СПЕКТРОМЕТР, ОСНОВАННЫЙ НА ПЕРЕСТРАИВАЕМОМ ЛАЗЕРЕ НА ЧИПЕ, И СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ СПЕКТРА
SPECTROMETER BASED ON TUNABLE LASER ON CHIP, AND SPECTRUM MEASURING METHOD

Область техники
Настоящее изобретение относится к измерительной технике, а более точно – к спектрометру, основанному на перестраиваемом лазере на чипе, и к способу измерения спектра.
Предшествующий уровень техники
Оптические устройства, предназначенные для использования в спектроскопических целях, должны обладать такой характеристикой, как свипирование длины волны света. Эта функция может быть реализована с помощью узкополосных перестраиваемых источников света, таких как лазеры, или с помощью широкополосных источников света, таких как светодиоды (LED), в сочетании с системой оптических фильтров. Оба эти варианта предполагают громоздкую общую конструкцию системы источника света, что приводит к увеличению размера всего спектрометра, который трудно вписать в носимый форм–фактор. Форм–фактор (от англ. form factor) или типоразмер – стандарт, задающий габаритные размеры технического изделия, а также описывающий дополнительные совокупности его технических параметров, например, форму.
В настоящее времясуществует три проблемы.
Первая – это недостаточная компактность спектрометра. Известный спектрометр не может быть закреплен на руке в виде браслета. В существующих приборах, предназначенных для данной цели, такой компактности нет.
Спектральное разрешение коммерчески доступных спектроскопических устройств, предназначенных для использования в переносном форм–факторе, не превышает ~ 20 нм. Однако для неинвазивного определения уровня глюкозы в крови требуются спектроскопические устройства, обладающие более высоким спектральным разрешением, которое должно быть намного меньше нескольких нанометров.
Вторая проблема – низкое спектральное разрешение известных спектрометров.
При определении уровня глюкозы требуется измерять спектр отражения от объекта, это может быть реализовано либо в виде набора узкополосных источников света, таких как лазер, или при помощи широкополосного источника света, таких как светоизлучающие диоды, объединенные системой оптических фильтров, что подразумевает достаточно габаритную схему исполнения.
Если измерение спектра осуществляется при помощи набора узкополосных источников, то получают набор точек на этом спектре, расстояние между которыми и определяет разрешение прибора. Для существующих приборов разрешение оказывается недостаточно высоким, что не отвечает требованиям измерения такого параметра как глюкоза крови.
Третья проблема – это дискретность перестроения длины волны. В существующих приборах с перестраиваемой длиной волны такое перестроение осуществляется дискретно, т.е. в каждый временной промежуток осуществляется перестроение на какой–то фиксированный шаг, и не обеспечивается перестроение длины волны, осуществляемое непрерывно и плавно.
Для сканирования по длине волны в существующих оптических спектроскопических устройствах используются широкополосные светодиодные источники в сочетании с отдельными оптическими фильтрами или набором узкополосных лазеров. Эти элементы включаются и выключаются в заранее определенной последовательности, необходимой для измерений. Такие устройства не позволяют получить непрерывную развертку по длине волны, что важно для достижения максимальной точности измерений.
Из публикации WO 2010/082852 (опубликован 22.07.2010) известен спектрометр кодового источника на основе LED, который содержит множество светодиодных источников света, которые способны формировать различные длины волн и ширину полосы частот, указанные источники света расположены любым удобным способом вокруг модуля детектора, причем оптические пути образца и эталонные оптические пути отличается друг от друга. В предпочтительных вариантах осуществления источники LED переключаются в кодированном шаблоне или шаблонах, соответствующих схеме дополнения Адамара или модифицированной схеме дополнения Адамара.
К недостаткам указанного спектрометра можно отнести свипирование дискретных длин волн и низкое спектральное разрешение.
В спектрометре используется большое количество светоизлучающих диодов и спектральное разрешение определяется количеством этих диодов. Если требуется повысить спектральное разрешение, нужно увеличить количество источников света, т.е. количество диодов. Но до бесконечности увеличивать нельзя, поскольку прибор ограничен габаритами.
Известен также неинвазивный датчик глюкозы (см., например, US 7251516, опубликован 31.07.2007). Концентрация глюкозы неинвазивно измеряется путем измерения множества значений поглощения с использованием, по меньшей мере, одного излучателя, работающего на соответствующем множестве длин волн излучения через общий оптический объем образца, и получения концентрации глюкозы из значений измерения поглощения.
