[发明专利]光子晶体光波导太阳光谱分光器

说明书

技术领域

本发明涉及一种光学光谱仪。更具体的说本发明涉及一步式光子晶体光波导太阳光谱分光器。

背景技术

雨后的彩虹经常在天际形成一道美丽的风景线。彩虹的美丽色泽来自太阳光的宽广光谱。当太阳光谱通过湿空气中的雨滴折射被分离后，一道壮观的景象就在天边形成了。象在自然界中一样，在科学界中，宽波段的光也常常需要被分离为其组成成分。具体的在能源利用领域，例如在聚光太阳能光伏领域，就很有必要将聚焦的太阳光进行分离而且将分离的成分传导到不同的地方。例如，在超高效率聚光光伏系统的设计过程中，其中一种实现途经分离聚焦的太阳光并将分离的成分传导到禁带宽度与之匹配的的半导体太阳电池上；这些太阳电池连接构成集成电路太阳电池以最大化电力输出。在用于超高效率集成电路太阳电池的太阳光谱分光器中，高强度的光子流在流动的过程中被分离成不同波长的成分；这些不同的波长成分被传输到其禁带宽度与光子能量匹配的半导体太阳电池中。用于超高效率光伏应用的太阳光谱分光器必须在光谱分光和能量传输两方面都具有高效性。

用于分离光或者分析光波长成分的仪器叫做光谱仪。现有绝大多数光谱仪都是成象系统，其包含三个主要的部分[1]，由准直透镜构成的准直单元，光谱单元，由聚焦透镜构成的照相机或者望远镜。在成像系统中，通过把光谱单元设置在光圈站点上，系统机构就可以形成单色光的影象。影像的场是由在准直透镜的前焦平面光圈的场决定的。聚焦透镜完成站点场的成像。

光谱单元是所有光谱仪的基础部件。在可见光和近可见光光谱区间，此单元通常是棱镜，光栅，法布里-波罗干涉仪，或者是一种版本的密切尔森干涉仪[1]。这些光谱单元在平面波下操作。棱镜根据不同的光波长改变光的传播方向。准直光学系统衍射入射光平面上的每一个点来产生平面波。聚光透镜将不同的离开光谱单元的平面波汇聚到不同的点上，从而完成出射能量的空间分析。

相对于能源利用，当前基于平面波干涉和材料折射的光谱仪无法完成根据光波长分离高强度光能流并且高效率传输分离的光能流成份的任务。换句话来说，作为能量应用的光谱仪必须同时分离光谱和收集分离后的成分。具体地说，迄今为止，绝大多数光谱仪都具有以下缺点：

1)作为成像系统，现有的绝大多数光谱仪只能处理平行光或者平面波。但是对太阳能应用，太阳光是直射光和散射光的混合。现有的光谱仪无法处理散射光。

2)大多数光谱仪是用于分析入射光获得光谱信息的。他们并不适合做能量应用。

3)在现有的光谱仪中，直射光是在自由空间中传播的，不象在光波导中，其能量流动是不可控制的。

4)现有光谱仪的分辨率是由分光方式决定的。

5)单个光谱仪无法同时处理宽波段的频谱。

6)现有光谱仪的功率输出是由其本质属性所决定的，因而其不适合做能量处理设备。

7)现有光谱仪的结构比较复杂。

8)现有光谱仪系统不够紧凑。

9)现有光谱仪系统由精密的光学过程构成，所以其整个系统不够可靠耐用。

10)现有的光谱仪通常最为独立的光谱分析仪器加以应用，其不易集成进入其他系统。

11)应用于现有光谱仪的精密光学系统非常昂贵。

由此可见，现有光谱仪的本质属性将其限制在处理平行光或者平面波，他们无法处理散射光和其他类型的波。通常情况下，现有的光谱仪需要准直光学系统和输出光学系统来完成分离光的作用，这使得系统结构过于复杂。现有光谱仪中，入射光和出射光都在自由空间中传播没有束缚，因而其很难同时实现光谱分离和分离组分的收集。现有的光谱仪更适合做光谱分析。从能量利用的角度出发，现有光谱仪的工作原理不可能有效地分离和收集宽波段的光谱。现有的光谱仪依靠输入和输出光学系统的帮助来实现光谱的有效分离。系统在光谱分析方面非常有效，但是其在能量分离方面并非有效。