基于MEMS技术的微型拉曼光谱仪器的研制

拉曼光谱技术利用激光激发分子得到指纹的化学键和官能团振动的光谱信息，可以用于暴露在水和CO2中样品的鉴定和指认，在材料、医药卫生、环保、食品安全、国防公安等领域得到广泛的应用。但是拉曼光谱仪体积的制约使其难以用于航天等领域，价格的制约使其难以在民生领域得到更宽广的应用。壳层隔绝纳米粒子增强拉曼光谱（SHINERS）技术在提高灵敏度的同时具有前所未有的普适性和稳定性，为微型价廉的拉曼光谱仪提供了发展机会。本项目针对拉曼光谱仪器的核心部件- - 分光系统，拟借鉴波分解复用器的原理，采用MEMS 技术研制高通量的阵列波导光栅分光芯片，取代原来的光栅、透镜结构，实现微型化、低成本和高光谱分辨率。并利用手机芯片作为系统控制、数据采样、收集和处理平台，实现整机的微型化并最大程度降低成本，结合创新性的SHINERS技术，获得高灵敏度和高稳定性，使我国在这一新兴的领域夺取先机并在科研和民生领域获得重要应用。

便携式拉曼光谱仪在食品卫生、环境监测和公共安全等领域的需求与日俱增，正在成为拉曼光谱应用领域一个新的增长点。这种小型的设备在价格上虽然只有大型的设备的几分之一，使得拉曼光谱技术的应用更加普及，但是离民用化仍然有一段距离。拉曼光谱仪的组成部分包括激光器、拉曼探头和色散模块，其中色散模块是由光栅、透镜和CCD组成的精密光学、光电系统。本课题承担的AWG芯片光谱仪，利用制作在硅片上的氮氧化硅光波导形成阵列波导光栅（AWG）色散模块，并和制备的硅光电探测器结合，制备了芯片式色散模块，经测试，AWG芯片的波长分辨率小于1 nm。结合研制的785 nm激光器和减小尺寸的拉曼探头，研制了手持式微型拉曼光谱仪。所取得的技术突破包括：（1）宽带阵列波导光栅的设计和制造技术。（2）硅光电探测器与阵列波导光栅的混合和单片集成技术。（3）专用阵列波导光栅的设计和制造技术。所获得的芯片光谱仪比现有采用光栅、透镜和CCD的光谱仪成本和体积有较大的降低，尤其适合低成本专用分析芯片的应用。