[发明专利]基于磁流体的可编程光纤光栅光谱仪

说明书

本发明提供的是一种基于磁流体的可编程光纤光栅光谱仪。其特征是：它由光源1、三端口光纤环行器2、基于磁流体的可编程光纤光栅3、光束准直器4、聚焦透镜5、探测器6、读出电路7和数据处理系统8组成。本发明可用于检测物质的光谱特征，从而获取物质的成分信息；可广泛用于生物医学、石油工业和环境科学等领域。

(一)技术领域

本发明涉及的是一种基于磁流体的可编程光纤光栅光谱仪，可用于检测物质的光谱特征，从而获取物质的成分信息；广泛应用于生物医学、石油工业和环境科学等领域，属于光谱测量技术领域。

(二)背景技术

光谱仪是进行光谱学研究与物质光谱分析的仪器，通过应用光学技术和光谱技术原理可以完成光成分的分析、物质结构和成分的鉴定和物质材料光学属性的测量，是光学仪器的重要组成部分，是光谱和光谱分析学中最基本的分析工具，具有测量速度快、测量范围大和样品用量少等优点。光谱仪目前已经广泛地应用于各种光学检测，比如生物化学分析、天文研究、食品工业、环境保护和资源水文勘测等领域。

近几十年来，随着光电子学、计算机技术、信息处理技术和先进加工技术等不断的发展，光谱仪的性能也在不断的提高，与此同时其适用领域也在不断的扩增，例如：能够完成对物体辐射的研究，对物质定量和定性的光谱分析、对物质结构以及其能级分布和变化的研究，特别是微处理技术的应用，光谱仪逐渐向着高精度、自动检测、高分辨率和人工智能化等方向发展。

虽然光谱仪种类繁多，但是光谱仪具有大致相同的基本组成，包括：光源和照明系统、色散系统以及探测接收系统，对应不同类型的光谱仪，根据其工作原理的不同，组成部分也有不同。对于经典色散光谱仪和其他基于狭缝的光谱仪来说，除基本的三个基本组成部分外，还有准直系统和聚焦系统；对于不是基于狭缝入射的光谱仪，则不需要面向狭缝的准直系统，同时其聚焦系统也不用于色散光的会聚成像。

对于基于光栅色散的光谱系统，该系统是以衍射光栅作为色散系统的核心元件，一般的光栅是在玻璃平面或者曲面上划刻的一系列刻痕所形成的元器件，刻痕为不透光部分，两刻痕之间光滑部分可以透光，相当于一个狭缝。一般的光栅按工作方式可以分为透射光栅和反射光栅。对于普通的光栅来说，目前的加工技术在保证极高的单位刻线数和划刻面积的同时，还能保证其能够工作在全光谱范围内。光栅以其极高的性能以及广泛的适用性成为光谱系统最为常见的系统元件。

在实际应用中，传统的光谱仪由于体积大和价格昂贵，目前多适用于实验室研究或其他专业用途，其中光谱仪较大的体积限制了其在航天航空领域的应用，而昂贵的价格则限制了其在基础民用方面的应用等，同时，这些因素也阻碍了光谱仪的多功能和多方面应用。

目前光谱仪体积较大的原因是：由于要用到空间光分光的器件，如棱镜或者光栅等，空间分光会使得实际应用对光谱仪的整体稳定性要求比较高，因为抖动、温度和应变等会造成空间分光器件的位置产生相对变化，影响光谱仪的分光效果。

与此同时，现有的光谱仪进行分光之后，需要用探测器阵列来读取光谱信息，探测器阵列的使用大幅增加了光谱仪的制造成本和体积，同时也增加了光谱仪的设计复杂程度。

经过对比专利和文献，发现不曾有人利用基于磁流体的可编程光纤光栅作为色散器件，从而达到分光的目的，进而制造出一种新型光谱仪。

本发明公开了一种基于磁流体的可编程光纤光栅光谱仪。检测物质的光谱特征，从而获取物质的成分信息；可广泛应用于生物医学、石油工业和环境科学等领域。该发明将基于磁流体的可编程光纤光栅作为色散系统的核心器件，利用磁流体在外界磁场作用下，其内部折射率可以发生变化的特点，实现对光纤光栅周期的控制，通过多次改变光纤光栅的周期，使得光纤光栅将入射光信号中不同波长的光信号反射至探测器，使用单个探测器探测得到不同波长对应的光强，从而制作出高集成化，损耗小的光谱仪，可适用于复杂多变的环境和不同领域之中。

(三)发明内容

本发明的目的在于提供一种集成度高、可靠性高、损耗小、环境适应性强以及造价便宜的基于磁流体的可编程光纤光栅光谱仪。