CN101251616A - 一种空芯光子晶体光纤及利用该光纤的光谱测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明为解决现有荧光光谱仪测量装置荧光能量收集困难，灵敏度低、测量数据不准确、应用范围小等技术问题，提供一种低非线性、低色散的双包层空芯光子晶体光纤；一种利用该双包层空芯光子晶体光纤进行泵浦样品和收集光谱从而进行物质测量的光谱测量装置，其结构简单、测量灵敏度和准确度高；一种利用该双包层空芯光子晶体光纤对混合物中单个组分进行单独测量的光谱测量装置；一种利用该双包层空芯光子晶体光纤对样品进行多点测量的光谱测量装置；实现了荧光光谱仪测量装置多领域的广泛应用。

Description

一种空芯光子晶体光纤及利用该光纤的光谱测量装置技术领域本发明涉及一种空芯光子晶体光纤及利用该光纤的光谱测量装置，具体地 涉及一种双包层空芯光子晶体光纤和利用该双包层空芯光子晶体光纤进行泵浦 样品和收集光谱从而进行物质测量的光谱测量装置。 背景技术荧光测量在许多生物学（叶绿素和类胡萝卜素）、生物医学（荧光病变诊断） 和环境科学应用中是非常必要的一种手段。因为荧光能量比激发光能量要小，对于大多数荧光应用来说，产生的荧光能量只占激发光能量的3%左右，而且一 般都是散射光，所以荧光测量通常需要髙灵敏度的光谱仪，同时对荧光的收集 和传导也直接影响光谱仪数据测量的准确度。目前的荧光光谱仪测量装置普遍 要求高灵敏度高精准的光谱仪，通过多根实芯光纤组成的光纤束来对荧光进行 收集和传导，该类荧光光谱仪测量装置通过对被测物质进行激光激发后产生荧 光能量，但收集到的荧光能量很少，荧光在传导过程中易产生色散损耗，导致 灵敏度低、测量数据不准确。实芯光纤束在传输过程中易产生大量背景噪声， 影响测量灵敏度，当激发光为脉冲波时，波形不易保持，呈现出高非线性，同 样影响测量灵敏度。同时，对于一些混合物中某单个组分的测量， 一般的现有 荧光光谱仪测量装置还不能解决组分之间的干扰问题，使得光谱数据分析难度 大，测量不准确。另外，对于一些单一性低，组分及含量分布不均匀的样品， 需同时对样品进行多点取样测量，现有荧光光谱仪测量装置也不能实现。 发明内容本发明的目的是克服现有荧光光谱仪测量装置荧光能量收集困难，易产生色散损耗和背景噪声，灵敏度低、测量数据不准确等缺点，提供一种双包层空 芯光子晶体光纤， 一种利用该双包层空芯光子晶体光纤进行泵浦样品和收集光 谱从而进行物质测量的光谱测量装置， 一种利用该双包层空芯光子晶体光纤对 混合物中单个组分进行单独测量的光谱测量装置， 一种利用该双包层空芯光子 晶体光纤对样品进行多点测量的光谱测量装置，以实现各种生化及医用样品包 括医学中血氧含量等样品数据的测定。本发明通过以下技术方案来实现发明目的：一种空芯光子晶体光纤，中间为空芯层，同轴径向设置有内空气孔阵列层、 外圆环包层和涂覆层，在内空气孔阵列层外设置有内圆环包层，在内圆环包层 和外圆环包层之间设置有外空气孔阵列层，所述内空气孔阵列层、内圆环包层、 外空气孔阵列层和外圆环包层都采用同一种材料，所述内圆环包层的壁厚是内 空气孔阵列层和外空气孔阵列层中空气孔壁厚的100倍以上。