[发明专利]一种微型光谱测试系统及测试方法

说明书

本发明公开了一种微型光谱测试系统，包括光束准直模块和光电探测模块，其中被测光由光束准直模块进行准直然后投射到光电探测模块；所述光电探测模块包括可旋转的半导体基底层和覆盖在半导体基底层上的金属或类金属材料薄膜，光电探测模块向光面制备成光栅。本发明还公开了一种光谱测试方法，包括步骤：准直待测光谱的光束；转动光电探测模块，记录并分析每个转动角度对应输出的电信号，对应于光谱中波长的光强信息，实现待测光谱中各个波长光的光强信息测试。本发明具有高光谱分辨率、大工作波长范围和高集成度的光谱测试能力。

技术领域

本发明涉及光谱分析领域，特别涉及一种集成式的微型光谱测试系统及测试方法。

背景技术

光谱仪是解析入射光在宽光谱范围内不同波长相对强弱的一种设备，它是科学研究中最为常见的光学检测设备之一，也在光通信、遥感测绘、医药开发、医疗诊断、环境监控、农林业中都有重要应用。根据工作模式分为傅立叶变换红外光谱仪、拉曼光谱仪、光纤光谱仪和分光光度计等。这些系统要么利用光栅或棱镜对入射光进行空间色散，使得不同波长光投射到不同探测器，从而实现光谱信息获取；要么利用机械传动马达控制反射镜移动产生两束分光间的光程差，并利用傅立叶变换把时间域函数干涉图变换为频率域函数图，从而提取光谱信息。这些光谱分析系统的体积都较为庞大，而且内部光路和检测模块复杂，价格昂贵，因此不利于便携式或集成式的应用，例如即时诊疗、马路临检、野外检测等。

为此，科学家们开发了一系列微型光谱分析技术。2008年美国学者在光学仪器国际会议上报道了一种基于片上液晶波导结构的微型光谱分析技术，通过偏压调控液晶折射率，从而改变波导传输相位，获得片上傅立叶光谱分析能力，但受限于片上波导路由的距离光谱分辨率不足；2015年美国学者在《自然》杂志第524卷第67页报道了基于胶体量子点阵列的光谱仪，通过连续调节量子点吸收波长，得到低相关度的系列光谱，并通过算法实现光谱解析，但需要合成大量胶体量子点，并且大阵列的制备非常困难；2017年荷兰学者在《自然·通讯》杂志第8卷第2216页报道了一种基于GaAs衬底的微机电片上光谱仪，通过改变两个共振光子晶体腔的间距实现单波长的连续扫描，从而获得光谱信息，但工作波长范围仅30nm，需要制备非常复杂的双层空气桥结构，而且量子点的光电响应率很低；2017年美国学者在《科学报告》杂志第7卷第40793页报道了一种基于法布里-珀罗标准具滤波器阵列和图像传感器的集成光谱系统，但需要高难度的灰度曝光工艺，并且光学效率受限于标准具上金属镜的反射损耗；2018年瑞士学者在《科学》杂志第360卷第1105页报道了一种基于计算图像技术的光谱分析方法，将窄线宽超材料共振结构阵列芯片通过成像光路与CMOS图像传感器进行组装。

可以看到，以上述例子为代表的现有技术虽然都展现了微型光谱测试系统，但光谱分辨率有限、工作波长范围窄、系统复杂。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种微型光谱测试系统及测试方法，此系统及方法具有高光谱分辨率、大工作波长范围和高集成度的光谱测试能力。

本发明的目的通过以下的技术方案实现：

一种微型光谱测试系统，包括光束准直模块和光电探测模块，其中被测光由光束准直模块进行准直然后投射到光电探测模块；

所述光电探测模块包括可旋转的半导体基底层和覆盖在半导体基底层上的金属或类金属材料薄膜，光电探测模块向光面制备成光栅，也即半导体基底层和金属或类金属材料薄膜被制备成具有光栅结构的肖特基光电管，对不同角度入射的光形成不同波长处的吸收。由于光栅共振吸收波长与被测光的入射角一一对应，因此通过转动光电探测模块，扫描入射角就能测试入射光中不同波长分量的光电流响应，从而提取光谱信息。

所述光电探测模块向光面光栅的制备方法为：在半导体基底层上形成光栅后涂覆金属或类金属材料薄膜；或者在半导体基底层上涂覆金属或类金属材料薄膜，并在金属或类金属材料薄膜上形成光栅；或者在未形成光栅的半导体基底层上依次涂覆金属或类金属材料薄膜、非金属材料层，再在非金属材料层上形成非金属材料光栅。