【摘要】：光譜儀是人們認(rèn)識(shí)世界和改造世界的重要工具。在生產(chǎn)與科研中有著重要作用。在光譜儀的小型化過程中,由于集成平面光波導(dǎo)技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)高分辨率和多通道數(shù)目的小型化光譜儀,并且通過與CMOS工藝兼容來降低成本,具有便攜、高效以及價(jià)格低的優(yōu)勢,因而應(yīng)用前景廣泛。然而已有的基于集成平面光波導(dǎo)技術(shù)的光譜儀研究是針對生化傳感應(yīng)用和光通信等領(lǐng)域,還沒有對于在遙感成像領(lǐng)域應(yīng)用集成光學(xué)芯片光譜儀替代傳統(tǒng)體式光譜儀的研究。本文針對一般衛(wèi)星和飛機(jī)中使用的推掃式成像光譜儀的大波長范圍、偏振不敏感以及多通道輸入的要求,對其中的光柵色散型光譜儀和干涉型光譜儀分別提出了使用集成平面光波導(dǎo)芯片進(jìn)行替代的方案,并利用實(shí)驗(yàn)室平臺(tái)進(jìn)行了光譜儀芯片的設(shè)計(jì)、制作和測試。本文的具體研究工作主要分為以下幾個(gè)方面:(1)分析了集成平面光學(xué)器件的最基本組成部分--光波導(dǎo)。使用光波導(dǎo)的的解析和數(shù)值方法對其有效折射率、單模特性、偏振效應(yīng)、耦合間距與色散進(jìn)行仿真。對比了納米線波導(dǎo)和大截面波導(dǎo)在成像光譜儀設(shè)計(jì)要求中的優(yōu)劣,得出了在成像光譜儀應(yīng)用中適合的光波導(dǎo)是大截面波導(dǎo)的結(jié)論。(2)給出了蝕刻衍射光柵光譜儀(EDG)的設(shè)計(jì)方法,包括一點(diǎn)法與兩點(diǎn)法,并討論了設(shè)計(jì)參數(shù)與蝕刻衍射光柵性能之間的關(guān)系。使用EDG的偏振補(bǔ)償方法對硅納米線波導(dǎo)平臺(tái)設(shè)計(jì)偏振不敏感的大波長范圍EDG進(jìn)行了研究,發(fā)現(xiàn)其存在不能同時(shí)對所有波長進(jìn)行偏振補(bǔ)償?shù)膯栴},進(jìn)一步否定了使用納米線波導(dǎo)的想法。因此使用大截面SiON波導(dǎo)進(jìn)行了 650nm到1000nm可見-近紅外波段的65輸入波導(dǎo)和65輸出通道的EDG設(shè)計(jì),并使用標(biāo)量衍射法進(jìn)行了仿真。仿真結(jié)果表明大光譜范圍EDG可以達(dá)到低串?dāng)_以及邊緣波長損耗平衡。(3)提出了使用EDG芯片制作推掃型成像光譜儀的技術(shù)方案。在對比分析了多輸入波導(dǎo)下使用同一個(gè)衍射級(jí)次和跨衍射級(jí)次的優(yōu)劣之后,得出使用同一個(gè)衍射級(jí)次的方案有更好的通道均勻性和更低損耗的優(yōu)點(diǎn),且跨衍射級(jí)次方案在低衍射級(jí)次時(shí)無法使用。因此使用3μm的SOI平臺(tái)設(shè)計(jì)了 1250nm到1750nm波段范圍、129輸入波導(dǎo)和129輸出通道的EDG,對關(guān)鍵工藝容差的影響進(jìn)行了仿真。接著對光刻工藝、硅深刻蝕工藝與光柵鍍金屬工藝進(jìn)行了分析與改進(jìn),最后根據(jù)工藝條件和測試平臺(tái),制作了 65輸入波導(dǎo)及65輸出通道(129輸出波導(dǎo))的EDG,并進(jìn)行了測試。測試結(jié)果驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)EDG可以在大光譜范圍內(nèi)偏振不敏感的保持較優(yōu)秀性能,可以作為光譜儀應(yīng)用。(4)在干涉光譜儀及其在成像光譜儀中的兩種靜態(tài)工作方式基礎(chǔ)上,提出了使用馬赫-曾德(MZI)陣列芯片制作無需光開關(guān)的窗掃型成像光譜儀的技術(shù)方案,此方案既具有Jacquinot和Fellgett優(yōu)勢,同時(shí)又利用了集成光學(xué)器件的小體積、高集成度的優(yōu)點(diǎn)。接著對傅里葉變換光譜儀進(jìn)行了研究,對基于平面光波導(dǎo)MZI的干涉光譜儀原理進(jìn)行了推導(dǎo),獲得了其分辨率和FSR的主要設(shè)計(jì)性能,并基于Si和SiON平臺(tái)對其核心器件--光譜儀芯片進(jìn)行了設(shè)計(jì)、制作。由于受到晶圓限制,基于SiON平臺(tái)制作的芯片無法制作出符合設(shè)計(jì)要求的光譜儀芯片,只進(jìn)行了簡單測試與改進(jìn)方向分析。對Si平臺(tái)制作的光譜儀芯片進(jìn)行了完整測試與分析,測試結(jié)果還原的譜線波長符合原本譜線,半高全寬符合分辨率,FSR符合設(shè)計(jì),但是因?yàn)槠骷谱麒Υ煤蜏y試誤差,存在頻譜泄露現(xiàn)象減小了動(dòng)態(tài)范圍。(5)對集成平面光波導(dǎo)傅立葉變換光譜儀與傳感器件的結(jié)合進(jìn)行了研究,針對時(shí)間調(diào)制傅立葉變換光譜儀,提出了雙環(huán)傳感器級(jí)聯(lián)熱調(diào)諧傅里葉變換光譜儀的傳感方案。通過仿真計(jì)算將其與強(qiáng)度探測傳感方案進(jìn)行了對比,仿真結(jié)果表明,提出方案在保留強(qiáng)度探測方案不需要昂貴的可調(diào)諧激光器和光譜儀器件的同時(shí),有著光源無需加濾波器、靈敏度保持穩(wěn)定及工作范圍比雙環(huán)強(qiáng)度探測的更大的優(yōu)點(diǎn)。另外針對空間調(diào)制傅立葉變換光譜儀,提出了利用手機(jī)雙攝像頭進(jìn)行手機(jī)中光譜儀集成的方案,并進(jìn)行了初步的可行性研究。
【學(xué)位授予單位】：浙江大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TH74
【圖文】：