一种利用空芯光子晶体光纤的选择性光谱测量装置，该装置包括激光发射 源、光隔离器、二色镜、耦合物镜、空芯光子晶体光纤和光谱仪，在激光发射 源发射的激光光路上依次设置光隔离器和二色镜，使激光通过光隔离器后以45 度入射角入射到二色镜上，在激光经二色镜的反射光路上依次设置耦合物镜、 空芯光子晶体光纤，空芯光子晶体光纤一端与耦合物镜相连，另一端连接样品， 光谱仪设置在沿激光经二色镜的反射光路的相反方向上，位于二色镜的后方。一种利用空芯光子晶体光纤的多点光谱测量装置，包括激光发射源、光开 关、光纤耦合器、多模光纤和光谱仪，激光发射源发出激光由光纤传导并接入 光开关，光纤耦合器连接光开关接出端和3至5根多模光纤，多模光纤连接样 品，光谱仪与光纤耦合器通过光纤连接，所述多模光纤连接样品的一端接有一段空芯光子晶体光纤，空芯光子晶体光纤中内圆环的直径小于多模光纤的纤芯 直径，空芯光子晶体光纤与样品连接。所述的一种双包层结构的空芯光子晶体光纤，中间为纤芯，它传导由内空 气孔阵列层所限定的处于光子带隙内的光，内圆环的壁厚远大于内空气孔阵列层和外空气孔阵列层中空气孔壁的厚度，至少为100倍以上，内空气孔阵列层和外空气孔阵列层的折射率均小于内圆环的折射率，以形成波导条件，从而确 保激发样品后的散射光或荧光能够在内圆环内传输。外空气孔阵列层的空气孔 为大空气孔阵列，孔径大于内空气孔阵列层中空气孔孔径，内空气孔阵列层、 内圆环包层、外空气孔阵列层和外圆环包层都采用同一种材料，涂覆层的折射 率高于该种材料的折射率，起到剥离外圆环包层内传输光并且增加光纤柔韧性 的作用。所述的一种利用空芯光子晶体光纤的光谱测量装置，激光光源发出准直的 激光经光隔离器入射到二色镜，光隔离器能防止反射回的光反馈进入激光光源而影响激光的运转，激光经光隔离器以45度入射角入射到二色镜，当激光45 度入射二色镜时，具有很高的反射率，激光以45度出射角射出并进入耦合物镜， 耦合物镜将光耦合入光子晶体光纤的空气纤芯内，遇到纤芯内样品后与样品作 用，激发出荧光或拉曼散射光，这些光谱被光纤的内圆环收集，而经光子晶体 光纤反向传导到耦合物镜，再经二色镜高度透射进入光谱仪，进行光谱分析， 所述二色镜对于激发样品产生的荧光或拉曼散射光能保持高度透过而同时对激 光能保持高度反射。该装置对不同样品的检测可釆用不同的方法，对于气体或 折射率小于制作该种光纤所用的材料折射率的液体，可将样品吸进光纤的一段 气孔内，因样品折射率低于光纤的折射率，不影响内圆环包层作为接收被测量物质的散射光或荧光的波导性质。如待测液体折射率高于光纤材料折射率，可 控制光纤不插入样品中，而是使光纤端头与样品近距离靠近，用激光在近距离 激发样品产生荧光或散射光，散射光谱或荧光光谱被光纤的内圆环接收，进入外圆环的部分则被涂覆层6剥离掉以实现测量。如待测液体折射率高于光纤材 料折射率，还可通过光子晶体光纤气孔选择性封装的技术，选用折射率小于光 纤材料的固化胶封装外空气孔阵列层，从而使内圆环仍然保持波导性质，然后 将液体吸入光纤纤芯内进行检测。该光谱测量装置具体测量时，空芯光子晶体光纤连接样品的一端可以直接 插入样品中进行测量，也可以在插入样品后，使样品在毛细管效应的作用下进 入空芯光子晶体光纤空芯内一段，再从样品中取出，在靠近空芯光子晶体光纤 装有样品的一端设置一凹面镜，凹面镜凹面正对空芯光子晶体光纤端面，以收 集样品受激发后产生的荧光或拉曼散射光并集中反射到空芯光子晶体光纤中， 由空芯光子晶体光纤传导直至光谱仪进行光谱测量。也可以把凹面镜换为平面 镜，平面镜要求紧靠空芯光子晶体光纤端面。