[发明专利]一种具有高分辨率的光谱测量元器件及远场光谱测量方法

说明书

本发明公开了一种具有高分辨率的光谱测量元器件及远场光谱测量方法，测量元器件包括二氧化硅基底层、高低折射率交替光子晶体层、高折射率调制层、低折射率缺陷层。远场待测光源激发元器件表面的布洛赫表面波后，用CCD成像器件记录反射光信号；然后改变元器件表面的环境，再次记录反射光信号。依据上述两次信号差分结果得到空间上不同位置的相对强度分布。再依据CCD成像器件和元器件之间所处的具体几何位置关系以及元器件自身结构的色散关系，将空间上不同位置的相对强度分布换算成波长间的相对强度关系，即远场待测光源的光谱。本发明所述元器件结构小巧易于扩展，所述方法光源信号利用率高、抗噪效果好。

技术领域

本发明涉及光学芯片以及光谱探测领域，尤其涉及一种具有高分辨率的光谱测量元器件及远场光谱测量方法。

背景技术

在工业生产、材料科学、生物医学等相关应用中，光谱探测已经是一种广泛、成熟的技术手段，具有高速、无损等特性，拓宽了诸多研究的应用场景。在环境监测方面，各种光谱成像的过程中，因为光谱可以表征不同环境下的探针信号，对局部物理和化学性质完成分析。在显微领域及分子生物学领域，其可以快速地完成检测，定性、定量地完成分析，有助于识别和阐明多种生物过程。随着应用方向的扩展以及功能的完善，光谱探测也不再局限于实验室内的处理与分析，更多诸如复杂环境下的高速探测、干扰条件下的遥感测量等户外场景应用也对光谱探测仪器的便携性提出了要求。因此，光谱仪的研制也朝着小型化、高光谱分辨率、高采集速度等方向发展。集成化微型光谱仪也因而有着更广泛的应用前景。

如今，随着纳米光子学的发展，已经有多种方法来实现光谱探测的小型化。科研人员利用超小尺寸的微纳结构以及线性方程的求解来完成光谱的反演测算。通过电信号调制、光信号调制或者模式调制等技术，测定不同调制信号的叠加结果，再依据所设计结构对应的反演矩阵，结合优化后的反演算法，来完成初始光谱的反演。通过设计面内精巧的微纳米结构来完成光谱测量范围的级联以及超精细的滤波元件来完成光谱的筛选。最近，基于塔姆结构的光谱探测装置仅仅微米尺寸，在探测近场光谱的同时还可以方便地应用于成像显微镜中；而此后基于纳米线的光谱探测装置进一步将光谱探测元件压缩至微米甚至纳米量级，打破了最小尺寸光谱仪的记录。然而，上述现有的光谱探测器件主要存在的问题为：(1)设备庞大加工复杂，传统光谱仪的高光谱分辨能力依赖于色散元件自身的色散本领，为保证足够高的光谱分辨率，对器件的尺寸和精度都有极高的要求。而微型光谱仪缩小了色散元件的尺寸，却需要复杂繁琐的加工手段和加工技术。(2)光源信号利用率低，狭缝作为色散型光谱仪中的必须元件，保证了光谱仪的分辨率却限制了待测光源的通光量，从而降低了通光本领以及信噪比。(3)速度慢，傅里叶变换型光谱仪通过增加光程差来提高光谱分辨率，需要一定的采集时间，无法满足快速变化的动态光谱测量需要。(4)易受干扰，现有基于光谱反演的计算型光谱解析方法，其十分依赖测量的初始条件，容易受到噪声信号干扰，运算时间长，反演结果误差大。(5)分辨率不够，现有常规便携式光谱仪，减小了器件尺寸以达到便携的要求，但是却牺牲了光谱分辨本领，使其难以再户外、恶劣条件下完成高精度光测量。(6)光谱测量范围有限，现有色散型光谱测量技术多针对于可见光范围内的待测光信号，对于紫外光和红外光范围的光信号需要额外特制的色散元件，产品通用性不强。(7)设备成本高，不易扩展。大型、特制的色散元件价格昂贵，维护成本高。并且设备安置调试好后，不易在其中添加新的光学元件。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供了一种具有高分辨率的光谱测量元器件及远场光谱测量方法，用于识别样品和表征材料。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种具有高分辨率的光谱测量元器件，在厚度方向上依次包括二氧化硅基底层、高低折射率交替光子晶体层、高折射率调制层和低折射率缺陷层。

进一步地，所述光谱测量元器件能够附着在任意类型的光路中以实现布洛赫表面波的激发。

进一步地，所述低折射率缺陷层厚度小于0.5微米。