CN105181674A - 基于光子晶体光纤谐振腔的拉曼光谱增强系统及增强方法 - Google Patents
基于光子晶体光纤谐振腔的拉曼光谱增强系统及增强方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明是基于光子晶体光纤谐振腔的拉曼光谱增强系统及增强方法，其结构由泵浦光源、耦合聚焦镜片、激光谐振腔、A光纤连接器、光子晶体光纤谐振腔、B光纤连接器、第三光纤光栅FBG3、光电采集、计算机处理系统依次串接而成。本发明的有益效果在于：1）实现了实时在线监测气体物质组分时的拉曼光谱信号的增强，通过光子晶体光纤谐振腔不仅增强了拉曼光同时还减少了杂散光对拉曼的影响，进一步提高了其在检测应用中的灵敏度。2）本系统可应用于拉曼光谱仪实时在线监测气体物质组分时拉曼光谱信号的增强，从而实现在线拉曼光谱在待测样品浓度较低情况下对其进行准确的定量定性分析。
Description
技术领域
本发明涉及的是一种基于光子晶体光纤谐振腔的拉曼光谱增强系统及增强方法，用于拉曼光谱仪在气体在线检测时对拉曼光谱效应进行增强，从而提高拉曼光谱仪的灵敏度使其在检测的过程中进行准确的定性定量分析。属于光电技术领域。
背景技术
拉曼光谱是在拉曼散射效应的基础上发展起来的分析技术，由于其峰面积、频移、线宽、特征峰数目等与分子的结构及浓度有紧密联系，因此成为物质的定性、定量分析时作为主要工具并被广泛应用。拉曼在线仪器的时时性和准确性使其在样品定性定量的分析过程中被广泛应用，尤其是对于水溶样品以及有机样品的检测较其他检测方法更为准确。但由于拉曼效应是一种弱效应，其光强仅为入射光强的10-10，在应用中有时会淹没在荧光背景信号中，有时检测低浓度样品会存在一定误差。另外实际应用时对杂散光的屏蔽及试验环境的适应力较差，这些都限制了拉曼光谱分析法的使用范围和发展。因此，需要对抑制背景噪声信号的同时将拉曼光放大以达到低浓度物质检测的要求。
物质的定性定量检测在环境、工业生产以及医药生物等领域是十分重要的环节，其准确性和精度是保障产品和分析结果的可靠性和可信度的关键。但其在低浓度样品分析中，由于样品易受到外部环境的干扰以及精度较低等原因使其具有较大的误差，因此急需发明一种新的方法，当物质浓度非常低时也能对其进行定性定量检测，并保证其精确度和准确性以提高检测数据的可靠性。
综上所诉，如何提高拉曼光谱技术在低浓度物质检测的可靠性是目前在线拉曼光谱应用的主要问题。本发明针对低浓度、微量物质的检测发明了一种基于光子晶体光纤谐振腔的拉曼效应增强装置，结合光子晶体光纤的光子禁带效应、光学光栅以及谐振腔原理提高拉曼效应的灵敏度，使在线拉曼技术能在低浓度物质检测时更加准确，将对未来的流程工业有一定的影响。
发明内容
本发明提出的是一种基于光子晶体光纤谐振腔的拉曼光谱增强系统及增强方法，其目的旨在能够对拉曼信号进行放大，使其在低浓度物质检测时具有更高的灵敏度和准确性，提供高质量的拉曼信号并减少杂散信号对拉曼信号的影响。
本发明的技术解决方案：基于光子晶体光纤谐振腔的拉曼光谱增强系统，其结构由泵浦光源、耦合聚焦镜片、激光谐振腔、A光纤连接器、光子晶体光纤谐振腔、B光纤连接器、第三光纤光栅FBG3、光电采集、计算机处理系统依次串而成。