Неинвазивный датчик глюкозы сконфигурирован, например, в виде шарика, прикрепленного к браслету, который люди с диабетом могут носить для непрерывных и неинвазивных измерений уровня глюкозы в крови. Датчик позволяет измерять глюкозу, воду и альбумин неинвазивно и непрерывно. Датчик может быть реализован в виде устройства малой мощности, небольшого размера и иметь низкую стоимость. Поверхностно–излучающий лазер с вертикальным резонатором (VCSEL) представляет собой тип полупроводникового лазера, который можно настроить в качестве перестраиваемого излучателя. Как правило, полупроводниковые лазеры с краевым излучением имеют меньшую точность и дешевле, чем (VCSEL).
В этом приборе используются в качестве источника света, так называемые, «виксели» – светоизлучающие источники с вертикальным резонатором, т.е. лазеры с вертикальным резонатором, излучающие с поверхности. В этом приборе не подразумевается перестроение по длине волны, здесь используется несколько лазеров, и количество этих лазеров определяет спектральное разрешение прибора. Кроме того, использование большого количества этих лазеров – достаточно дорогое решение.
Известна также перестраиваемая лазерная спектроскопическая система для неинвазивного измерения содержания воды в организме (см., например, US 2008/220512, опубликована 11.09.2008). Содержание воды в организме является одним из важных показателей здоровья, с помощью которого можно количественно контролировать уровень гидратации организма и определять, необходимо ли добавлять или уменьшать воду в организме. Раскрытые системы, устройства и/или способы позволяют улучшить точность длины волны, разрешение по длине волны, оптическую спектральную плотность мощности, соотношение сигнал/шум и доступные варианты реализации для системы спектроскопии.
Система содержит лазер, сконфигурированный и выполненный с возможностью освещения по меньшей мере части ткани тела, и один детектор, оптически связанный с по меньшей мере частью ткани тела. Например, система может включать в себя перестраиваемый лазер и/или один или несколько лазеров с фиксированной длиной волны. Система в некоторых вариантах осуществления может включать в себя датчик, содержащий первое оптическое волокно, имеющее первый конец, который сконфигурирован и выполнен с возможностью оптической связи с лазером, и имеющий второй конец, который сконфигурирован и выполнен с возможностью оптической связи с образцом ткани; и второе оптическое волокно, имеющее первый конец, который выполнен с возможностью оптической связи с детектором, и второй конец, который выполнен с возможностью оптической связи с образцом ткани. Система может дополнительно включать в себя мультиплексор с разделением по длине волны и/или оптический коммутатор в оптической связи с лазером и первым оптическим волокном. Система, в соответствии с некоторыми вариантами осуществления, может включать в себя детектор, содержащий фотодиод и/или оптический переключатель, находящийся в оптической связи с вторым оптическим волокном. Оптическое волокно, например, первое оптическое волокно и/или второе оптическое волокно, может содержать ответвитель. Датчик выполнен с возможностью одноразового или повторного использования. Датчик может включать в себя коллиматор, звездообразный ответвитель и/или расширитель луча, оптически связанный с лазером. В некоторых вариантах воплощения система может исключать дифракционную решетку и/или матрицу детекторов.
К недостаткам указанного устройства можно отнести большой размер, который нельзя вписать в форм–фактор.
В качестве ближайшего технического решения рассматривается спектрометр (см., например, US 2014/0168636, опубликован 19.06.2014), содержащий: вольфрамовую лампу (первый источник света), которая излучает свет без пиковой длины волны в диапазоне длин волн видимого света, и количество света, увеличивающееся с увеличением длины волны; фиолетовый светодиод (второй источника света), который излучает свет, имеющий максимальную длину волны (пиковую длину волны) в диапазоне длин волн видимого света; смеситель света, который смешивает свет, излучаемый лампой накаливания и фиолетовым светодиодом; блок приема света (эталон), который принимает свет, смешанный смесителем света, и пропускает свет, содержащийся в принятом смешанном свете и имеющий конкретную длину волны; блок приема света, который принимает свет, передаваемый эталоном; и блок управления измерением, который изменяет длину волны света, (т.е. характеристики тестового целевого света), которая может проходить через эталон, и измеряет спектральные характеристики света, прошедшего через эталон, на основе света, принятого блоком приема света.
