[發(fā)明專利]一種無分光系統(tǒng)的量子點光源芯片光譜儀及光譜重構(gòu)方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202010324658.3
• 申請日: 2020-04-23
• 公開（公告）號: CN111562004B
• 公開（公告）日: 2022-12-30
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 王少偉;尹知沁;劉清權(quán);陸衛(wèi)
• 申請（專利權(quán)）人: 中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所
• 主分類號: G01J3/28
• 分類號: G01J3/28;G01J3/42;G01J3/10
• 代理公司: 上海滬慧律師事務(wù)所 31311
• 代理人: 郭英

本發(fā)明公開了一種無分光系統(tǒng)的量子點光源芯片光譜儀及光譜重構(gòu)方法，通過一系列不同發(fā)光波長的量子點構(gòu)成集成光源芯片，利用該光源芯片發(fā)出的光照射在被測物體上后被探測器接收，再經(jīng)過光譜重構(gòu)后獲得被測物體的光譜。本發(fā)明的光源由一系列不同發(fā)光波長的量子點陣列構(gòu)成，使光源本身就具備了光譜分辨能力，不需要任何分光系統(tǒng)進(jìn)行分光，再結(jié)合光電探測器即可構(gòu)成芯片級光譜儀器，甚至可直接與手機(jī)一起構(gòu)成智能手機(jī)光譜儀，用于識別物質(zhì)的成分，非常小巧、便攜、成本低廉，特別有利于光譜技術(shù)在日常生活中的推廣應(yīng)用。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及光譜測量儀器領(lǐng)域，具體涉及一種基于量子點光源芯片的微型光譜儀及光譜重構(gòu)方法。

背景技術(shù)

光譜是復(fù)色光經(jīng)過色散系統(tǒng)(如棱鏡、光柵)分光后，被色散開的單色光按波長(或頻率)大小而依次排列的圖案，全稱為光學(xué)頻譜。光可以與物質(zhì)發(fā)生相互作用，當(dāng)一束光經(jīng)過不同的化學(xué)物質(zhì)，物質(zhì)會與光發(fā)生相互作用。在物質(zhì)的分子中，組成化學(xué)鍵或官能團(tuán)的原子處于不斷振動的狀態(tài)，其振動頻率與光的振動頻率相當(dāng)。所以，用光照射分子時，分子中的化學(xué)鍵或官能團(tuán)可發(fā)生振動吸收，不同的化學(xué)鍵或官能團(tuán)吸收頻率不同，在光譜上將處于不同位置，從而可獲得分子中含有何種化學(xué)鍵或官能團(tuán)的信息。

光譜儀是一種能夠分辨不同光波強(qiáng)度的分析儀器，能抓取物質(zhì)光信息和分析分子結(jié)構(gòu)和化學(xué)組成的儀器，已被廣泛地應(yīng)用在天文、生物、化學(xué)、醫(yī)學(xué)、環(huán)境學(xué)等多個領(lǐng)域。然而，一直以來幾乎所有的光譜儀均是基于光柵或透鏡等色散型分光系統(tǒng)而制成，在可見和近紅外波段可以實現(xiàn)非常高的光譜分辨率，但光柵存在加工復(fù)雜、成本高、易損等缺點，而且分辨率越高所需的光程就越長，相應(yīng)的光譜儀體積就越大。在利用邁克爾遜干涉分光的光譜儀中，由于需要通過控制動鏡的精確掃描，獲得目標(biāo)光譜像元的時間序列干涉圖，然后利用傅里葉變換來獲得光譜，這就要求此類光譜儀對機(jī)械結(jié)構(gòu)的加工精度和掃描傳送的精度要求非常嚴(yán)格，所以成本高，并且包含移動元件，想要得到更高的分辨率，移動的距離就要越遠(yuǎn)，體積就越大，所以這種光譜儀都具有體積大的復(fù)雜分光系統(tǒng)，這嚴(yán)重限制了光譜儀的微小型化和日常生活中的推廣應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容

有鑒于此，本發(fā)明采用無分光系統(tǒng)的量子點光源來構(gòu)造新型芯片級光譜儀，使用一系列不同發(fā)光波長量子點構(gòu)成的發(fā)光光源芯片,同時起到光源和分光的作用，再結(jié)合光譜重構(gòu)技術(shù)就能實現(xiàn)光譜檢測功能，完全去除了傳統(tǒng)分光系統(tǒng)，只需量子點光源芯片就可與任何手機(jī)結(jié)合構(gòu)成智能光譜儀。本發(fā)明專利所公開的量子點光源芯片光譜儀由量子點光源芯片1和信號采集與處理系統(tǒng)2組成，待測樣品可置于二者之間，采集其透射或反射信號，非常簡單小巧、靈活便攜。

其中的量子點光源芯片1自上而下分別是激發(fā)光源11、量子點陣列12和長波通濾波器13。

其中的激發(fā)光源11為激發(fā)量子點發(fā)光的光源，可以選用LED或者激光等，只要波長小于量子點陣列12所有量子點的發(fā)光波長、能夠激發(fā)所有量子點發(fā)光即可。

其中的量子點陣列12為不同發(fā)光波長的量子點121，在激發(fā)光透明的基片122上周期性排布構(gòu)成的。其周期，可根據(jù)實際需要選擇在10μm～1cm之間；其規(guī)模，可以根據(jù)光譜波段范圍和光譜分辨率需求進(jìn)行設(shè)置，通常不小于2×2；由于量子點的發(fā)光光譜范圍受其材料和尺寸的影響，量子點陣列12可以由不同材料相同尺寸、也可以是相同材料不同尺寸，或者二者的結(jié)合。不同材料的量子點包括鎘類量子點、鈣鈦礦量子點、銦類量子點、碳類量子點、硅類量子點。由于不同尺寸的量子點可以發(fā)出不同波長窄帶寬范圍內(nèi)的光，使得量子點陣列本身既可以起到光源的作用也可以起到分光的作用，取代了結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積大的分光系統(tǒng)，大大減小了光譜儀的體積。另外量子點光源芯片光譜儀工作的波長范圍可以通過合理選擇量子點覆蓋整個可見光以及近紅外范圍；其分辨率由不同材料和尺寸量子點數(shù)量決定，不同材料和尺寸量子點數(shù)目越多分辨率越高，可以根據(jù)具體的需求在基片122上任意排布量子點的種類、數(shù)目來達(dá)到測試的目的，非常靈活方便。