基于拉曼光谱增强系统的增强方法，将激光器发射的激光聚焦到激发晶体、倍频晶体及532nm带通滤波片得到纯净的特定波长范围光，并滤除了激光产生过程中可能出现的杂散光；选取的光纤光栅与光纤构成光纤谐振腔，这样当光进入光纤后通过谐振腔后功率被有效的增强；通过光纤谐振腔增强的光进入光子晶体光纤谐振腔后，由于光子晶体光纤的光子禁带特性使得拉曼效应增强，同时通过光纤光栅对光进行进一步增强，通过光纤光栅对通过光子晶体光纤谐振腔的光进行筛选得到所需的拉曼光，此时进行拉曼信号的光电收集，经计算机处理获得增强后的样品拉曼图谱。
本发明的有益效果在于：
1）实现了实时在线监测气体物质组分时的拉曼光谱信号的增强，通过光子晶体光纤谐振腔不仅增强了拉曼光同时还减少了杂散光对拉曼的影响，进一步提高了其在检测应用中的灵敏度。
2）本系统可应用于拉曼光谱仪实时在线监测气体物质组分时拉曼光谱信号的增强，从而实现在线拉曼光谱在待测样品浓度较低情况下对其进行准确的定量定性分析。
附图说明
图1为基于光子晶体光纤谐振腔的拉曼光谱增强系统的结构原理图。
图2为光子晶体光纤谐振腔的示意图
具体实施方式
如附图1所示，基于光子晶体光纤谐振腔的拉曼光谱增强系统，其结构由泵浦光源、耦合聚焦镜片、激光谐振腔、A光纤连接器、光子晶体光纤谐振腔、B光纤连接器、第三光纤光栅FBG3、光电采集、计算机处理系统依次串而成；
所述的激光谐振腔中的掺杂增益光纤的两端是的A光纤光栅FBGa、B光纤光栅FBGb；激光经由光纤光栅在腔内不断来回反射，经过调整使其聚集为一条直线，形成激光谐振腔，使得光功率得到有效放大；
所述的光子晶体光纤谐振腔中的光子晶体光纤的两端是第一光纤光栅FBG1、第二光纤光栅FBG2，由激光谐振腔发出的激光通入定制的光纤连接器中，通过光纤连接器进入光子晶体光纤谐振腔中，此光纤连接器对于激光谐振腔和光子晶体光纤谐振腔产生的耦合损耗最小，同时该连接器为三端连接器，可利用高压将样品从连接器的另一端开口压入光子晶体光纤空腔内；光子晶体光纤谐振腔用于提高I0及J（λ）。
所述的光子晶体光纤谐振腔两端均熔接的光纤连接器，一端为样品进入口，另一端为样品出口，可通过其对光子晶体光纤谐振腔内部进行压力调节，以达到符合测量要求的内压。
工作时，当光进入如图2所示光子晶体光纤谐振腔后，光与待测样品分子相互作用产生拉曼散射，此时由于光子带隙效应，产生的光被强烈的束缚在光纤中心内，避免了泄露损耗，同时杂散光因不符合带隙效应而穿过包层消失在传输过程中，同时因光子晶体光纤空芯面积直径微小使得光与样品分子的作用集中在微米级面积上，因此增大了散射截面J（λ），使得拉曼光得到增强；
同时光子晶体光纤两端的第一光纤光栅FBG1和第二FBG2使光来回反射，延长了激励光的光程长，提高了激发光作用的强度I0，增强了其与样品分子的拉曼散射，使得单位面积上的光功率变大，进一步提高了拉曼散射强度。
另外，由于光子晶体光纤特殊的布拉格光栅结构，部分光从光子晶体光纤的包层气孔中折回光纤中心，并与包层气孔中存在的样品分子相互作用，产生的拉曼光由布拉格光栅作用回到纤芯中，提高了拉曼光强度。