Когда используется только первый источник света, который не имеет пиковой длины волны в диапазоне длин волн видимого света, количество света в пределах определенного диапазона в диапазоне длин волн видимого света значительно уменьшается, как объяснено выше. Согласно этому аспекту изобретения, второй источник света, который излучает свет, имеющий пиковую длину волны, в частности, в диапазоне коротких волн (диапазон длин волн, в котором количество света от первого источника света уменьшается), может эффективно компенсировать количество света в коротковолновом диапазоне, где количество света от первого источника света значительно падает. Соответственно, точность измерения спектральных характеристик в диапазоне длин волн, где уменьшается количество света, может улучшиться, что способствует высокоточному измерению спектральных характеристики.
К недостаткам указанного спектрометра можно отнести свипирование дискретных длин волн и низкое спектральное разрешение. Здесь осуществляется дискретное перестроение по длине волны. Плавного перестроения не осуществляется. Есть определенные шаги, которые определяют разрешение, и перестроение осуществляется минимальными участками, т.е. дискретно.
Краткое изложение существа изобретения
Технической задачей настоящего изобретения является обеспечение спектроскопических измерений с высоким спектральным разрешением и непрерывным перестроением по длине волны с помощью средств, достаточно компактных, чтобы соответствовать носимому формфактору, поддерживая в то же время низкий уровень энергопотребления, что обеспечивается путем создания спектрометра, основанного на перестраиваемом лазере на чипе, который является компактным, чтобы его можно было закрепить на руке в виде браслета, имеет высокое спектральное разрешение и обеспечивает перестроение длины волны, осуществляемое непрерывно и плавно.
Достигаемый технический эффект заявленного изобретения заключается в обеспечении компактности, т.е. удовлетворяющего требуемому форм–фактору, более высокой скорости измерений, высокого отношения сигнал/шум, благодаря использованию лазеров, и высокому спектральному разрешению и способности одновременно выполнять грубые и точные (при необходимости) измерения спектра.
Поставленная задача решена путем создания спектрометра, основанного на перестраиваемом лазере на чипе и содержащего
источник лазерного излучения, сконфигурированный для облучения биологической ткани лазерным излучением,
фотодетектор, сконфигурированный для приема отраженного от биологической ткани излучения, прошедшего через оптическую систему, и блок управления и обработки сигналов, полученных от фотодетектора,
при этом в качестве источника лазерного излучения использован перестраиваемый лазер на чипе, содержащий полупроводниковый усилитель и соединенный через оптический разветвитель с двумя и более резонаторами, связанными с блоком управления и обработки сигналов,
при этом полупроводниковый усилитель имеет свою полосу усиления для работы перестраиваемого лазера на чипе в заданном диапазоне длин волн,
при этом каждый из резонаторов А, В … N содержит волновод и настраиваемые фильтры (А1, A2, B1, B2 … N1, N2), что обеспечивает генерацию света на его выходе на разных длинах волн (λ1, λ2, …, λn), в соответствии с параметрами настраиваемых фильтров каждого из резонаторов,
при этом один из резонаторов А предназначен для грубого высокоскоростного измерения спектра отражения R (λ) цели при облучении ее светом, генерируемым с помощью настраиваемых фильтров A1 и А2 данного резонатора, а другой из резонаторов В предназначен для точного измерения спектра отражения R (λ) цели при облучении ее светом, генерируемым с помощью настраиваемых фильтров В1 и В2 данного резонатора.
Предпочтительно, чтобы волновод каждого из резонаторов был оконцован зеркалом Саньяка, что обеспечивает обратную связь между резонатором и полупроводниковым усилителем.
Предпочтительно, чтобы спектрометр содержал металлические нагревательные элементы, размещенные в указанных одном и более резонаторах, и сконфигурированные для подачи на них напряжения от внешнего источника, и термооптический блок управления металлическими нагревательными элементами, сконфигурированными для перестроения длины волны резонаторов, при этом указанное перестроение длины волны выполняется путем подачи напряжения на металлические нагревательные элементы.
Предпочтительно, чтобы спектрометр содержал
электрооптические блоки управления по количеству резонаторов, сконфигурированные для перестроения длины волны резонаторов путем приложения к резонаторам электрического поля, изменение которого вызывает изменение эффективного показателя преломления резонаторов и соответственно изменение спектра пропускания, что обеспечивает перестроение длины волны.
Предпочтительно, чтобы спектрометр содержал
акустико–оптические блоки управления по количеству резонаторов, сконфигурированные для перестроения длины волны резонаторов, при этом перестроение длины волны выполняется путем воздействия на резонаторы ультразвуковыми колебаниями от внешнего источника, причем параметры ультразвуковых колебаний определяют спектр пропускания, что обеспечивает перестроение длины волны.