上述一种利用空芯光子晶体光纤的选择性光谱测量装置，在某些混合物中 单个组分的测量中，可以在空芯光子晶体光纤连接样品一端的空芯内填充荧光 材料，并用选择性膜把该空芯光子晶体光纤端面封住，再插入样品中进行测量， 所述选择性膜可根据被测物质的特性选用，使得被测物质能透过该选择性膜而 其他物质不能透过。所述的一种利用空芯光子晶体光纤的多点光谱测量装置，其测量过程是： 激光发射源发射激光经多模光纤传导至光开关，光开关连接光纤耦合器，光纤耦合器接出有3至5根多模光纤，通过光开关和光纤耦合器控制激光在不同的多模光纤中切换并传导，激光由多模光纤传导到空芯光子晶体光纤，并由空芯 光子晶体光纤作为测量光纤实现样品的激光激发，然后收集并传导激发产生的 散射光或荧光，经多模光纤传入光纤耦合器，再由多模光纤把散射光或荧光光 谱接入光谱仪进行测量分析。本发明的有益效果是：利用空芯光子晶体光纤的空气纤芯传导激光，具有 低非线性、低色散特点，当激发光为脉冲时，有利于脉冲形状的保持，同时激 光在空气纤芯内传输可以大大降低强激光（或高峰值功率的泵浦脉冲）的石英 散射所形成的背景噪声，从而提高测量灵敏度和准确度，利用空芯光子晶体光 纤的光谱测量装置简单实用，通过一根光纤可以实现激发测量样品、收集受激 样品散射光或荧光、传导激光和受激样品散射光或荧光的功能。当测量样品进 入光纤后，由于激光大部分能量在空气纤芯内传输，将大大提高光和样品的交 叠面，从而增大作用效果，提高测量的灵敏度和准确度。利用空芯光子晶体光 纤的选择性光谱测量装置能实现混合物样品中目标组分的单独测量，结构简单 操作方便。利用空芯光子晶体光纤的多点光谱测量装置能针对样品进行多点多 方位测量，提高了测量的准确度和装置应用的灵活度。 附图说明图1，空芯光子晶体光纤结构图。图2，实施例l的测量装置图。图3，实施例2的测量装置图。 图4，实施例3的测量装置图。 图5，实施例4的测量装置图。 图6，实施例5的测量装置图。图中：1空芯、2内空气孔阵列层、3内圆环包层、4外空气孔阵列层、5 外圆环包层、6涂覆层；A激光光源、B光隔离器、C二色镜、D耦合物镜、E 空芯光子晶体光纤、Fl凹面镜、F2平面镜、G光谱仪、H荧光材料、I选择性 膜、J光开关、K光纤耦合器、L多模光纤。 具体实施方式实施例1:一种空芯光子晶体光纤，中间为空芯层l，同轴径向设置有内空气孔阵列层 2、外圆环包层5和涂覆层6，在内空气孔阵列层2外设置有内圆环包层3，在 内圆环包层3和外圆环包层5之间设置有外空气孔阵列层4，所述内空气孔阵列 层2、内圆环包层3、外空气孔阵列层4和外圆环包层5都采用玻璃材料，所述 内圆环包层3的壁厚10微米，内空气孔阵列层2中空气孔壁厚二十纳米，外空 气孔阵列层4中空气孔壁厚三十纳米。一种利用空芯光子晶体光纤的光谱测量装置，该装置包括激光发射源A、 光隔离器B、 二色镜C、耦合物镜D、空芯光子晶体光纤E和光谱仪G，在激光 发射源A发射的激光光路上依次设置光隔离器B和二色镜C，使激光通过光隔 离器B后以45度入射角入射到二色镜C上，在激光经二色镜C的反射光路上 依次设置耦合物镜D、空芯光子晶体光纤E，空芯光子晶体光纤E —端与耦合 物镜D相连，另一端插入样品池中，光谱仪G设置在沿激光经二色镜C的反射 光路的反向延长线上，位于二色镜C的后方。