集成的基于可调谐耗散型微盘的中红外光谱仪及检测方法

本发明涉及光谱仪的，更具体地，涉及集成的基于可调谐耗散型微盘的中红外光谱仪及检测方法。

背景技术：

1、光谱仪是一种用于测量物质的光谱特性的科学仪器，通过将光分解成其波长组成的成分，可以得到物质的光谱信息，被广泛运用在物质分析、环境监测、航空航天、医学诊断和药物研发等多个领域。中红外波段(2～20um)包含了多个大气透明窗口，是高光谱成像和遥感的常用波段。例如，可以利用在中红外具有光吸收的性质实现可视化温度测量。与近红外相比，分子在中红外波段有更加强烈的光谱吸收峰，例如有害气体co(4.5um)、ch4(3.25～3.45um)、so2(7.14～7.52um)等，所以中红外波段也被称为“分子指纹区”，中红外光谱分析技术的发展对人类生活有着深远影响。

2、随着光谱分析领域的快速发展，人们对光谱仪尺寸、成本和功耗的要求日益提高。传统实验室台式光谱仪系统都具有体积庞大的光学元件、运动部件和较大的路径长度、使用复杂，且需要较长的测量时间。虽然其在光谱分辨率和宽光谱方面有着难以比拟的优势，但是体型硕大、笨重、难以携带的缺点也极大限制了光谱仪的应用领域。自20世纪90年代初以来，随着微纳技术、mems技术和计算机技术的不断发展，人们开始尝试将光谱仪的尺寸缩小到微米或毫米级别，从而产生了微型光谱仪的概念。受传统台式光谱仪的启发，基于色散光学、窄带滤波器和傅里叶变换干涉仪的原理，开发了各种紧凑便携的片上微型光谱仪，但尺寸缩小往往导致分辨率、带宽和信噪比等方面的性能损失，且目前片上微型光谱仪主要针对近红外波段，中红外波段的相关研究非常稀少。

技术实现思路

1、本发明为克服上述现有技术的不足，针对目前片上微型光谱仪分辨率和带宽相互制约的难题，提供集成的基于可调谐耗散型微盘的中红外光谱仪及检测方法。

2、为解决上述技术问题，本发明的集成的基于可调谐耗散型微盘的中红外光谱仪包括：微盘谐振腔、u型波导、输入波导、输出波导、微型加热电极和接触电极；

3、所述微型加热电极和所述接触电极设置在微盘谐振腔上，且所述微型加热电极与所述接触电极连接；

4、所述微盘谐振腔位于u型波导的两直臂之间，且所述微盘谐振腔与u型波导不直接接触，所述u型波导的两直臂分别与微盘谐振腔进行耦合，形成耗散型微盘结构；

5、所述u型波导的一直臂经由其对应的耦合位置与所述输入波导连接，所述u型波导的另一直臂端经由其对应的耦合位置与所述输出波导连接。

6、本发明还提出了集成的基于可调谐耗散型微盘的中红外光谱仪的检测方法，基于上述的集成的基于可调谐耗散型微盘的中红外光谱仪实现，所述方法包括以下步骤：

7、通过接触电极对微型加热电极施加若干个加热功率对所述中红外光谱仪进行标定，得到若干个加热功率对应的微盘谐振腔的若干个透射率，进而得到光谱响应矩阵；其中，所述光谱响应矩阵的每一行表示在每一加热功率下不同光波长的透射率，每一列表示每一光波长在不同加热功率的透射率；所述光谱响应矩阵的行数表示采样通道数目，也表示加热功率的数目，所述光谱响应矩阵的列数表示波长通道数目；

8、将待测光谱输入所述中红外光谱仪，对微型加热电极施加与标定过程相同的功率，得到待测光谱对应的光电流，所述光电流的表达式包括：

9、ii×1＝ti×jφj×1

10、式中，i表示光电流，其值已知，t表示光谱响应矩阵，φ表示待测光谱，其值未知，i表示采样通道数目，j表示波长通道数目；

11、基于所述光电流，采用正则化算法重构待测光谱，得到待测光谱的检测结果。

12、本发明还提出了计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器中存储有计算机可读指令，所述计算机可读指令被所述处理器执行时，使得所述处理器执行上述的集成的基于可调谐耗散型微盘的中红外光谱仪的检测方法的步骤。