Предпочтительно, чтобы спектрометр содержал массив из полупроводниковых усилителей с разными полосами усиления, для обеспечения развертки по длине волны в расширенном диапазоне длин волн.
Предпочтительно, чтобы спектрометр дополнительно содержал модуль модуляции, сконфигурированный для управления шириной полосы усиления полупроводникового усилителя.
Предпочтительно, чтобы спектрометр содержал дополнительный блок управления с обратной связью и блоки калибровки длины волны для калибровки длины волны спектрометра в режиме реального времени.
Поставленная задача решена также путем создания способа измерения отраженного излучения от биологического объекта посредством спектрометра, основанного на перестраиваемом лазере на чипе по п.1, содержащего шаги, на которых
размещают спектрометр на руке пациента и облучают биологическую ткань лазерным излучением, формируемым двумя и более резонаторами, при этом один из резонаторов А предназначен для грубого высокоскоростного измерения спектра отражения R (λ) цели при облучении ее светом, генерируемым с помощью настраиваемых фильтров A1 и А2, другой из резонаторов В предназначен для точного низкоскоростного измерения спектра отражения R (λ) цели при облучении ее светом, генерируемым этим резонатором с помощью настраиваемых фильтров В1 и В2,
осуществляют грубое высокоскоростное измерение спектра отражения R (λ) цели при облучении ее светом, генерируемым с помощью настраиваемых фильтров A1 и А2 одним из резонаторов А путем перестроения длины волны источника посредством изменения коэффициента пропускания настраиваемых фильтров А1 и А2 резонатора А,
анализируют полученный спектр R (λ) и определяют области интереса для выявления артефактов,
выполняют в областях, представляющих интерес, точные низкоскоростные измерения спектра отражения цели при облучении еесветом, генерируемым настраиваемыми фильтрами В1 и B2 другого резонатора В.
Предпочтительно, чтобы в способе осуществляли перестроение длины волны света в волноводе путем термооптического перестроения по длине волны оптических фильтров А и В, для чего осуществляли нагрев волновода в резонаторе, при этом длина волны источника изменяется от меньшей величины к большей, причем фильтрующая способность определяется показателем преломления материала, из которого изготовлены волноводы.
Предпочтительно, чтобы в способе осуществляли перестроение длины волны света в волноводе путем электрооптического перестроения по длине волны оптических фильтров, для чего осуществляли изменение эффективного показателя преломления волновода в резонаторе путем приложения внешнего электрического поля к волноводу резонатора, при этом длина волны источника изменяется от меньшей величины к большей, причем фильтрующая способность определяется показателем преломления материала, из которого изготовлены волноводы.
Предпочтительно, чтобы в способе осуществляли перестроение длины волны света в волноводе путем акустооптического перестроения по длине волны оптических фильтров, для чего осуществляют изменение спектра пропускания волновода в резонаторе путем воздействия ультразвуковыми колебаниями на указанный волновод, при этом длина волны источника изменяется от меньшей величины к большей, причем фильтрующая способность определяется показателем преломления материала, из которого изготовлены волноводы.
Предложенная конфигурация спектрометра позволяет:
– упростить и миниатюризировать всю оптическую схему, где полупроводниковый усилитель является самым большим элементом;
– одновременно и независимо сканировать длины волн λ1, λ2 и т.д., что обеспечивает большую гибкость при получении спектра исследуемой биологической ткани, свипирование выполняется посредством изменения коэффициента пропускания перестраиваемых фильтров;
– использовать меньшее количество полупроводниковых усилителей, если требуется несколько длин волн, что позволяет снизить энергопотребление и рассеяние во всем устройстве;
– охватить расширенный диапазон длин волн, например, 1500–1800 нм, что важно для измерения уровня глюкозы в крови;
– обеспечить возможность реализации сложной модуляции выходной мощности, что важно для реализации в системах связи;
– обеспечить более высокую точность контроля длины волны за счет калибровки в реальном времени.
