化光谱仪:基于新型滤波技术光谱仪[7]、光纤光谱仪[8]、微加工光栅光谱仪[9]、可调谐F-P滤波光谱仪[10,11]和基于调制原理的微型光谱仪[12~26]等。现有的绝大多数微型光谱仪仍采用经典光谱仪原理,通过减小入射狭缝孔径和加光阑等手段来满足化学分析、医学分析等对光谱仪分辨率的要求,从而导致光通量和效率严重下降,不利于对一些微弱信号的分析[12]。为了使光谱仪在实现微型化的同时具有高光通量、高分辨率的性能,研究基于调制原理的微型光谱仪器成为越来越迫切的需要。目前,国外研究的基于调制原理的微型光谱仪有傅里叶变换光谱仪(FTS)、哈达玛变换光谱仪(HTS), F-P干涉光谱仪等。

　　2　微型傅里叶变换光谱仪

　　FTS可以分为时间调制和空间调制两种调制形式。时间调制型FTS通过系统中可动部件的移动来产生时间序列干涉图;而空间调制型FTS是通过在空间不同点产生具有不同光程差的干涉光信号来实现调制的。

　　2.1　基于Michelson干涉仪的微型FTS

　　基于Michelson干涉仪的时间调制微型FTS的动镜驱动方式有热电驱动[13]、电磁驱动[14]以及静电梳驱动等[15]。

　　2006年,美国德克萨斯州立大学J.Sin等[13]利用硅微机械加工和组装工艺实现了单片集成Michelson扫描干涉微光学系统。如图1(a)所示,它是在一片硅衬底上通过深层反应离子刻蚀工艺将线性动镜平移台、分束器、反射镜和组装槽集成在一起,热电驱动器驱动动镜的线性平移,并且利用一个行程放大器放大扫描镜的扫描振幅,图1(b)为其驱动器的结构示意图。该系统尺寸仅为5 mm×4.5mm,在22 V的驱动电压下,扫描镜最大位移可以达到30μm,可以在775 nm波段获得10 nm的分辨率。为了得到更大的位移以获取高的分辨率,还需要对驱动机制及结构与镜子的精密对准进行进一步的研究。

　　U.Wallrabe等[14]也对时间调制的微型光谱仪进行了研究,其基本结构与图1(a)基本相同,所不同的是该系统利用电磁驱动器来推动扫描镜,整个系统集成在尺寸为11.5 mm×9.4 mm的硅片上,如图2所示。两个线圈构成两个磁回路,其中一个线圈拉动活塞向分束器运动,另一个线圈拉动活塞向相反方向运动,在1 540 nm下得到的光谱分辨率为24.5 nm。该结构的优点在于动镜能够实现较大的位移,它的驱动器可以用LIGA技术来实现[15],通过复制技术来降低批量生产成本。