通过光子晶体光纤谐振腔产生的拉曼光通过图1中第三光纤光栅FBG3，该光纤光栅的作用与特定波长滤波片类似，可选出所需检测样品物质的拉曼光，通过传到光纤接入拉曼光检测系统中；光电采集装置接受通过第三光纤光栅FBG3后所需检测样品物质的拉曼光信息被传输到计算机系统进行分析处理，从而得到检测物质的拉曼谱图。
实施例，
参见图1，选取波长为808nm的LD泵浦激光二极管为后续的拉曼检测提供光源，激光变频率部分包括：激发晶体、倍频晶体和传导光纤。光源产生激发光后通过聚焦镜片使光聚焦到激发晶体中，经过倍频晶体得到532nm绿光。
为避免激光因温度变化而产生中心频率漂移，通过温控系统对激光二极管、激发晶体及倍频晶体进行温度控制,当温度过高时制冷片开始工作，控制其温度不超过特定范围。同时通过调整倍频晶体和激发晶体的温度及角度可对激光功率进行调整。
通过倍频晶体后产生的激光并不是纯净的532nm光，因此在进入光纤谐振腔前再通过特定532nm的带通滤光片，该滤波片可有效滤出不符合特定频率要求的光，使进入光线谐振腔内的光频率稳定，同时减少杂散光对后期检测产生的影响，得到纯净的532nm光。
拉曼光公式R=I0J（λ）K（λ）/λ---4，R为拉曼光功率，I0为入射光功率，c为物质浓度因素，J（λ）为散射截面，K（λ）为仪器因素，λ为波长。
由拉曼光公式可知，当λ、K（λ）一定时，提高入射光功率以及提高散射截面可有效增强拉曼光功率即增强拉曼效应。
光线谐振腔用于提高入射样品所在光子晶体光纤谐振腔的光功率，即提高I0。
532nm光进入掺杂增益光纤中，光纤两端的A光纤光栅FBGa和B光纤光栅FBGb与掺杂增益光纤构成光纤谐振腔；光经由光纤光栅在腔内不断来回反射，经过调整使其聚集为一条直线，形成激光谐振腔，使得光功率得到有效放大。
由激光谐振腔发出的激光通入光纤连接器中，通过光纤连接器进入光子晶体光纤谐振腔中，此光纤连接器对于激光谐振腔和光子晶体光纤谐振腔产生的耦合损耗最小。同时该连接器为三端连接器，可利用高压将样品从连接器的另一端开口压入光子晶体光纤空腔内。
光子晶体光纤谐振腔用于提高I0及J（λ）。
光子晶体光纤谐振腔两端均熔接的光纤连接器，一端为样品进入口，另一端为样品出口，可通过其对光子晶体光纤谐振腔内部进行压力调节，以达到符合测量要求的内压。
当光进入如图2所示光子晶体光纤谐振腔后，光与待测样品分子相互作用产生拉曼散射。此时由于光子带隙效应，产生的光被强烈的束缚在光纤中心内，避免了泄露损耗，同时杂散光因不符合带隙效应而穿过包层消失在传输过程中，同时因光子晶体光纤空芯面积直径微小使得光与样品分子的作用集中在微米级面积上，因此增大了散射截面J（λ），使得拉曼光得到增强。
同时光子晶体光纤两端的第一光纤光栅FBG1和第二光纤光栅FBG2使光来回反射，延长了激励光的光程长，提高了激发光作用的强度I0，增强了其与样品分子的拉曼散射，使得单位面积上的光功率变大，进一步提高了拉曼散射强度。
另外，由于光子晶体光纤特殊的布拉格光栅结构，部分光从光子晶体光纤的包层气孔中折回光纤中心，并与包层气孔中存在的样品分子相互作用，产生的拉曼光由布拉格光栅作用回到纤芯中，提高了拉曼光强度。
通过光子晶体光纤谐振腔产生的拉曼光通过图1中第三光纤光栅FBG3，该光纤光栅的作用与匹配检测样品拉曼频移波长滤波片类似，可选出所需检测样品物质的拉曼光，通过传到光纤接入拉曼光检测系统中。