具体测量时，激光光源A所发出 的激光（假定为532nm绿光），经光隔离器B入射到二色镜C上，二色镜C对 532nm的绿光45度高度反射后经耦合物镜D会聚到空芯光子晶体光纤E的空芯 1中，激光激发空芯1中的样品产生荧光或拉曼光，空芯光子晶体光纤E收集荧光或拉曼光并由内圆环包层3传导，经耦合物镜D入射二色镜C上，二色镜C 对激光泵浦产生的荧光或拉曼光能45度高度透过，再由光谱仪G进行接收和测 量分析，二色镜C同时也可防止532nm泵浦激光进入光谱测量系统。 实施例2:一种空芯光子晶体光纤，中间为空芯层l，同轴径向设置有内空气孔阵列层 2、外圆环包层5和涂覆层6，在内空气孔阵列层2外设置有内圆环包层3，在 内圆环包层3和外圆环包层5之间设置有外空气孔阵列层4，所述内空气孔阵列 层2、内圆环包层3、外空气孔阵列层4和外圆环包层5都采用玻璃材料，所述 内圆环包层3的壁厚10微米，内空气孔阵列层2中空气孔壁厚二十纳米，外空 气孔阵列层4中空气孔壁厚30纳米。一种利用空芯光子晶体光纤的光谱测量装置，该装置包括激光发射源A、 光隔离器B、 二色镜C、耦合物镜D、空芯光子晶体光纤E和光谱仪G，在激光 发射源A发射的激光光路上依次设置光隔离器B和二色镜C，使激光通过光隔 离器B后以45度入射角入射到二色镜C上，在激光经二色镜C的反射光路上 依次设置耦合物镜D、空芯光子晶体光纤E，空芯光子晶体光纤E —端与耦合 物镜D相连，另一端装有样品，光谱仪G设置在沿激光经二色镜C的反射光路 的反向延长线上，位于二色镜C的后方。在靠近空芯光子晶体光纤E装有样品 的一端设置一凹面镜Fl，凹面镜Fl凹面正对空芯光子晶体光纤E的端面。具 体测量时，激光光源A所发出的激光（假定为532nm绿光），经光隔离器B入 射到二色镜C上，二色镜C对532nm的绿光45度髙度反射后经耦合物镜D会 聚到空芯光子晶体光纤E的空芯1中，激光激发空芯1中的样品产生荧光或拉 曼光，空芯光子晶体光纤E收集荧光或拉曼光并由内圆环包层3进行传导，同时凹面镜F1也把收集到的荧光或拉曼光会聚到内圆环包层3所限定的区域内并 由内圆环包层3进行传导，收集到的荧光或拉曼光经耦合物镜D入射二色镜C 匕二色镜C对激光泵浦产生的荧光或拉曼光45度高度透过，再由光谱仪G进 行接收和测量分析。 实施例3:一种空芯光子晶体光纤，中间为空芯层l，同轴径向设置有内空气孔阵列层 2、外圆环包层5和涂覆层6，在内空气孔阵列层2外设置有内圆环包层3，在 内圆环包层3和外圆环包层5之间设置有外空气孔阵列层4，所述内空气孔阵列 层2、内圆环包层3、外空气孔阵列层4和外圆环包层5都采用玻璃材料，所述 内圆环包层3的壁厚10微米，内空气孔阵列层2中空气孔壁厚二十纳米，外空 气孔阵列层4中空气孔壁厚三十纳米。一种利用空芯光子晶体光纤的光谱测量装置，该装置包括激光发射源A、 光隔离器B、 二色镜C、耦合物镜D、空芯光子晶体光纤E和光谱仪G，在激光 发射源A发射的激光光路上依次设置光隔离器B和二色镜C，使激光通过光隔 离器B后以45度入射角入射到二色镜C上，在激光经二色镜C的反射光路上 依次设置耦合物镜D、空芯光子晶体光纤E,空芯光子晶体光纤E —端与耦合 物镜D相连，另一端装有样品，光谱仪G设置在沿激光经二色镜C的反射光路 的相反方向上，位于二色镜C的后方。在空芯光子晶体光纤E装有样品的一端 设置一平面镜F2，平面镜F2正面紧靠空芯光子晶体光纤E的端面。