CN104597030A - 一种基于空心光子晶体光纤的物质检测装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于空心光子晶体光纤的物质检测装置，包括激光源、光束耦合部件、入射端机械部件、流体测量部件、出射端机械部件和拉曼光谱探测器；激光源出射光束光路上设置有光束耦合部件，光束耦合部件将激光源出射光束耦合进入流体测量部件，入射端机械部件上设置有第一流体通道口，流体测量部件的另一端出口的光路上设置有拉曼光谱探测器，用于检测拉曼散射信号，在流体测量部件和拉曼光谱探测器设置有出射端机械部件，入射端机械部件上设置有第二流体通道口；本发明具有高灵敏度、高信噪比、可检测液态和气态物质、系统易于构建、应用范围广、功能易于扩充的特点。
Description
技术领域
本发明属于光学技术领域，涉及一种物质检测装置，特别是一种基于空心光子晶体光纤的物质检测装置，主要应用于食品安全、质量检测、环境监测、生物研究、生命科学、医学医疗、过程控制、国防安全、检疫检验等领域中的物质检测。
背景技术
物质检测需求广泛存在于食品安全、质量检测、环境监测、生物研究、生命科学、医学医疗、过程控制、国防安全、检疫检验等领域，并且这些领域对物质检测的要求越来越高。在先技术中存在一种物质检测装置，原理是基于印度科学家拉曼所发现的拉曼散射效应发展起来的一种散射光谱检测方法，通过对与入射光频率不同的散射光谱进行分析以得到分子振动转动等方面信息，由于拉曼散射强度大约为瑞利散射的千分之一，所以传统拉曼散射非常弱，在拉曼光谱检测装置中，为了得到拉曼光谱信息，需要对拉曼信号进行增强，提高信噪比，出现了针尖增强拉曼光谱技术，并且被实现和广泛应用，参见美国专利，专利名称：High contrast tip-enhanced Raman spectroscopy，发明人：Alexei P. Sokolov, Alexander Kisliuk, Disha Mehtant, Ryan D. Hartschuh, Nam-Heui Lee，专利号：US7656524B2，专利授权时间：2010年2月2日，在先技术存在一定的优点，仍然存在本质不足，由于只有一个小的针尖处起到增强作用，导致拉曼信号减弱，并且针尖容易被污染，探测信号容易被干扰，因此探测信号易于偏离真值，灵敏度不高，针尖影响探测系统构建的灵活性，本检测方法对被检测物的材料特性存在要求，本质上难于检测气态物质。
发明内容
本发明针对现有技术的不足，提供一种基于空心光子晶体光纤的物质检测装置。
本发明的基本构思是：基于核壳结构纳米颗粒层拉曼增强效应和空心光子晶体光纤技术相结合，核壳结构纳米颗粒层设置在空心光子晶体光纤空心腔内侧，核壳结构纳米颗粒包括金属纳米颗粒内核和惰性材料外壳，被检测流体流经核壳结构纳米颗粒层附近的被检测区域，激发光从空心光子晶体光纤一端入射，在空心光子晶体光纤内传播，从另一端出射，由拉曼光谱探测器检测拉曼散射信号，经过分析拉曼光谱，得到被检测流体物质特性信息。
一种基于空心光子晶体光纤的物质检测装置，包括激光源、光束耦合部件、入射端机械部件、流体测量部件、出射端机械部件和拉曼光谱探测器；
所述的激光源出射光束光路上设置有光束耦合部件，光束耦合部件将激光源出射光束耦合进入流体测量部件，光束耦合部件和流体测量部件之间设置有入射端机械部件，入射端机械部件将光束耦合部件和流体测量部件进行相互固定和密封，入射端机械部件上设置有第一流体通道口，流体测量部件的另一端出口的光路上设置有拉曼光谱探测器，用于检测拉曼散射信号，在流体测量部件和拉曼光谱探测器设置有出射端机械部件，出射端机械部件将流体测量部件和拉曼光谱探测器进行相互固定和密封，入射端机械部件上设置有第二流体通道口；
