CN105241865A - 柱矢量光场激发空心光子晶体光纤的拉曼气体分析装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及柱矢量光场激发空心光子晶体光纤的拉曼气体分析装置。现有技术结构复杂、灵敏度低、结构要求高。本发明将表面增强拉曼效应和空心光子晶体光纤技术相结合，基于气体拉曼分析原理；被检测气体流经空心光子晶体光纤空心腔，表面增强拉曼结构层设置在空心光子晶体光纤空心腔内侧；采用柱矢量光场在光纤一端耦合进入空心光子晶体实现拉曼激发，光电检测部件检测拉曼散射信号，经过分析得到被检测气体物质特性信息。具有被检测气体用量少、高灵敏度、高信噪比、抗干扰性强、定位要求低、系统易于构建、易于小型化、分析辨别能力强、应用范围广、功能易于扩充等特点。

Description

柱矢量光场激发空心光子晶体光纤的拉曼气体分析装置

技术领域

本发明属于光学技术领域，涉及一种气体分析装置，特别是一种柱矢量光场激发空心光子晶体光纤的拉曼气体分析装置。

背景技术

气体分析检测广泛存在于环境监测、医学诊断、过程控制、食品安全、质量检测、生物研究、生命科学、国防安全、检疫检验等领域，并且这些领域对气体分析检测的要求越来越高。在先技术中，存在有一种高精细度腔增强光谱分析系统，参见美国专利“Cavityringdownarrangementfornon-cavityfilingsamples”，专利号：US6,452,680B1。该系统具有一定优点，但是，存在一些本质不足：1)系统采用线型高精细度腔结构，激光在高精细度腔内形成光学驻波，光强分布不均；2)光束入射端腔镜的反射光易对激光器产生干扰，降低系统抗干扰性；3)激光束入射和出射样品池时，均要以布鲁斯特角入射和出射，这样就增加了样品池机械定位要求和光束方向控制精度要求，系统光机定位要求高；4)高精细度腔有两个或多个高反射率反射镜光学元件构成，结构复杂，难于实现小型化；5)所以用的光谱分析原理限制了其气体物质分析辨别能力。在先技术中，也存在基于拉曼效应的腔增强的痕量气体检测装置，参见美国AtmosphereRecovery公司的激光气体分析仪产品，这种激光气体分析仪具有一定的优点，但是，也存在一些不足：1)同样采用线型精细度腔结构，导致光强分布不均，以及光束入射端腔镜的反射光易对激光器产生干扰；2)由于采用有源腔结构，即激光工作介质和气体室均在谐振腔内部，这样增加了系统复杂度，降低了装置抗干扰性，影响装置现场使用适应能力；3)系统对激光腔、滤光片、传感器等关键器件性能要求高；4)结构定位要求高，难于实现小型化。

发明内容

本发明的目的在于针对上述技术的不足，提供一种柱矢量光场激发空心光子晶体光纤的拉曼气体分析装置，具有被检测气体用量少、高灵敏度、高信噪比、抗干扰性强、定位要求低、系统易于构建、易于小型化、分析辨别能力强、应用范围广、功能易于扩充等特点。

本发明的基本构思是：将表面增强拉曼效应和空心光子晶体光纤技术相结合，基于气体拉曼分析原理；被检测气体流经空心光子晶体光纤空心腔，激发光在空心光子晶体光纤传播，增强了气体拉曼效应；表面增强拉曼结构层设置在空心光子晶体光纤空心腔内侧，实现表面增强拉曼效应；同时，采用柱矢量光场在光纤一端耦合进入空心光子晶体实现拉曼激发，柱矢量光场的圆柱对称矢量特性和空心光子晶体光纤的表面增强拉曼结构层相对应，进一步提高气体拉曼信号，增加了气体拉曼分析性能和可调控性；拉曼信号光从空心光子晶体光纤另一端出射，光电检测部件检测拉曼散射信号，经过分析拉曼光谱，得到被检测气体物质特性信息。