具体测量 时，激光光源A所发出的激光（假定为532nrn绿光），经光隔离器B入射到二 色镜C上，二色镜C对532nm的绿光45度高度反射后经耦合物镜D会聚到空 芯光子晶体光纤E的空芯1中，激光激发空芯1中的样品产生荧光或拉曼光，空芯光子晶体光纤E收集荧光或拉曼光并由内圆环包层3进行传导，同时平面 镜F2也把收集到的荧光或拉曼光直接反射并由内圆环包层3进行传导，收集到 的荧光或拉曼光经耦合物镜入射二色镜C上，二色镜C对激光泵浦产生的荧光 或拉曼光45度高度透过，再由光谱仪G进行接收和测量分析。 实施例4:一种空芯光子晶体光纤，中间为空芯层l，同轴径向设置有内空气孔阵列层 2、外圆环包层5和涂覆层6，在内空气孔阵列层2外设置有内圆环包层3，在 内圆环包层3和外圆环包层5之间设置有外空气孔阵列层4，所述内空气孔阵列 层2、内圆环包层3、外空气孔阵列层4和外圆环包层5都采用玻璃材料，所述 内圆环包层3的壁厚10微米，内空气孔阵列层2中空气孔壁厚二十纳米，外空 气孔阵列层4中空气孔壁厚三十纳米。一种利用空芯光子晶体光纤的光谱测量装置，该装置包括激光发射源A、 光隔离器B、 二色镜C、耦合物镜D、空芯光子晶体光纤E和光谱仪G,在激光 发射源A发射的激光光路上依次设置光隔离器B和二色镜C，使激光通过光隔 离器B后以45度入射角入射到二色镜C上，在激光经二色镜C的反射光路上 依次设置耦合物镜D、空芯光子晶体光纤E，空芯光子晶体光纤E —端与耦合 物镜D相连，另一端空芯l内装有荧光材料H并用选择性膜I把端面封住，同 时装有荧光材料H的空芯光子晶体光纤E —端插入到样品中。光谱仪G设置在 沿激光经二色镜C的反射光路的相反方向上，位于二色镜C的后方。具体测量 时，激光光源A所发出的（假定为532nm绿光），经光隔离器B入射到二色镜 C上，二色镜C对532nm的绿光45度高度反射后经耦合物镜D会聚到空芯光 子晶体光纤E的空芯1中，激光激发空芯1中的荧光材料H产生荧光或拉曼光，空芯光子晶体光纤E收集荧光或拉曼光并由内圆环包层3进行传导，经耦合物 镜D入射二色镜C上，二色镜C对激光泵浦产生的荧光或拉曼光45度高度透 过，再由光谱仪G进行接收得到荧光材料H的光谱数据，然后再把装有荧光材 料H的空芯光子晶体光纤E的一端插入到样品中，此时被测物质透过选择性膜 I进入空芯光子晶体光纤E中，被测物质和荧光材料发生作用，从而影响了产生 的荧光或拉曼光的效率，因此荧光或拉曼光的强度也随之发生变化，光谱仪G 通过分析对照的光谱数据可得到被测物质的相关测量数据。 实施例5:一种空芯光子晶体光纤，中间为空芯层l，同轴径向设置有内空气孔阵列层 2、外圆环包层5和涂覆层6，在内空气孔阵列层2外设置有内圆环包层3，在 内圆环包层3和外圆环包层5之间设置有外空气孔阵列层4,所述内空气孔阵列 层2、内圆环包层3、外空气孔阵列层4和外圆环包层5都采用玻璃材料，所述 内圆环包层3的壁厚10微米，内空气孔阵列层2中空气孔壁厚二十纳米，外空 气孔阵列层4中空气孔壁厚三十纳米。一种利用空芯光子晶体光纤的多点光谱测量装置，包括激光发射源A、光 开关J、光纤耦合器K、多模光纤L和光谱仪G，激光发射源A发出激光由多模 光纤L传导并接入光开关J，光纤耦合器K连接光开关J接出端和3至5根多模 光纤L，光谱仪G与光纤耦合器K通过多模光纤L连接，多模光纤L连接样品 的一端接有一段空芯光子晶体光纤E，空芯光子晶体光纤E中内圆环3的直径 小于多模光纤L的纤芯直径，空芯光子晶体光纤E与样品连接。