激光器系统

a)可调谐QCL
与传统的热辐射光源相比，QCL 辐射亮度高，光束质量好。

近年来，随着对QCL 的研究深入，QCL 的阈值电流密度不断下降，而工作温度和峰值功率普遍提高，单芯片的增益范围不断拓宽。

已经有多种工作温度在300K 以上，峰值功率大于100mW ，波长在800-2000cm -1之间，单芯片增益范围数百波数的QCL 实现商用。

根据本项目需求，拟选择Daylight Solutions 公司的üT-9型QC 器件，其光谱参数如图4所示。

由图可以看出，此器件包含了本项目所需要的光谱波段，最大峰值功率达到400mW 。

由于不同波长下的光谱功率响应不同，通过调节电源工作电流或使用滤光片实现功率均衡，以保证仪器在不同波长下具有相近的信噪比。

图4 üT-9型QC 器件的光谱参数
在光谱分析应用中，常用外腔方式对QCL 进行调谐构成外腔量子级联激光器（External Cavity-QCL ，EC-QCL ），本项目拟采用光栅调谐的方式，如图5所示。

光栅
QC 芯片
透镜1
透镜2
AR 膜
带TEC 基座
光栅转动控制
QC 温度控制
QC 电流控制
QCL 控制器
激光输出
图5 光栅调谐外腔示意图
当QC 芯片的准直输出光入射到光栅上时，光栅会将大于零级的同一级衍射光按不同波长在空间上依次展开。

通过旋转光栅改变共振波长，实现激光器的调谐输出。

该方案中，电流驱动方式、温控方式、波长控制方式等诸多因素，都会影响EC-QCL 的可靠性。

本项目拟对这些关键技术问题进行重点研究，开发出满足需求的EC-QCL 。

b)高效光收集系统
人体漫反射光谱中有效信号微弱，而常规光谱仪器的光能利用率较低，很难达到无创血糖监测所需精度。

本项目采用非成像光学设计方法，设计皮肤漫反射光收集装置，提高光能利用率。

c) 高信噪比光信号探测与采集系统
探测器系统作为光信息收集的重要部分，需要具有高探测灵敏度和低噪声功率。

国外已经有商品化的高性能基频波段探测器，如Pyreos公司生产的薄膜热释电探测器响应度达到3000V/W，D*大于1×108@300K，100Hz，热响应时间10ms左右；SELEX GALILED公司生产的DLATGS响应度超过2000V/W，D*大于1×108@300K，100Hz，热响应时间小于5ms。

这些探测器的性能远远高于传统的热释电探测器。

本项目拟根据需求选购适合的基频波段探测器。

课题组在前期工作中曾自行设计了一套前置放大与采集系统，如图6所示。

经测试，该系统的信噪比为7000：1，还需要进一步提升性能以满足本项目无创伤血糖监测的需要。

图6 自制前置放大与采集系统
d)软硬件接口与控制系统
基频波段的仪器软硬件接口与控制系统的结构如图7所示，主要分为：主控系统、温控模块（QCL与探测器）、QCL外腔调谐光栅控制模块、数据采集模块、数据存储与传输模块。

图7 基频波段仪器的软硬件接口与控制系统
1）合频波段的仪器硬件设计
本项目合频波段采用高亮度LED作为光源，分光与探测系统有两种方式，一是采用线性渐变滤光片(Linear Variable Filter)结合高精度阵列探测器；二是采用声光可调滤光器（AOTF）结合高精度单元探测器。

a)合频波段高亮度LED
合频波段的LED亮度比同波段卤钨灯亮度有数量级的提升。

但对于LED光源，若
要达到最优的光谱分析能力，还需要解决以下问题。

① 消除LED 温度变化对其发光特性的影响。

LED 对温度变化敏感，当温度变化时，LED 的中心波长也随之变化。

一些LED 产品（如IBSG 公司）封装了热敏电阻和制冷片，研究设计外接温控电路，可以有效地对LED 的工作温度进行控制，消除温度变化的影响。

② LED 光谱的拓展。

单个LED 光源带宽较窄，不能满足本项目的应用需求。

拟采用多个LED 组合的方式来扩展波段，通过调节各个LED 的脉冲电流强度，实现光谱分布平稳的宽波段光源。

本项目拟采用两种LED 光源耦合方案，即采用菲涅尔透镜或者光纤耦合方式。

其中，菲涅耳透镜的优点是孔径大，轻、薄，结构简单；光纤束耦合的优点是光路灵活，采样方便。

我们将在研究过程中对这两种方案加以比较，并从中选择最优方案。

③
高精度脉冲电源。

LED 直流供电时为避免结温过高，供电电流一般都在100mA
左右，光功率仅几毫瓦；而采用脉冲方式供电时，电流可以达到1-2A ，对应的光功率可以达到几十毫瓦，比直流工作方式高出一个量级。

脉冲工作方式下的LED 更符合本项目的要求，但需要有高精度的脉冲电源以保证LED 光源的稳定性。

Keithley 公司生产的高精度数字源表的指标能够满足本项目的需求。

b)分光系统
本项目在合频波段拟采用线性渐变滤光片(LVF)和声光可调滤光器（AOTF ）分别作为分光器件，配合相应的探测系统实现光谱采集。

① 线性渐变滤光片
利用线性渐变滤光片作为分光器件的光谱仪器不但通量较大，而且结构简单，具有较高的可靠性和稳定性。

我们曾委托杭州麦乐克电子科技有限公司试制了线性渐变带通滤光片样片，光谱分布如图8所示。

图中不同曲线对应着不同的滤光片空间位置。

根据项目要求对现有膜系设计方案进行优化，镀制出满足波长渐变率等设计指标的线性渐变滤光片。

Wavelength(nm)
14901500151015201530
14800204060
70
503010T r a n s m i t t a n c e (%)
图8 线性渐变滤光片实测光谱图。