CN105024269A - 一种自由空间光学微腔拉曼激光传感装置及其传感方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种自由空间微腔拉曼激光传感装置及其传感方法。本发明的传感装置包括：激光光源、第一聚焦物镜、光学微腔、第二聚焦物镜、第一准直透镜、第二准直透镜、第一光电探测器、示波器、滤波片、第三聚焦物镜、第二光电探测器和基础频谱分析仪。本发明通过自由空间可调频激光激发光学微腔的拉曼激光，通过观测拉曼激光的拍频频率，得出吸附在光学微腔表面的纳米级尺寸粒子的信息；在自由空间拉曼激光传感技术中，回音壁模式和拉曼激光通过可调频激光器在由自由空间直接激发，通过规避由于光纤锥的引入而带来的技术问题，提高了装置的灵活性，降低了信噪比，从而提高了传感装置的灵敏度，降低了检测极限。

Description

一种自由空间光学微腔拉曼激光传感装置及其传感方法

技术领域

本发明涉及拉曼激光传感技术，尤其涉及一种自由空间光学微腔拉曼激光传感装置及其传感方法。

背景技术

现有的光学微腔拉曼激光传感技术通过光纤锥将倏逝波耦合到光学微腔中激发回音壁模式，如图1所示，回音壁模式激发拉曼激光，当有纳米级尺寸粒子吸附到光学微腔的表面时，拉曼激光拍频的频率产生变化，从这种变化中解读出纳米级尺寸粒子的信息。光纤锥由普通光纤拉制而成，首先普通光纤的保护层被去除，并转移到可移动平台上，通过氢氧焰融化光纤，进而拉制出直径为百纳米级的光纤锥。光纤锥中注入可调频激光，并慢慢靠近光学微腔的边缘，当两者之间的距离进入倏逝波场，并且倏逝波与回音壁模式的波长相同时，光纤锥中的倏逝波将耦合进光学微腔激发回音壁模式，由于光学微腔的高品质因子，回音壁模式可以激发低阈值拉曼激光。沿相反方向传播的拉曼激光耦合产生拍频，当纳米级尺寸粒子吸附在光学微腔的表面时，拍频的频率发生变化，通过监测这种变化，形成测量纳米级尺寸粒子的数量和尺寸的传感机制。

在通过光纤锥的倏逝波激发光学微腔的回音壁模式，从而实现拉曼激光的传感技术中，主要有三个技术问题无法避免：首先，为了保证光纤锥和光学微腔的耦合效率，需要严格控制两者之间的距离，而光纤锥的纳米级尺寸使得其极易受周围环境的影响，比如空气流动，温度变化等，使得光纤锥和光学微腔间的耦合条件发生变化，进入输出信号(拉曼拍频)降低信噪比，甚至导致对纳米级尺寸粒子信息的错误解读；其次，百纳米级尺寸的光纤锥易断，增加了技术的操作难度；最后，由于回音壁模式的产生依赖于光纤锥，增加了该技术运用到集成芯片工艺中的难度。

发明内容

针对以上现有技术中存在的问题，本发明提出了一种自由空间光学微腔拉曼激光传感装置及其传感方法，通过自由空间可调频激光激发光学微腔的拉曼激光，进而观测拉曼激光的拍频频率，得出吸附在光学微腔表面的纳米级尺寸粒子的信息。