具体测量时， 激光发射源A发射激光经多模光纤L传导至光开关J，光开关J连接光纤耦合器 K，光纤耦合器K接出有3至5根多模光纤L，通过光开关J和光纤耦合器K控制激光在不同的多模光纤L中切换并传导，激光由多模光纤L传导到空芯光 子晶体光纤E，并由空芯光子晶体光纤E作为测量光纤实现样品的激光激发， 然后收集并传导激发产生的散射光或荧光，经多模光纤L传入光纤耦合器K， 再由多模光纤L把散射光或荧光光谱接入光谱仪G进行测量分析。

Claims (6)

1、一种空芯光子晶体光纤，中间为空芯层，同轴线径向设置有内空气孔阵列层、外圆环包层和涂覆层，其特征在于： A.在所述的内空气孔阵列层(2)外设置有内圆环包层(3)，在内圆环包层(3)和外圆环包层(5)之间设置有外空气孔阵列层(4)； B.所述内空气孔阵列层(2)、内圆环包层(3)、外空气孔阵列层(4)和外圆环包层(5)都采用同一种材料； C.所述内圆环包层(3)的壁厚大于内空气孔阵列层(2)和外空气孔阵列层(4)中空气孔壁厚的100倍。

2、 一种利用空芯光子晶体光纤的光谱测量装置，包括激光发射源、光隔离 器、二色镜、耦合物镜、测量光纤和光谱仪，在激光发射源发射的激光光路上 依次设置光隔离器和二色镜，使激光通过光隔离器后以45度入射角入射到二色 镜上，在激光经二色镜的反射光路上依次设置耦合物镜、测量光纤，测量光纤 一端与耦合物镜相连，另一端连接样品，光谱仪设置在沿激光经二色镜的反射 光路的反向延长线上，位于二色镜的后方，其特征在于：所述测量光纤为权利 要求1所述的空芯光子晶体光纤（E)。

3、 根据权利要求2所述的一种利用空芯光子晶体光纤的光谱测量装置，其 特征在于：在靠近空芯光子晶体光纤（E)装有样品的一端设置一凹面镜（Fl)， 凹面镜（Fl)凹面正对空芯光子晶体光纤（E)的端面。

4、 根据权利要求2所述的一种利用空芯光子晶体光纤的光谱测量装置，其 特征在于：在空芯光子晶体光纤（F2)装有样品的一端设置一平面镜（F2)，平 面镜（F2)正面紧靠空芯光子晶体光纤（E)的端面。

5、 一种利用空芯光子晶体光纤的光谱测量装置，包括激光发射源、光隔离器、二色镜、耦合物镜、测量光纤和光谱仪，在激光发射源发射的激光光路上依次设置光隔离器和二色镜，使激光通过光隔离器后以45度入射角入射到二色 镜上，在激光经二色镜的反射光路上依次设置耦合物镜、测量光纤，测量光纤 一端与耦合物镜相连，另一端连接样品，光谱仪设置在沿激光经二色镜的反射光路的反向延长线上，位于二色镜的后方，其特征在于：所述测量光纤为权利要求1所述的空芯光子晶体光纤（E)，在空芯光子晶体光纤（E)连接样品的一 端的空芯（1)内放置荧光材料（H)，并用选择性膜（I)把该端面封口。

6、 一种利用空芯光子晶体光纤的光谱测量装置，包括激光发射源、光开关、 光纤耦合器、多模光纤和光谱仪，激光发射源发出激光由多模光纤传导并接入 光开关，光纤耦合器连接光开关接出端和3至5根多模光纤，多模光纤连接样 品，光谱仪与光纤耦合器通过多模光纤连接，其特征在于：所述多模光纤连接 样品的一端接有一段权利要求1所述的空芯光子晶体光纤（E)，空芯光子晶体 光纤（E)中内圆环包层（3)的直径小于多模光纤的纤芯直径，空芯光子晶体 光纤（E)与样品连接。