所述的流体测量部件的基本结构为空心光子晶体光纤，核壳结构纳米颗粒层设置在空心光子晶体光纤一个空心腔或多个空心腔的内侧，核壳结构纳米颗粒层上的核壳结构纳米颗粒包括金属纳米颗粒内核和惰性材料外壳；
所述的激光源为气体激光器、固态激光器、染料激光器和半导体激光器中的一种。
所述的光束耦合部件为波导型光耦合器、透镜型光耦合器、反射镜型光耦合器、衍射光学器件型光耦合器和微纳结构型光耦合器中的一种。
所述的流体测量部件的基本结构空心光子晶体光纤为玻璃空心光子晶体光纤、树脂空心光子晶体光纤和塑料空心光子晶体光纤中的一种。
所述的拉曼光谱探测器为色散式拉曼光电探测器、滤光片式拉曼光电探测器和显微拉曼探测器中的一种。
本发明中核壳结构纳米颗粒制备、核壳结构纳米颗粒层铺放设置、拉曼信号采集处理技术、激光激发拉曼原理、流体流动控制、机械结构加工成型均为成熟技术。本发明的发明点在于基于核壳结构纳米颗粒层拉曼增强效应和空心光子晶体光纤技术相结合，给出一种高灵敏度、高信噪比、可检测液态和气态物质、装置构建灵活、应用范围广、功能易于扩充的一种基于空心光子晶体光纤的物质检测装置。
与现有技术相比，本发明的优点：
1）在先技术中的针尖增强拉曼光谱技术存在拉曼信号减弱，并且针尖容易被污染，探测信号容易被干扰，因此探测信号易于偏离真值，灵敏度不高，针尖影响探测系统构建的灵活性的不足。本发明基于核壳结构纳米颗粒层拉曼增强效应和空心光子晶体光纤技术相结合，核壳结构纳米颗粒层设置在空心光子晶体光纤空心腔内侧，充分发挥了核壳结构纳米颗粒层增强拉曼行为，其中每个核壳结构纳米颗粒作用相当于一个增强探针，因此本发明从本质上消除了针尖容易被污染、探测信号容易被干扰、探测信号易于偏离真值的情况，并且具有灵敏度高、信噪比高、系统易于构建等特点；
2）本发明中采用了空心光子晶体光纤技术，空心光子晶体光纤本质上是光场传播的特种光波导，光场在空心光子晶体光纤中的传播为类似多次反射曲折向前传播，由于空心光子晶体光纤中特殊的光场传播行为，可以使激发光和核壳结构纳米颗粒层充分发生相互作用，进一步提高核壳结构纳米颗粒层增强拉曼效应，进一步显著提高物质分析的灵敏度高和信噪比，本发明可以用于检测低分子浓度的物质，包括气体，降低了对被检测物质的要求，拓展了被检测物质范围，功能易于扩充；
3）本发明采用了空心光子晶体光纤技术，依据空心光子晶体光纤技中光场光谱特性，宽光谱光场可以在空心光子晶体光纤技术中传播，基于这个光场传播特性，本发明可以进行宽光谱或多谱线激光，同时进行多光谱域的多组分检测，拓展了应用范围。
4）本发明基于核壳结构纳米颗粒层拉曼增强效应和空心光子晶体光纤技术相结合，利用光纤柔性特点，以及长短容易选择，因此构建检测系统时自由度高，装置构建灵活，功能易于扩充。
附图说明
图1为本发明的一种实施例的结构示意图。
图2为本发明的一种实施例中的流体测量部件的横截面结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，如图1、图2所示。
本发明一种基于空心光子晶体光纤的物质检测装置，包括激光源1、光束耦合部件2、入射端机械部件4、流体测量部件5、出射端机械部件6和拉曼光谱探测器8，
所述的激光源1出射光束光路上设置有光束耦合部件2，光束耦合部件2将激光源1出射光束耦合进入流体测量部件5，光束耦合部件2和流体测量部件5之间设置有入射端机械部件4进行相互固定和密封，入射端机械部件4上设置有第一流体通道口3，流体测量部件5的基本结构为空心光子晶体光纤，核壳结构纳米颗粒层9设置在空心光子晶体光纤一个空心腔的内侧，核壳结构纳米颗粒层9上的核壳结构纳米颗粒包括金属纳米颗粒内核和惰性材料外壳，流体测量部件5的另一端出口的光路上设置有拉曼光谱探测器8，用于检测拉曼散射信号，在流体测量部件5和拉曼光谱探测器8设置之间设有出射端机械部件6进行相互固定和密封，出射端机械部件6上设置有第二流体通道口。