本发明的一个目的在于提供一种自由空间光学微腔拉曼激光传感装置。

本发明的得到回音壁模式的波长范围与分析拉曼激光拍频可以采用收集同一个出射光方向的出射光，也可以采用收集不同的出射光方向的出射光。

采用收集同一个出射光方向的出射光，本发明的自由空间光学微腔拉曼激光传感装置包括：激光光源、第一聚焦物镜、光学微腔、第二聚焦物镜、第一准直透镜、光纤分束器、第一光电探测器、示波器、第二准直透镜、滤波片、第三聚焦物镜、第二光电探测器和基础频谱分析仪；其中，在光学微腔的表面附着有纳米级尺寸粒子；光学微腔为非旋转对称的介质实心体，具有高品质因子的回音壁模式，并且实现激光定向性出射；激光光源提供宽带扫频激光，经过第一聚焦物镜将激光耦合进光学微腔，激发光学微腔的回音壁模式；由设置在出射光方向的第二聚焦物镜收集，经过第一准直透镜进入光纤分束器，一部分光信号通过第一光电探测器转化成电信号，进入示波器进行分析，得到回音壁模式的波长范围；激光光源发射回音壁模式的波长范围内的高功率激光，经过第一聚焦物镜将激光耦合进光学微腔，激发光学微腔的回音壁模式；回音壁模式激发附着有纳米级尺寸粒子的光学微腔的拉曼激光；在出射光方向设置第二聚焦物镜，收集出射光，出射光包括激光、回音壁模式和拉曼激光；出射光经过第一准直透镜进入光纤分束器，一部分光信号通过第二准直透镜，由滤波片滤掉激光和回音壁模式，由第三聚焦物镜收集进入第二光电探测器转化成电信号，进入基础频谱分析仪，分析拉曼激光拍频的频率信息，从频率信息解读吸附在光学微腔表面的纳米级尺寸粒子信息。

采用收集不同出射光方向的出射光，本发明的自由空间光学微腔拉曼激光传感装置包括：激光光源、第一聚焦物镜、光学微腔、第二聚焦物镜、第一准直透镜、第二准直透镜、第一光电探测器、示波器、滤波片、第三聚焦物镜、第二光电探测器和基础频谱分析仪；其中，在光学微腔的表面附着有纳米级尺寸粒子；光学微腔为非旋转对称的介质实心体，具有高品质因子的回音壁模式，并且实现激光定向性出射；激光光源提供宽带扫频激光，经过第一聚焦物镜将激光耦合进光学微腔，激发光学微腔的回音壁模式；由设置在一个出射光方向的聚焦物镜收集，经过第二准直透镜后，通过第一光电探测器转化成电信号，进入示波器进行分析，得到回音壁模式的波长范围；激光光源发射回音壁模式的波长范围内的高功率激光，经过第一聚焦物镜将激光耦合进光学微腔，激发光学微腔的回音壁模式；回音壁模式激发附着有纳米级尺寸粒子的光学微腔的拉曼激光；在另一个出射光方向设置第二聚焦物镜，收集出射光，出射光包括激光、回音壁模式和拉曼激光；出射光经过第一准直透镜后，由滤波片滤掉激光和回音壁模式，由第三聚焦物镜收集进入第二光电探测器转化成电信号，进入基础频谱分析仪，分析拉曼激光拍频的频率信息，从频率信息解读吸附在光学微腔表面的纳米级尺寸粒子信息。

光学微腔采用非旋转对称的介质实心体，比如变形微芯圆环或变形球腔等，支持高品质因子的回音壁模式，可以实现激光定向性出射，介质光学微腔具有一个或者多个入射光方向和出射光方向。

滤波片采用能够滤去可调频激发激光和回音壁模式的滤波片。

激光光源包括宽带可调频激光器、高功率激光器、光路切换装置和光阑；其中，宽带可调频激光器在宽带范围内进行扫频，找到光学微腔的回音壁模式的波长范围；高功率激光器发射在回音壁模式的波长范围内的高功率激光，耦合进光学微腔激发回音壁模式；宽带可调频激光器和高功率激光器发射的激光由光路切换装置进行光路转换；在光路切换装置前设置光阑，从而保证经过光路切换装置后，宽带可调频激光器和高功率激光器发射的激光光路相同。

本发明的另一个目的在于提供一种自由空间光学微腔拉曼激光传感方法。

本发明的得到回音壁模式的波长范围与分析拉曼激光拍频可以采用收集同一个出射光方向的出射光，也可以采用收集不同的出射光方向的出射光。

采用收集同一个出射光方向的出射光，本发明的自由空间光学微腔拉曼激光传感方法，包括以下步骤：

1)激光光源提供宽带扫频激光，经过第一聚焦物镜将激光耦合进光学微腔，激发光学微腔的回音壁模式；

2)在出射光方向设置第二聚焦物镜，收集出射光，出射光包括激光和回音壁模式；

3)经过第一准直透镜进入光纤分束器，一部分光通过第一光电探测器转化成电信号，进入示波器进行分析，得到回音壁模式的波长范围；

4)激光光源发射回音壁模式的波长范围内的高功率激光，经过第一聚焦物镜将激光耦合进光学微腔，激发光学微腔的回音壁模式，在光学微腔的表面附着有纳米级尺寸粒子，光学微腔为非旋转对称介质实心体，且支持高品质因子的回音壁模式，并且实现激光定向性出射；

