[發明專利]基于F-P半導體激光器和薄膜F-P濾光片級聯的光學傳感器

有效

• 申請號: 201410112661.3
• 申請日: 2014-03-25
• 公開（公告）號: CN103884683A
• 公開（公告）日: 2014-06-25
• 發明（設計）人: 李明宇;周龍
• 申請（專利權）人: 浙江大學
• 主分類號: G01N21/41
• 分類號: G01N21/41
• 代理公司: 杭州求是專利事務所有限公司 33200
• 代理人: 周烽

技術領域

本發明涉及一種光學傳感器，尤其涉及一種基于F-P（法布里-珀羅）半導體激光器和薄膜F-P濾光片級聯的光學傳感器。

背景技術

無標記的光學傳感器在生物檢測，化學分析和環境監測等領域有著十分重要的應用。光學傳感器可以快速、實時地監控反應過程。光學傳感器具有靈敏度高、抗電磁干擾能力強等優點。常用的光學傳感器有基于表面等離子體共振（SPR）的傳感器，基于光波導結構的光學傳感器，如單環形諧振腔，光柵波導耦合器，平面馬赫-曾德爾波導干涉儀等。

這些光學傳感器的基本原理都是基于金屬或者波導表面的倏逝波與待測物質相互作用，并影響輸出光的特性，從而實現光傳感。但是這些傳感器都存在各自的缺點。如SPR傳感器，由于用來制備表面金屬膜的材料只有金、銀等少數幾類，所以不利于優化改進。其靈敏度受共振峰寬度限制，這是由金屬層的吸收最終決定，與工作波長有很大的關系，表明了SPR傳感器裝置的物理局限性。單環波導諧振腔和馬赫-曾德爾波導干涉儀等平面光波導傳感器，通常有基于功率和波長兩種探測模式。基于功率探測，需要對激光光源的窄線寬，波長和功率的穩定性要求很高；基于波長探測需要光譜儀或者可調諧激光器，這些儀器不但體積龐大而且價格昂貴，不利于光學傳感器向低成本、便攜化發展的趨勢,且基于光波導傳感器的輸入和輸出光的耦合是十分困難的。

發明內容

本發明的目的在于針對現有技術的不足，提供一種基于F-P半導體激光器和薄膜F-P濾光片級聯的光學傳感器。

本發明的目的是通過以下技術方案來實現的：一種基于F-P半導體激光器和薄膜F-P濾光片級聯的光學傳感器，包括一個F-P半導體激光器、一個準直透鏡、一個具有周期性濾波譜的薄膜F-P濾光片面陣列、一個成像透鏡和一個探測器面陣列；其中，所述一個具有周期性濾波譜的薄膜F-P濾光片面陣列、成像透鏡以及探測器面陣列組成一個具有周期性濾波譜的濾波器面陣列；所述F-P半導體激光器的光源經過準直透鏡后成為平行光，垂直入射到薄膜F-P濾光片面陣列，透射光經過成像透鏡成像在探測器面陣列，探測器面陣列置于成像透鏡的焦平面位置處。

進一步地，薄膜F-P濾光片面陣列的自由光譜范圍與F-P半導體激光器相鄰模式的頻率間隔相等或相似。

進一步地，所述具有周期性濾波譜的薄膜F-P濾光片面陣列中兩個高反射膜層之間的間隔層作為傳感區域。

進一步地，薄膜F-P濾光片面陣列中的每一個薄膜F-P濾光片，經過成像透鏡一一對應地成像在探測器面陣列中的一個探測器像元上。

本發明具有的有益效果是：本發明使用低成本的F-P半導體激光器作為輸入光源，探測器陣列作為輸出光的接收器；采用薄膜法F-P濾光片陣列的間隔層作為傳感區域，大大增加了光與待測物質的作用距離；同時利用傳輸光波和待測物質相互作用，與目前利用倏逝波與待測物質相互作用的光波導型傳感器相比，增加了待測物質對光學傳感器輸出光強的調制，從而提高傳感器的靈敏度；本發明中的薄膜F-P濾光片面陣列和探測器面陣列構成一個具有周期性濾波譜的濾波器面陣列，可實現對多個樣品的同時測量，無需外加可調諧單模激光器或者高分辨率的光譜儀，大大降低了成本。?

附圖說明

圖1為本發明光學傳感器的結構示意圖；

圖2為F-P半導體激光器輸出光譜曲線；

圖3為薄膜F-P濾光片透射譜曲線；?

圖4為F-P半導體激光器和薄膜F-P濾光片級聯光學傳感器輸出光譜圖；?

圖5為探測器接收到的歸一化功率與傳感器區域中待測物質折射率變化關系圖；

圖中，F-P半導體激光器1、準直透鏡2、薄膜F-P濾光片面陣列3、高反射膜層31、傳感區域32、成像透鏡4、探測器面陣列5、濾波器面陣列51。

具體實施方式

下面結合附圖和實施例對本發明作進一步的說明。

如圖1所示，本發明一種基于F-P半導體激光器和薄膜F-P濾光片級聯的光學傳感器，包括F-P半導體激光器1、準直透鏡2、薄膜F-P濾光片面陣列3、成像透鏡4和探測器面陣列5。其中，所述薄膜F-P濾光片面陣列3、成像透鏡4以及探測器面陣列5組成一個周期性濾波譜的濾波器面陣列51；所述薄膜F-P濾光片面陣列3中兩個高反射膜層31之間的間隔層作為傳感區域32。

F-P半導體激光器1的光源經過準直透鏡2后成為平行光，垂直入射到薄膜F-P濾光片面陣列3，透射光經過成像透鏡4，成像在探測器面陣列5，探測器面陣列5置于成像透鏡4的焦平面處。