地質(zhì)［５］、冶金［６］、食品檢驗(yàn)［７］和氣體安全監(jiān)測［８］等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。也可以通過有機(jī)物逡逑中金屬元素的化學(xué)計(jì)量反應(yīng)間接測定多種有機(jī)物。拉曼、熒光光譜分析［９＃］在很多需要無逡逑損、顯微成像、化學(xué)分析場合有著很好的應(yīng)用前景［１１］。圖１．１為Ｏｃｅａｎ邋Ｏｐｔｉｃｓ的手持式逡逑拉曼光譜儀與第一臺(tái)微型光纖光譜儀［１２］逡逑■魏逡逑圖１．１邋Ｏｃｅａｎ邋Ｏｐｔｉｃｓ的手持式拉曼光譜儀與第一臺(tái)微型光纖光譜儀［１２］逡逑雖然光譜儀在科研和工業(yè)中有著廣泛應(yīng)用，但是在家庭生活中還沒有很好的具體應(yīng)逡逑用，其主要原因是現(xiàn)在最小的光譜儀－手持式光譜儀體積仍然比手機(jī)大而且價(jià)格較貴，另逡逑一原因是日常應(yīng)用開發(fā)不足。雖然有關(guān)于使用紅外光譜學(xué)探測蔬菜水果的質(zhì)量［Ｕ］、農(nóng)藥逡逑等物質(zhì)的含量方面的研究［１４］，但是由于光譜儀價(jià)格較貴，實(shí)驗(yàn)室所能獲取農(nóng)藥光譜數(shù)據(jù)逡逑量太少，從而導(dǎo)致所訓(xùn)練識(shí)別程序?qū)r(nóng)藥判斷準(zhǔn)確性不足等問題，此應(yīng)用仍然只局限于逡逑食物生產(chǎn)過程中，還未進(jìn)入家庭。逡逑除此之外，在遙感領(lǐng)域，為了同時(shí)能夠獲得一個(gè)圖像的每個(gè)像素的幾乎連續(xù)光譜，逡逑１逡逑