5)回音壁模式激发附着有纳米级尺寸粒子的光学微腔的拉曼激光；

6)在出射光方向设置第二聚焦物镜，收集出射光，出射光包括激光、回音壁模式和拉曼激光；

7)出射光经过第一准直透镜进入光纤分束器，一部分光通过第二准直透镜，由滤波片滤掉激光和回音壁模式；

8)拉曼激光由第三聚焦物镜收集进入第二光电探测器转化成电信号；

9)电信号进入基础频谱分析仪，分析拉曼激光拍频的频率信息，从频率信息解读吸附在光学微腔表面的纳米级尺寸粒子信息。

采用收集不同出射光方向的出射光，本发明的自由空间光学微腔拉曼激光传感方法，包括以下步骤：

1)激光光源提供宽带扫频激光，经过第一聚焦物镜将激光耦合进光学微腔，激发光学微腔的回音壁模式；

2)在一个出射光方向设置聚焦物镜，收集出射光，出射光包括激光和回音壁模式；

3)经过第二准直透镜后，通过第一光电探测器转化成电信号，进入示波器进行分析，得到回音壁模式的波长范围；

4)激光光源发射回音壁模式的波长范围内的高功率激光，经过第一聚焦物镜将激光耦合进光学微腔，激发光学微腔的回音壁模式，在光学微腔的表面附着有纳米级尺寸粒子，光学微腔为非旋转对称介质实心体，且支持高品质因子的回音壁模式，并且实现激光定向性出射；

5)回音壁模式激发附着有纳米级尺寸粒子的光学微腔的拉曼激光；

6)在另一个出射光方向设置第二聚焦物镜，收集出射光，出射光包括激光、回音壁模式和拉曼激光；

7)出射光经过第一准直透镜后，由滤波片滤掉激光和回音壁模式；

8)由第三聚焦物镜收集进入第二光电探测器转化成电信号，进入基础频谱分析仪，分析拉曼激光拍频的频率信息，从频率信息解读吸附在光学微腔表面的纳米级尺寸粒子信息。

本发明的优点：

本发明通过自由空间可调频激光激发光学微腔的拉曼激光，通过观测拉曼激光的拍频频率，得出吸附在光学微腔表面的纳米级尺寸粒子的信息；在自由空间拉曼激光传感技术中，回音壁模式和拉曼激光通过可调频激光器在由自由空间直接激发，通过规避由于光纤锥的引入而带来的技术问题，提高了装置的灵活性，降低了信噪比，从而提高了传感装置的灵敏度，降低了检测极限。

附图说明

图1为本光纤锥激发光学微腔拉曼激光传感装置的实施例一的示意图

图2为本发明的自由空间光学微腔拉曼激光传感装置的实施例一的示意图；

图3为本发明的自由空间光学微腔拉曼激光传感装置的实施例二的示意图；

图4为本发明的自由空间光学微腔拉曼激光传感装置的实施例三的示意图。

具体实施方式

下面结合附图，通过实施例对本发明做进一步说明。

实施例一

如图2所示，本实施例的自由空间光学微腔拉曼激光传感装置包括：激光光源1、第一聚焦物镜21、光学微腔3、第二聚焦物镜22、第一准直透镜41、光纤分束器5、第一光电探测器61、示波器7、第二准直透镜42、长通滤波片8、第三聚焦物镜23、第二光电探测器62和基础频谱分析仪9；其中，在光学微腔3的表面附着有纳米级尺寸粒子0。