Краткое описание чертежей
В дальнейшем изобретение поясняется описанием предпочтительных вариантов воплощения со ссылками на сопровождающие чертежи, на которых:
Фиг. 1 изображает общую блок–схему спектрометра;
Фиг. 2 изображает общую блок–схему перестраиваемого лазера на чипе, содержащего множество резонаторов;
Фиг. 2А изображает общий вид полупроводникового усилителя рядом с монеткой,
Фиг. 3 изображает детальную схему перестраиваемого лазера на чипе, содержащую два резонатора;
Фиг. 4 изображает блок–схему перестраиваемого лазера на чипе;
Фиг. 5 изображает спектр излучения лазерного источника спектрометра, основанного на массиве перестраиваемых лазеров;
Фиг. 6 изображает схему перестраиваемого лазера с термооптическими блоками управления резонаторами;
Фиг. 7 изображает схему перестраиваемого лазера с электрооптическими/акустооптическими блоками управления резонаторами;
Фиг. 8 изображает массив перестраиваемых лазеров на чипе, выполненных на единой подложке;
Фиг. 9 изображает схему перестраиваемого лазера, содержащего блок калибровки длины волны спектрометра в режиме реального времени;
Фиг. 10 изображает типовой спектр отражения образца, полученный с применением спектрометра с лазерным источником с массивом перестраиваемых лазеров на чипе;
Фиг. 11 изображает типовой спектр отражения образца, измеренный грубо и с высокой скоростью;
Фиг. 12 изображает типовой спектр отражения образца, измеренный точно и с низкой скоростью в выбранной области (B).
Описание предпочтительных вариантов воплощения изобретения
Спектрометр 1 (фиг. 1), основанный на перестраиваемом лазере на чипе, согласно изобретению, содержит источник 2 лазерного излучения, сконфигурированный для облучения биологической ткани 3 лазерным излучением. Спектрометр 1 содержит также фотодетектор 4, сконфигурированный для приема отраженного от биологической ткани излучения 5, прошедшего через оптическую систему 6, обеспечивающую коллимацию попадающего в нее излучения и направление его на фотодетектор, и блок 7 управления и обработки сигналов, полученных от фотодетектора 4.
В качестве источника 2 лазерного излучения использован перестраиваемый лазер на чипе (фиг. 2), содержащий полупроводниковый усилитель 8, объединенный с фотонным чипом–подложкой 9, и содержащий набор резонаторов 10, и системой охлаждения 11.
На фиг. 3 показана детальная схема перестраиваемого лазера на чипе, содержащая два резонатора.
На фиг. 4 показана блок–схема указанного перестраиваемого лазера на чипе, использующего N резонаторов 10. Полупроводниковый усилитель 8, характеризующийся определенной полосой усиления оптического излучения, соединен при помощи волноводов 12 (фиг. 3) через оптический разветвитель 13 с двумя или более резонаторами 10 (А, B … N), связанными с блоком 18 управления и блоком 19 питания.
Каждый из резонаторов 10 (A, B … N), изготовленный на основе оптических волноводов 12, содержит перестраиваемые фильтры 14 (A, B, … N), на основе двух каскадно расположенных микрорезонаторов 16 (A и B), что обеспечивает генерацию света на его выходе на разных длинах волн (λ1, λ2, … λn) (фиг. 4), в соответствии с параметрами указанных перестраиваемых фильтров 14 (A, B, … N) в составе каждого из резонаторов 10 (A, B, … N).
В предпочтительном варианте спектрометра и лазерного источника 2 (фиг. 3) используется два резонатора 10 A и 10 B, в отличие от общего варианта реализации, предусматривающего использование 2–х и более резонаторов до некоего произвольного количества N (фиг. 4).
Перестраиваемый фильтр 14 A резонаторa 10 A предназначен для грубого высокоскоростного измерения спектра отражения R (λ) цели светом, генерируемым в резонаторе 10 А, а перестраиваемый фильтр 14 В резонатора 10 B предназначен для точного измерения спектра отражения R (λ) цели при облучении ее светом, генерируемым в резонаторе 10 B.
Волновод каждого из резонаторов 10 оконцован зеркалом Саньяка 15, что обеспечивает обратную связь между резонатором 10 и полупроводниковым усилителем 8.
Оптический разветвитель 13 делит энергию одного полупроводникового усилителя 8 между двумя резонаторами 10. Основной эффект от такой реализации – это простота изготовления. Поскольку эти резонаторы изготавливаются интегрально, по технологии SOI (silicon on insulator), т.е. кремний на изоляторе, либо нитрид кремния на изоляторе при помощи методов фотолитографии, изготовление указанной схемы в промышленных масштабах может быть весьма простым.
Спектрометр 1 (фиг. 1) содержит в составе лазерного источника 2 также металлические нагревательные элементы 17 (фиг. 3), размещенные на поверхности одного и более перестраиваемых фильтров 14 в составе резонаторов 10, и сконфигурированные для подачи на них напряжения от внешнего источника 19 (фиг. 4).
