集成光波导傅里叶变换微光谱仪研究

光谱仪是分析物质成份、结构和含量的主要工具。现有各种桌上型光谱仪利用分离元件对空间自由光束进行操控，体积较大、抗震性较差，性能易受环境影响，不适合携带和现场快速检测。因此，微小型便携式光谱仪成为当今国际社会研究的热点。我们结合前期工作在本项目中提出研究基于集成光波导电光调制技术的傅里叶变换微光谱仪。这种光谱仪集ATR敏感功能、偏振消光功能和电光调制功能于同一光波导芯片，涉及光MEMS技术、光纤耦合技术、傅里叶变换技术和数字信号处理技术。它利用导波光取代了空间自由光束，不含运动部件，不需CCD探测器，具有体积小，重量轻，结构简单，光谱窗口宽，抗干扰能力强等特点，适合于在恶劣条件下现场实时检测。我们将基于光波导理论仿真研究器件的结构和性能，集中研究在光波导色散系统下的傅里叶变换理论和技术，初步研制可见-近红外微光谱仪物理样机，为发展我国下一代光谱仪开辟新途径、奠定基础。

傅里叶光谱技术是分析物质成份、结构及含量的强大工具。现有各种桌上型傅里叶光谱仪体积大，抗振性差，不适合携带和现场快速检测。本项目提出研制基于集成光波导电光调制技术的傅里叶微光谱仪，它不含运动部件和自由空间光束，具有优秀的抗振动和抗环境干扰能力，非常适合复杂环境现场快速检测。我们围绕项目任务进行了深入研究，取得的主要成果包括：（1）仿真分析了不同工艺条件下制得的钛扩散铌酸锂波导折射率分布和光场分布，研究了调制电极之间电场强度的空间分布，为优化设计基于铌酸锂波导的傅里叶微光谱仪提供了理论依据；（2）利用实验室现有设备建立了一套完整的钛扩散LiNbO3集成光波导制备工艺，重复制备出具有推挽调制电极的x-切割、z-传输铌酸锂集成光波导Mach-Zehnder干涉计(MZI)阵列芯片；（3）搭建了单模锥形光纤与铌酸锂波导端面耦合与电压加载和光电探测的实验平台，验证了芯片的电光调制功能；（4）实验获得了市售铌酸锂集成光波导电光调制器的半波电压与波长的定量依赖关系，基于该依赖关系建立了导模色散系统下的傅里叶变换方法，该方法不涉及调制器的几何结构参数和光学参数，利用该方法实现了对单色光光源的波长定位，误差小于1nm，测定了水-酒精混合溶液的近红外吸收光谱；（5）推导出一种严格求解电光调制式静态傅里叶光谱仪分辨率的理论方程，基于该方程的理论值与实验测得的光谱分辨率高度一致；（6）提出利用LiNbO3脊形波导结构增大电光重叠积分因子进而提高傅里叶微光谱仪分辨率的方法，制备了铌酸锂脊形波导，还提出了基于导模端面反射的光谱分辨率倍增方法。. 基于上述成果，项目组成员在J. Appl. Phys.，Plasmonics，J. Phys. Chem. C等期刊上共发表SCI论文13篇，参加国际、国内学术会议10余次，申请发明专利6项 (3项获得授权)，培养出4名博士生和4名硕士生，其中张喆博士获国家奖学金和2013年度中科院院长特别奖，逯丹凤博士获2012年度中科院院长优秀奖和优秀毕业生，项目负责人获2013年度中科院优秀导师奖。值得指出的是本项目部分研究内容还获得了中科院电子所知识创新工程领域前沿项目和集成光电子学国家重点联合实验室半导体所区开放课题(2010KFB003)资助。这些项目的共同实施和顺利完成为研制基于电光调制技术的静态傅里叶微光谱仪开辟了道路，奠定了基础。