在本实施例中，光学微腔采用非旋转对称的介质实心体，比如变形微芯圆环、变形球腔等，支持高品质因子的回音壁模式，可以实现激光定向性出射，介质光学微腔可以有一个或者多个入射光方向和出射光方向。激光光源1包括宽带可调频激光器11、高功率激光器12、光路切换装置13和两个光阑14；其中，宽带可调频激光器宽带在765～800nm之间；高功率激光器发射在回音壁模式的波长范围内的高功率激光；光路切换装置13采用回转反射镜。光纤分束器5分光比为10/90。

宽带可调频激光器11提供宽带扫频激光经光路切换装置13和两个光阑14，经过第一聚焦物镜21将激光耦合进光学微腔3，激发光学微腔3的回音壁模式；由设置在另一端的第二聚焦物镜22收集，经过第一准直透镜41进入光纤分束器5，10％的光信号通过第一光电探测器61转化成电信号，进入示波器7进行分析，得到回音壁模式的波长在765nm附近；高功率激光器12的频率设置为765nm，高功率激光经光路切换装置13和光阑14，通过第一聚焦物镜21将激光耦合进光学微腔3，激发光学微腔的回音壁模式；回音壁模式激发附着有纳米级尺寸粒子0的光学微腔3的拉曼激光；正向出射光方向与入射光方向相同，位于光学微腔的另一个长轴端设置第二聚焦物镜22，收集正向出射光，正向出射光包括激光、回音壁模式和拉曼激光；正向出射光经过第一准直透镜41进入光纤分束器5，90％的光信号通过第二准直透镜42，由长通滤波片8滤掉激光和回音壁模式，由第三聚焦物镜23收集进入第二光电探测器62转化成电信号，进入基础频谱分析仪9，分析拉曼激光拍频的频率信息，从频率信息解读吸附在光学微腔表面的纳米级尺寸粒子信息，比如数目和尺寸。

实施例二

如图3所示，在本实施例中，在光源1与第一聚焦物镜21之间加设三棱镜15，回音壁模式激发附着有纳米级尺寸粒子0的光学微腔3的拉曼激光；反向出射光与入射光方向相反，沿着与入射光方向相反的方向返回，由第一聚焦物镜21收集反向出射光，至三棱镜15，反向出射光包括激光、回音壁模式和拉曼激光；反向出射光经三棱镜15反射至第二长通滤波片82，滤掉激光和回音壁模式，经过第三准直透镜43进入第二光纤分束器52，30％的光信号由光谱仪10收集，分析拉曼激光的波长；另外70％的光信号进入第三光电探测器63转化成电信号，进入第二基础频谱分析仪92，分析拉曼激光拍频的频率信息，从频率信息解读吸附在光学微腔表面的纳米级尺寸粒子信息；并且，在第二准直透镜42与光纤分束器5之间加设第三光纤分束器53，经过光纤分束器5的另外90％的光信号进入第三光纤分束器53，50％的光信号由光谱仪10收集，分析拉曼激光的波长；另外50％的光信号通过第二准直透镜42，由长通滤波片8滤掉激光和回音壁模式，由第三聚焦物镜23收集进入第二光电探测器62转化成电信号，进入基础频谱分析仪9，分析拉曼激光拍频的频率信息，从频率信息解读吸附在光学微腔表面的纳米级尺寸粒子信息。其他结构同实施例一。正向和反向拉曼拍频信息均可以实现对纳米级尺寸粒子的传感，通过对两个基础频谱分析仪得到的拍频信息进行比对，排除因为由噪声引起的单一拉曼拍频解读的纳米尺寸信息有误，验证结果的正确性。