Спектрометр 1 в предпочтительном вариант реализации содержит термооптический блок 17 управления металлическими нагревательными элементами (фиг. 3, 6), конфигурируемыми для перестроения длины волны резонаторов, при этом указанное перестроение длины волны выполняется путем подачи напряжения на металлические нагревательные элементы.
В другом варианте реализации спектрометр 1 содержит электрооптические блоки 20 управления (фиг. 7) по количеству резонаторов, сконфигурированные для перестроения длины волны резонаторов путем приложения к резонаторам электрического поля, изменение которого вызывает изменение эффективного показателя преломления резонаторов и соответственно изменение спектра пропускания, что обеспечивает перестроение длины волны.
В еще одном варианте реализации спектрометр содержит акустико–оптические блоки 20 управления (фиг. 7) по количеству резонаторов, сконфигурированные для перестроения длины волны резонаторов, при этом перестроение длины волны выполняется путем воздействия на резонаторы ультразвуковыми колебаниями от внешнего источника, причем параметры ультразвуковых колебаний определяют спектр пропускания, что обеспечивает перестроение длины волны.
Возможен вариант выполнения, когда спектрометр 1 содержит массив из полупроводниковых усилителей 8 (фиг. 8) с разной шириной полосы усиления, для обеспечения развертки по длине волны в расширенном диапазоне длин волн, например, 1500–1800 нм.
Как правило у одного полупроводникового усилителя есть своя полоса усиления и лазер не может работать вне этой полосы. Эта полоса ограничена. Если необходимо измерять спектр в полосе, которая превышает полосу усиления полупроводникового усилителя, следует использовать другой полупроводниковый усилитель с другой полосой усиления. Объединяя несколько перестраиваемых лазеров, каждый из которых основан на своем полупроводниковом усилителе со своей полосой, возможно просто объединять их полосы, т.е. пристыковывать одну к другой, чтобы в итоге покрыть весь диапазон.
Возможен вариант выполнения, когда спектрометр 1 дополнительно содержит модуль 21 (фиг. 9) модуляции, сконфигурированный для управления шириной полосы усиления полупроводникового усилителя.
В еще одном варианте выполнения спектрометр 1 содержит дополнительный блок 23 (фиг. 9) управления с обратной связью и блоки 22 калибровки длины волны для калибровки длины волны спектрометра 1 в режиме реального времени.
Способ измерения отраженного излучения от биологического объекта посредством спектрометра, основанного на перестраиваемом лазере на чипе, содержит следующие шаги.
Благодаря компактным размерам спектрометр можно разместить на руке пациента. После размещения спектрометра облучают биологическую ткань лазерным излучением, формируемым двумя и более резонаторами 10 (фиг 3), при этом перестраиваемый фильтр 14 А резонатора 10 А предназначен для грубого высокоскоростного измерения спектра отражения R (λ) (фиг. 10) цели при облучении ее светом, генерируемым резонатором 10 А (фиг. 3).
Осуществляют грубое высокоскоростное измерение спектра отражения R (λ) цели при облучении ее светом, генерируемым в настраиваемом фильтре 14 A указанного одного или более резонаторов путем перестроения длины волны источника посредством изменения коэффициента пропускания настраиваемого фильтра 14 А резонатора 10 (фиг. 3).
Анализируют полученный спектр R (λ) (фиг. 11) и определяют области, представляющие интерес, для выявления артефактов. Область интереса, например, может представлять собой участок на спектре источника света, содержащий острый пик (фиг. 11, прямоугольник, показан пунктирной линией).
Выполняют в областях, представляющих интерес, точные низкоскоростные измерения спектра отражения цели при облучении еесветом, генерируемым резонатором 10 B на основе перестраиваемого фильтра 14 B.
Перестроение длины волны света в волноводе осуществляют путем термооптического перестроения по длине волны оптического фильтра А и В, для чего осуществляют нагрев волновода в резонаторе, при этом длина волны источника изменяется от меньшей величины к большей, причем фильтрующая способность определяется показателем преломления материала, из которого изготовлены волноводы.
Возможен также вариант, когда перестроение длины волны света в волноводе осуществляют путем электрооптического перестроения по длине волны оптического фильтра А и В, для чего осуществляют изменение эффективного показателя преломления волновода в резонаторе путем приложения внешнего электрического поля к волноводу резонатора, при этом длина волны источника изменяется от меньшей величины к большей, причем фильтрующая способность определяется показателем преломления материала, из которого изготовлены волноводы.