13、与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果是：

14、光通过输入波导输入中红外光谱仪，一部分光在输入波导与微盘谐振腔耦合的位置耦合进入微盘谐振腔，满足谐振条件的光将在透射谱上形成谐振峰，另一部分没有耦合进入微盘谐振腔的光将沿着u型波导传输至输出波导与微盘谐振腔耦合的位置，同时微盘谐振腔中的光也在此耦合，在此耦合位置的光与来自u型波导的光发生干涉，最后通过输出波导输出；微盘谐振腔和u型波导之间存在相位差，微型加热电极和接触电极的作用在于通过加热微盘谐振腔改变其折射率，进而改变相位差，使得透射谱上谐振峰的谐振波长、线宽和消光比发生变化，进而构成的光谱响应矩阵能够对未知光谱进行有效采样和检测，最后通过算法重构出未知光谱。该发明能够克服片上微型光谱仪的分辨率和带宽相互制约的难题，实现高分辨率和大带宽的中红外光谱检测分析。

技术特征：

1.集成的基于可调谐耗散型微盘的中红外光谱仪，其特征在于，包括：微盘谐振腔、u型波导、输入波导、输出波导、微型加热电极和接触电极；

2.根据权利要求1所述的集成的基于可调谐耗散型微盘的中红外光谱仪，其特征在于，所述微盘谐振腔与u型波导的一直臂之间的耦合距离等于所述微盘谐振腔与u型波导的另一直臂之间的耦合距离。

3.根据权利要求1所述的集成的基于可调谐耗散型微盘的中红外光谱仪，其特征在于，所述微盘谐振腔与所述u型波导之间的耦合方式包括：点耦合。

4.根据权利要求1所述的集成的基于可调谐耗散型微盘的中红外光谱仪，其特征在于，所述微盘谐振腔与所述u型波导之间的相位差δφ的表达式为：

5.根据权利要求1所述的集成的基于可调谐耗散型微盘的中红外光谱仪，其特征在于，所述微盘谐振腔的透射率t的表达式包括：

6.根据权利要求1～5任一项所述的集成的基于可调谐耗散型微盘的中红外光谱仪，其特征在于，微盘谐振腔、u型波导、输入波导和输出波导均为硫系材料。

7.根据权利要求1～5任一项所述的集成的基于可调谐耗散型微盘的中红外光谱仪，其特征在于，微盘谐振腔、u型波导、输入波导和输出波导均设置于衬底上，所述衬底及覆盖在衬底上的包层均采用中红外透明材料。

8.集成的基于可调谐耗散型微盘的中红外光谱仪的检测方法，所述方法基于权利要求1～7任一项所述集成的基于可调谐耗散型微盘的中红外光谱仪实现，其特征在于，包括以下步骤：

9.根据权利要求8所述的集成的基于可调谐耗散型微盘的中红外光谱仪的检测方法，其特征在于，所述正则化算法的表达式为：

10.计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器中存储有计算机可读指令，其特征在于，所述计算机可读指令被所述处理器执行时，使得所述处理器执行如权利要求8或9所述集成的基于可调谐耗散型微盘的中红外光谱仪的检测方法的步骤。

技术总结本发明涉及光谱仪的技术领域，提出集成的基于可调谐耗散型微盘的中红外光谱仪，包括：微盘谐振腔、U型波导、输入波导、输出波导、微型加热电极和接触电极；所述微型加热电极和所述接触电极设置在微盘谐振腔上，且所述微型加热电极与所述接触电极连接；所述微盘谐振腔位于U型波导的两直臂之间，且所述微盘谐振腔与U型波导不直接接触，所述U型波导的两直臂分别与微盘谐振腔进行耦合，形成耗散型微盘结构；所述U型波导的一直臂经由其对应的耦合位置与所述输入波导连接，所述U型波导的另一直臂端经由其对应的耦合位置与所述输出波导连接。技术研发人员：王大伟,李路亚,徐奕,李朝晖受保护的技术使用者：中山大学技术研发日：技术公布日：2024/9/12