实施例三

在实施例一和实施例二中，得到回音壁模式的波长范围与分析拉曼激光拍频收集同一个出射光方向的出射光，在本实施例中收集不同出射光方向的出射光。

如图4所示，本实施例的自由空间光学微腔拉曼激光传感装置包括：激光光源1、第一聚焦物镜21、光学微腔3、第二聚焦物镜22、第一准直透镜41、第二准直透镜42、第一光电探测器61、示波器7、长通滤波片8、第三聚焦物镜23、第二光电探测器62和基础频谱分析仪9。宽带可调频激光器11提供宽带扫频激光，经光路切换装置13、两个光阑14和三棱镜15，经过第一聚焦物镜21将激光耦合进光学微腔3，激发光学微腔的回音壁模式；由设置在与入射光方向相反的出射光方向的第一聚焦物镜21收集，经过三棱镜15反射后，进入第二准直透镜42，通过第一光电探测器61转化成电信号，进入示波器7进行分析，得到回音壁模式的波长范围；高功率激光器12发射高功率激光，经光路切换装置13、光阑14和三棱镜15，通过第一聚焦物镜21将激光耦合进光学微腔3，激发光学微腔的回音壁模式；回音壁模式激发附着有纳米级尺寸粒子0的光学微腔的拉曼激光；在与入射光方向相同的出射光方向设置第二聚焦物22镜，收集出射光，出射光包括激光、回音壁模式和拉曼激光；出射光经过第一准直透镜41后，由长通滤波片8滤掉激光和回音壁模式，由第三聚焦物镜23收集进入第二光电探测器62转化成电信号，进入基础频谱分析仪9，分析拉曼激光拍频的频率信息，从频率信息解读吸附在光学微腔表面的纳米级尺寸粒子信息。

最后需要注意的是，公布实施方式的目的在于帮助进一步理解本发明，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和范围内，各种替换和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于实施例所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。

Claims (7)

1.一种自由空间光学微腔拉曼激光传感装置，其特征在于，所述传感装置包括：激光光源、第一聚焦物镜、光学微腔、第二聚焦物镜、第一准直透镜、光纤分束器、第一光电探测器、示波器、第二准直透镜、滤波片、第三聚焦物镜、第二光电探测器和基础频谱分析仪；其中，在所述光学微腔的表面附着有纳米级尺寸粒子；所述光学微腔为非旋转对称的介质实心体，具有高品质因子的回音壁模式，并且实现激光定向性出射；所述激光光源提供宽带扫频激光，经过第一聚焦物镜将激光耦合进光学微腔，激发光学微腔的回音壁模式；由设置在出射光方向的第二聚焦物镜收集，经过第一准直透镜进入光纤分束器，一部分光信号通过第一光电探测器转化成电信号，进入示波器进行分析，得到回音壁模式的波长范围；所述激光光源发射回音壁模式的波长范围内的高功率激光，经过第一聚焦物镜将激光耦合进光学微腔，激发光学微腔的回音壁模式；所述回音壁模式激发附着有纳米级尺寸粒子的光学微腔的拉曼激光；在出射光方向设置第二聚焦物镜，收集出射光，出射光包括激光、回音壁模式和拉曼激光；出射光经过第一准直透镜进入光纤分束器，一部分光信号通过第二准直透镜，由滤波片滤掉激光和回音壁模式，由第三聚焦物镜收集进入第二光电探测器转化成电信号，进入基础频谱分析仪，分析拉曼激光拍频的频率信息，从频率信息解读吸附在光学微腔表面的纳米级尺寸粒子信息。

2.一种自由空间光学微腔拉曼激光传感装置，其特征在于，所述传感装置包括：激光光源、第一聚焦物镜、光学微腔、第二聚焦物镜、第一准直透镜、第二准直透镜、第一光电探测器、示波器、滤波片、第三聚焦物镜、第二光电探测器和基础频谱分析仪；其中，在所述光学微腔的表面附着有纳米级尺寸粒子；所述光学微腔为非旋转对称的介质实心体，具有高品质因子的回音壁模式，并且实现激光定向性出射；所述激光光源提供宽带扫频激光，经过第一聚焦物镜将激光耦合进光学微腔，激发光学微腔的回音壁模式；由设置在一个出射光方向的聚焦物镜收集，经过第二准直透镜后，通过第一光电探测器转化成电信号，进入示波器进行分析，得到回音壁模式的波长范围；所述激光光源发射回音壁模式的波长范围内的高功率激光，经过第一聚焦物镜将激光耦合进光学微腔，激发光学微腔的回音壁模式；回音壁模式激发附着有纳米级尺寸粒子的光学微腔的拉曼激光；在另一个出射光方向设置第二聚焦物镜，收集出射光，出射光包括激光、回音壁模式和拉曼激光；出射光经过第一准直透镜后，由滤波片滤掉激光和回音壁模式，由第三聚焦物镜收集进入第二光电探测器转化成电信号，进入基础频谱分析仪，分析拉曼激光拍频的频率信息，从频率信息解读吸附在光学微腔表面的纳米级尺寸粒子信息。