本实施例中，激发光源1为固态激光器，波长532纳米；光束耦合部件2为透镜型光耦合器；流体测量部件5的基本结构空心光子晶体光纤为玻璃空心光子晶体光纤；拉曼光谱探测器8为色散式拉曼光电探测器；流体测量部件5的基本结构空心光子晶体光纤中选择中心位置的空心腔501的内侧上设置有核壳结构纳米颗粒层9，如图2所示，核壳结构纳米颗粒层9的每个核壳结构纳米颗粒的核芯为金纳米层，外层纳米层为二氧化硅纳米层。
本发明的工作过程为：被检测流体从两个流体通道口中的一个流入、从另外一个流体通道口流出，本实施例中，从第一流体通道口3流入，从第二流体通道口7流出，光束耦合部件2将激光源1出射光束耦合进入流体测量部件5，激发光在流体测量部件5的空心光子晶体光纤中传播，激发核壳结构纳米颗粒层9附近的被检测区域内的被检测物，拉曼散射光经过流体测量部件5的空心光子晶体光纤传输，从流体测量部件5另一端出射，由拉曼光谱探测器8检测拉曼散射信号，经过分析拉曼光谱，得到被检测流体物质特性信息。
本实施例成功实现了液体中的甲基对一氧化碳气体的检测。本发明具有高灵敏度、高信噪比、可检测液态和气体物质、系统易于构建、应用范围广、功能易于扩充等特点。
以上所述的具体实施方式对本发明的技术方案和有益效果进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的最优选实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充和等同替换等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1. 一种基于空心光子晶体光纤的物质检测装置，包括激光源、光束耦合部件、入射端机械部件、流体测量部件、出射端机械部件和拉曼光谱探测器；
其特征在于：所述的激光源出射光束光路上设置有光束耦合部件，光束耦合部件将激光源出射光束耦合进入流体测量部件，光束耦合部件和流体测量部件之间设置有入射端机械部件，入射端机械部件将光束耦合部件和流体测量部件进行相互固定和密封，入射端机械部件上设置有第一流体通道口，流体测量部件的另一端出口的光路上设置有拉曼光谱探测器，用于检测拉曼散射信号，在流体测量部件和拉曼光谱探测器设置有出射端机械部件，出射端机械部件将流体测量部件和拉曼光谱探测器进行相互固定和密封，入射端机械部件上设置有第二流体通道口；
所述的流体测量部件的基本结构为空心光子晶体光纤，核壳结构纳米颗粒层设置在空心光子晶体光纤一个空心腔或多个空心腔的内侧，核壳结构纳米颗粒层上的核壳结构纳米颗粒包括金属纳米颗粒内核和惰性材料外壳。
2.根据权利要求1所述的一种基于空心光子晶体光纤的物质检测装置，其特征在于：所述的激光源为气体激光器、固态激光器、染料激光器和半导体激光器中的一种。
3.根据权利要求1所述的一种基于空心光子晶体光纤的物质检测装置，其特征在于：所述的光束耦合部件为波导型光耦合器、透镜型光耦合器、反射镜型光耦合器、衍射光学器件型光耦合器和微纳结构型光耦合器中的一种。
4.根据权利要求1所述的一种基于空心光子晶体光纤的物质检测装置，其特征在于：所述的流体测量部件的基本结构空心光子晶体光纤为玻璃空心光子晶体光纤、树脂空心光子晶体光纤和塑料空心光子晶体光纤中的一种。
5.根据权利要求1所述的一种基于空心光子晶体光纤的物质检测装置，其特征在于：所述的拉曼光谱探测器为色散式拉曼光电探测器、滤光片式拉曼光电探测器和显微拉曼探测器中的一种。
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