Возможен также вариант, когда перестроение длины волны света в волноводе осуществляют путем акустооптического перестроения по длине волны оптического фильтра А и В, для чего осуществляют изменение спектра пропускания волновода в резонаторе путем воздействия ультразвуковыми колебаниями на указанный волновод, при этом длина волны источника изменяется от меньшей величины к большей, причем фильтрующая способность определяется показателем преломления материала, из которого изготовлены волноводы.
Плавное перестроение по длине волны осуществляется с применением двух микрорезонаторов 16 (фиг. 3), входящих в состав каждого из перестраиваемых фильтров 14 А и 14 В, работающих с применением эффекта Верньера.
В данном случае этот эффект выражается в значительном увеличении диапазона перестроения резонатора за счет каскадного расположения двух микрорезонаторов 16А, 16В, обладающих отличающимися спектрами пропускания оптического излучения.
1
2,
Если расстояние между пиками пропускания (и, соответственно, диапазон перестроения длины волны проходящего оптического излучения) первого микрорезонатора определяется как FSR, а второго как FSRто диапазон перестроения резонатора, состоящего из двух микрорезонаторов, определяется согласно выражению
,
1
2.
что может значительно превосходить величины FSRи FSR
Как указано выше, если необходимо измерять спектр в полосе, которая превышает полосу усиления полупроводникового усилителя, используют другой полупроводниковый усилитель с другой полосой усиления. Объединяя несколько перестраиваемых лазеров, каждый из которых основан на своем полупроводниковом усилителе со своей полосой, возможно просто объединять их полосы, т.е. пристыковывать одну к другой, чтобы в итоге покрыть весь диапазон.
На фиг.5 показан некий эталонный спектр, на основе массива перестраиваемых лазеров.
В какой–то начальный момент времени спектр излучения представляет собой набор узких полос длин волн, которые покрывают диапазон от 1500 до 1800 нм. Этот диапазон определяется объектом исследования. Если следует измерять биологические объекты, например, содержание глюкозы в человеческих тканях, необходимо делать измерение спектра в этом диапазоне, т.е. одним полупроводниковым усилителем, который покрывает примерно 50 нм, этого добиться невозможно. Нужно использовать несколько полупроводниковых усилителей.
На фиг.10 показан демонстрационный вариант спектра отражения от объекта, который получится, если его измерить с помощью массива перестраиваемых лазеров. В результате получают кривую, на которой каждая точка соответствует спектру отражения своей длины волны от объекта.
Сплошной линией показан спектр источника, пунктирной линией показан спектр отражения объекта, например, биологической ткани. В данном случае показано, что можно получить некий очень грубый спектр, т.е. сколько длин волн, столько точек и получают – это ломаная кривая. Это может быть не очень информативно на начальном этапе, но позволяет оценить время и выделить участки, важные для более точного измерения в дальнейшем.
Ниже отмечено, какую функцию выполняет резонатор:
– резонатор обеспечивает обратную связь, т.е. часть излучения, прошедшего через него, отправляется назад для усиления;
– резонатор обеспечивает фильтрацию излучения.
Теоретически любой фильтр оптический или основанный на каком–либо ином эффекте, может выполнять эту функцию.
Заявленная конфигурация спектрометра позволяет, когда генерируется излучение с двумя различными длинами волн λ1 и λ2 одновременно, во–первых, значительно уменьшить размеры всей схемы, потому что есть один самый большой элемент – полупроводниковый усилитель. И если с помощью одного гейн–чипа получают две различных длины волны на выходе, то тем самым уменьшают схему вдвое по сравнению со схемой с двумя полупроводниковыми усилителями, которые обеспечивали бы две различные длины волны. Но энергия полупроводникового усилителя не может делиться до бесконечности.
И кроме того, такая схема дает возможность реализовать заявленный способ измерения спектра при помощи одновременной перестройки двух различных длин волн по какому–либо заданному алгоритму.
Таким образом, осуществляется выборочное измерение спектра. Два режима измерения спектра, т.е. грубое и точное измерение, непосредственно связаны с использованием двух длин волн, получаемых от одного полупроводникового усилителя. Поскольку есть две волны излучения, можно осуществить для одной длины волны измерение грубое, а для второй длины волны – измерение точное.