3.如权利要求1或2所述的传感装置，其特征在于，所述光学微腔采用变形微芯圆环或变形球腔，具有一个或者多个入射光方向和出射光方向。

4.如权利要求1或2所述的传感装置，其特征在于，所述激光光源包括宽带可调频激光器、高功率激光器、光路切换装置和光阑；其中，所述宽带可调频激光器在宽带范围内进行扫频，找到光学微腔的回音壁模式的波长范围；所述高功率激光器发射在回音壁模式的波长范围内的高功率激光，耦合进光学微腔激发回音壁模式；所述宽带可调频激光器和高功率激光器发射的激光由光路切换装置进行光路转换；在光路切换装置前设置光阑。

5.如权利要求4所述的传感装置，其特征在于，所述光路切换装置采用回转反射镜。

6.一种自由空间光学微腔拉曼激光传感方法，其特征在于，所述传感方法包括以下步骤：

1)激光光源提供宽带扫频激光，经过第一聚焦物镜将激光耦合进光学微腔，激发光学微腔的回音壁模式；

2)在出射光方向设置第二聚焦物镜，收集出射光；

3)经过第一准直透镜进入光纤分束器，一部分光通过第一光电探测器转化成电信号，进入示波器进行分析，得到回音壁模式的波长范围；

4)激光光源发射回音壁模式的波长范围内的高功率激光，经过第一聚焦物镜将激光耦合进光学微腔，激发光学微腔的回音壁模式，在光学微腔的表面附着有纳米级尺寸粒子，光学微腔为非旋转对称介质实心体，且支持高品质因子的回音壁模式，并且实现激光定向性出射；

5)回音壁模式激发附着有纳米级尺寸粒子的光学微腔的拉曼激光；

6)在出射光方向设置第二聚焦物镜，收集出射光，出射光包括激光、回音壁模式和拉曼激光；

7)出射光经过第一准直透镜进入光纤分束器，一部分光通过第二准直透镜，由滤波片滤掉激光和回音壁模式；

8)拉曼激光由第三聚焦物镜收集进入第二光电探测器转化成电信号；

9)电信号进入基础频谱分析仪，分析拉曼激光拍频的频率信息，从频率信息解读吸附在光学微腔表面的纳米级尺寸粒子信息。

7.一种自由空间光学微腔拉曼激光传感方法，其特征在于，所述传感方法包括以下步骤：

1)激光光源提供宽带扫频激光，经过第一聚焦物镜将激光耦合进光学微腔，激发光学微腔的回音壁模式；

2)在一个出射光方向设置聚焦物镜，收集出射光；

3)经过第二准直透镜后，通过第一光电探测器转化成电信号，进入示波器进行分析，得到回音壁模式的波长范围；

4)激光光源发射回音壁模式的波长范围内的高功率激光，经过第一聚焦物镜将激光耦合进光学微腔，激发光学微腔的回音壁模式，在光学微腔的表面附着有纳米级尺寸粒子，光学微腔为非旋转对称介质实心体，且支持高品质因子的回音壁模式，并且实现激光定向性出射；

5)回音壁模式激发附着有纳米级尺寸粒子的光学微腔的拉曼激光；

6)在另一个出射光方向设置第二聚焦物镜，收集出射光，出射光包括激光、回音壁模式和拉曼激光；

7)出射光经过第一准直透镜后，由滤波片滤掉激光和回音壁模式；

8)由第三聚焦物镜收集进入第二光电探测器转化成电信号，进入基础频谱分析仪，分析拉曼激光拍频的频率信息，从频率信息解读吸附在光学微腔表面的纳米级尺寸粒子信息。