通过拉曼系统后，信息被传输到计算机系统进行分析处理，从而得到检测物质的拉曼谱图。
基于拉曼光谱增强系统的增强方法，将激光器发射的激光聚焦到激发晶体、倍频晶体及定制的532nm带通滤波片得到纯净的特定波长范围光，并滤除了激光产生过程中可能出现的杂散光；选取的光纤光栅与光纤构成光纤谐振腔，这样当光进入光纤后通过谐振腔后功率被有效的增强；通过光纤谐振腔增强的光进入光子晶体光纤谐振腔后，由于光子晶体光纤的光子禁带效应使得拉曼效应增强，同时通过光纤光栅对光进行进一步增强，通过光纤光栅对通过光子晶体光纤谐振腔的光进行筛选得到所需的拉曼光，此时进行拉曼信号的光电收集，经计算机处理获得增强后的样品拉曼图谱。
所述温控系统能有效的控制激光二极管、激发晶体和倍频晶体的温度，避免其温度过高对激光稳定性产生影响。
所述光纤光栅作为传导光纤可将特定波段激光反向并于原始进入光纤的激发光叠加，如此循环往复提高激光强度。
所述光纤连接器使光纤激光器与光子晶体光纤谐振腔中通过互相耦合，使其耦合损失最小，即激光进入光子晶体光纤谐振腔时为理论最强值。
所述滤波片可充分滤出除特定波长外的杂散光，允许特定波段的光从滤波片中透过进入光纤中。
本发明实现了实时在线监测气体物质时的拉曼光谱信号的增强，利用光纤谐振腔对激发器发生的特定波长的光进行增强，光子晶体光纤的特性增大了光与样品的接触面积并减少了传播过程中产生的损耗，并利用谐振腔效应对射入光子晶体光纤的光进行了增强，都达到了拉曼效应增强的目的。
Claims (5)
1.基于光子晶体光纤谐振腔的拉曼光谱增强系统，其特征是由泵浦光源、耦合聚焦镜片、激光谐振腔、A光纤连接器、光子晶体光纤谐振腔、B光纤连接器、第三光纤光栅FBG3、光电采集、计算机处理系统依次串接而成。
2.根据权利要求1所述的基于光子晶体光纤谐振腔的拉曼光谱增强系统，其特征是所述的激光谐振腔中的掺杂增益光纤两端是A光纤光栅（FBGa）、B光纤光栅（FBGb）。
3.根据权利要求1所述的基于光子晶体光纤谐振腔的拉曼光谱增强系统，其特征是所述的光子晶体光纤谐振腔中的光子晶体光纤两端均熔接的是第一光纤光栅（FBG1）、第二光纤光栅（FBG2），由激光谐振腔发出的激光通入三端口光纤连接器中，通过光纤连接器进入光子晶体光纤谐振腔中。
4.根据权利要求3所述的基于光子晶体光纤谐振腔的拉曼光谱增强系统，其特征是所述的光纤连接器，一端为样品进入口，另一端为样品出口。
5.如权利要求1的基于拉曼光谱增强系统的增强方法，其特征是将激光器发射的激光聚焦到激发晶体、倍频晶体及532nm带通滤波片得到纯净的特定波长范围光，并滤除了激光产生过程中可能出现的杂散光；选取的光纤光栅与光纤构成光纤谐振腔，这样当光进入光纤后通过谐振腔后功率被有效的增强；通过光纤谐振腔增强的光进入光子晶体光纤谐振腔后，由于光子晶体光纤的光子禁带效应使得拉曼效应增强，同时通过光纤光栅对光进行进一步增强，通过光纤光栅对通过光子晶体光纤谐振腔的光进行筛选得到所需的拉曼光，此时进行拉曼信号的光电收集，经计算机处理获得增强后的样品拉曼图谱。
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