成像光譜儀主要應(yīng)用在高光譜航空航天遙感領(lǐng)域，所以其工作方式也與飛行器行進(jìn)逡逑方式相關(guān)。按照成像掃描方式可以分為點(diǎn)掃描型、推掃型和凝視型成像光譜儀三種。逡逑如圖１．２所示，點(diǎn)掃描型成像光譜儀一次只對一個(gè)像元掃描，即光譜儀使用時(shí)只需要逡逑同時(shí)對一個(gè)像素對應(yīng)的光源進(jìn)行分光，將不同波長的光投影到一列探測器上。通過點(diǎn)掃逡逑描鏡在垂直于飛行器軌道方向來回?fù)u擺掃描以及飛行器在沿著軌道方向上移動(dòng)，兩者結(jié)逡逑合完成平面的遍歷。此種工作方式對光譜儀的要求較低，普通工作模式的光譜儀使用線逡逑探測器接收光譜便可。但是需要成像鏡頭（一般是鏡頭前放置的反射鏡）進(jìn)行角度上機(jī)逡逑械掃描，工作效率低，機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)的可靠性不高，只在早期的成像光譜儀中有應(yīng)用［１６］。逡逑飛行器移動(dòng)方向逡逑含逡逑—－－－－－－ｔ邐１邐邐逡逑邐邋－１邐—－－－－－－－－－－－－－－－－逡逑．．．邐邐邐邐－ｉ－邐邐邐ｕ邐邐逡逑￣！邐１邐１邐１￣＞邐：逡逑邐邐Ｘ邐邐Ｊ邐Ｊ邐Ｌ邐逡逑￣￣｜邐＜ｒ－＼邐１邐１￣逡逑邐ｊ邐＾邐＾邐邐逡逑圖１．２點(diǎn)掃描成像光譜儀成像方式逡逑針對衛(wèi)星或飛行器沿著一定軌道對地球表面掃描的飛行特點(diǎn)，推掃式成像光譜儀是逡逑２逡逑

視場（對應(yīng)于圖中紅色區(qū)域）接收垂直于飛行器軌道方向的線陣像素對應(yīng)視場范圍地面逡逑的光信號(hào)，通過光柵等色散元件在對每一個(gè)像元信號(hào)進(jìn)行分光，最終成像在面陣探測器逡逑上如圖１．３（ｂ）所示。面陣探測器的一個(gè)方向接收Ｎ個(gè)不同像元的信號(hào)，另一個(gè)方向接逡逑收同一個(gè)像元不同波長的信號(hào)，再隨著飛行器移動(dòng)進(jìn)行時(shí)間掃描，可以得到地球表面一逡逑定區(qū)域的每個(gè)點(diǎn)的波長信息。逡逑飛行器移動(dòng)方向逡逑含邋ｍｍｍｍｍ逡逑邐邋■邋邐邐｜邋二．邋２邐Ｎ－Ｉ邋Ｎ逡逑＜邐視場范圍邐＞邐逡逑（ａ邋）邐（邋ｂ邋）逡逑圖１．３邋（ａ）推掃成像方式，（ｂ）推掃式成像光譜儀面陣探測器接收信號(hào)逡逑典型的光柵色散推掃式成像光譜儀有著諸多應(yīng)用，不僅可以對地探測森林火災(zāi)［１７］、逡逑海岸遙感［１８’１９］，也可以用于觀測太陽以及大氣臨邊探測［２（ＵＵ。隨著探測器的可用波段發(fā)展，逡逑遠(yuǎn)紅外波段的成像光譜儀也拓展了地表溫度、礦石探測等應(yīng)用［２２］。逡逑圖１．４（ａ）給出的是美國的海岸線高光譜推掃式成像光譜儀對巴拿馬的安德羅斯島拍逡逑攝的圖片。圖片中Ｄ，Ｓｌ，Ｓ２，邋Ｓ３等４個(gè)代表性點(diǎn)的光譜如圖１．４（ｂ）所示。逡逑１逡逑

【參考文獻(xiàn)】

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1 喬海亮;王s

本文編號(hào)：2799737