Это обеспечивается следующим образом. В начальный момент при помощи одного фильтра, одного резонатора на эффекте Верньера, обеспечивается перестроение по длине волны, когда длина волны источника изменяется от меньшей к большей с максимально возможной допустимой скоростью. Но чем больше скорость, тем ниже разрешение, тем ниже сигнал шума. В этом случае получают некий грубый спектр отражения от объекта. Он подвержен флуктуациям, он может быть зашумленным, потому что измерение осуществлялось очень быстро. При этом детектируется сравнительно небольшое количество энергии в каждый момент времени.
После того как провели грубое измерение спектра, анализируют полученную кривую и находят на ней области, которые максимально интересны и важны.
Как правило, при измерении глюкозы сам по себе спектр целиком не столь информативен как отдельные его части. Особенно это актуально в тех случаях, когда спектр используется для определения некоего относительного изменения глюкозы или какого–то химического вещества. Т.е. может быть актуально определение относительного измерения спектра. В этом случае следует рассматривать какие–то участки спектра и то, как они изменяются.
Эти участки затем измеряют с более высокой точностью. Для этого используется режим точного измерения с использованием второй длины волны. Т.е. изменяют параметры второго резонатора таким образом, чтобы перестроение по длине волны осуществлялось с некой минимальной скоростью, но уже не во всем диапазоне, а в том диапазоне, который представляет интерес.
Т.е. сначала при помощи одного фильтра быстро сканируют, определяют участок спектра, который представляет интерес, и в его пределах сканируют медленно при помощи второй длины волны.
Преимущество использования двух длин волн заключается в следующем. Фильтрующая способность оптических фильтров определяется зависимостью эффективного показателя преломления материала, из которого они изготовлены, от температуры. Т.е. перестроение осуществляется при помощи нагрева этих резонаторов. Нагрев – это процесс инерционный и нагреть специальные металлические контакты гораздо проще, чем охладить, особенно в носимом устройстве, где не предусматриваются специальные системы активного охлаждения. В этом случае благодаря наличию двух отдельных наборов фильтров с двумя источниками излучения, можно обеспечить нагрев одного резонатора, грубую перестройку, а потом осуществить точную перестройку, нагревая второй резонатор, при этом не требуется охлаждать первый резонатор, ждать некоторое время, пока он достаточно охладиться, чтобы опять с его помощью осуществить перестройку. В этом случае повышается производительность и быстродействие всего устройства.
Главное преимущество в том, что, используя два источника, не требуется охлаждать каждый из них, можно сканировать дважды, первым и вторым, нагревая поочередно первый и второй.
Во втором случае перестроение микрорезонаторов может достигаться не только при изменении температуры, т.е. путем нагрева, но и при помощи различных электрооптических эффектов. Т.е. если для создания микрорезонаторов используется не обычный кремний, а различные материалы, которые обладают значительным электрооптическим эффектом, т.е. изменением эффективного показателя преломления в зависимости от прикладываемого к ним внешнего электромагнитного поля, к таким материалам относится, например, ниобат лития, то обеспечивается возможность не изменять температуру, а изменять прикладываемое электромагнитное поле.
В случае, если используется блок 22 калибровки длины волны, работа осуществляется следующим образом.
Каждый из источников излучения генерирует свет, который попадает на блок 22 калибровки. Блок 22 калибровки определяет, действительно ли генерируемая длина волны соответствует таковой, заложенной в алгоритм управления резонатором 10. Перестроение осуществляется из предположения, что есть некая зависимость между сигналом управления и длиной волны результирующего излучения.
Однако эта зависимость подвержена внешнему влиянию, каким–то помехам. В случае температуры, могут быть какие–то эффекты, связанные с дополнительным нагревом всей подложки, на которой размещена схема. И длина волны может отличаться от желаемой, т.е. есть разница между истинной и требуемой длиной волны. Для компенсации этого эффекта используется дополнительный модуль калибровки по длине волны, который объединен с модулем обратной связи источника питания полупроводникового усилителя.
Сравнивая длину волны и получая в этом блоке некий сигнал о разности между истинной и необходимой длиной волны, формируют сигнал обратной связи и изменяют питание полупроводникового усилителя, чтобы уменьшить сигнал и изменить требуемую длину волны.
Промышленная применимость
Предложенный спектрометр может быть использован для: измерения изменение концентрации глюкозы в крови, измерения уровня оксигенации крови, т.е. насыщения крови кислородом, определения артериального давления, определение уровня подкожного жира, оценки состояния кожи человека для косметических целей, оценка уровня увлажненности кожи, а также для оценки качества пищи, оценки лекарственных препаратов, анализа питьевой бутилированной воды.