本发明一种柱矢量光场激发空心光子晶体光纤的拉曼气体分析装置包括：激发光源、柱矢量光束转换器、偏振调节器、耦合部件、入射端机械部件、空心光子晶体光纤、出射端机械部件、光会聚部件、滤光元件和光电检测部件；激光源出射光束光路上依次设置有柱矢量光束转换器、偏振调节器和耦合部件；耦合部件设置在偏振调节器和空心光子晶体光纤之间，偏振调节器出射柱矢量光束通过耦合部件耦合进入空心光子晶体光纤；空心光子晶体光纤的光场入射端和光场出射端分别设置有入射端机械部和出射端机械部件，作为机械固定部件和被检测气体流通出入口。空心光子晶体光纤的空心腔的界面上设置有表面增强拉曼结构层；被检测气体在空心光子晶体光纤内受到柱矢量光场激发产生拉曼光场，前向传播拉曼光场从空心光子晶体光纤另一端出射，空心光子晶体光纤前向传播拉曼光场出射光路上依次设置有光会聚部件、滤光元件、光电检测部件，光电检测部件光电传感面设置在光会聚部件的前向传播拉曼光场会聚焦点区域。

所述的激发光源为气体激光器、固态激光器、染料激光器、半导体激光器中的一种。

所述的柱矢量光束转换器为液晶柱矢量光束转换器、晶体柱矢量光束转换器、偏振膜柱矢量光束转换器、微纳结构柱矢量光束转换器中的一种。

所述的光束耦合部件为波导型光耦合器、透镜型光耦合器、反射镜型型光耦合器、衍射光学器件型光耦合器、微纳结构型光耦合器中的一种。

所述的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、塑料空心光子晶体光纤中的一种。

所述的空心光子晶体光纤的表面增强拉曼结构层为微纳层状结构、锥形结构层、球形结构层、核壳结构纳米颗粒层中的一种。

所述的光电检测部件为色散式拉曼光电探测器、滤光片式拉曼光电探测器、显微拉曼探测器中的一种。

本发明的工作过程为：激光源发出的光经过柱矢量光束转换器，将激光源的出射光场转换成柱矢量光场，柱矢量光场经过偏振调节器并通过其进行调控，柱矢量光场通过耦合部件传播至光纤入射部机械端，最终到达空心光子晶体光纤实现拉曼激发，空心光子晶体光纤的空心腔的界面上设置有表面增强拉曼结构层，被检测气体在空心光子晶体光纤内受到柱矢量光场激发产生拉曼光场，从另一端出射端机械部件出射，其中入射端机械部件和出射端机械部件均为机械固定部件和被检测气体流通出入口，随后，拉曼光场经过光会聚部件，再前向传播至滤光元件，通过滤光元件来滤除非信息光谱光场，最终由光电检测部件检测拉曼散射信号，经过分析拉曼光谱，得到被检测气体物质特性信息

本发明中拉曼光谱原理、表面增强拉曼效应、光电检测部件、特征拉曼谱线分析、空心光子晶体光纤界面处理技术均为成熟技术。本发明的发明点在于将表面增强拉曼效应和空心光子晶体光纤技术相结合，基于气体拉曼分析原理和柱矢量光场拉曼激发技术，给出一种被检测气体用量少、高灵敏度、高信噪比、抗干扰性强、定位要求低、系统易于构建、易于小型化、分析辨别能力强、应用范围广、功能易于扩充的一种柱矢量光场激发空心光子晶体光纤的拉曼气体分析装置。

与现有技术相比，本发明的优点：

1)在先技术采用线型精细度腔结构，导致光强分布不均，腔镜的反射光易对激光器产生干扰，降低系统抗干扰性。本发明采用空心光子晶体光纤技术，光场在空心光子晶体光纤中以行波方式曲折传播，在空心光子晶体光纤光场限定模式范围内，以总体光场进行前行，光场在空心光子晶体光纤为无源光传播媒质，并且长度易于控制，被检气体位于空心光子晶体光纤微小空腔内，因此，本发明具有被检测气体用量少、高灵敏度、高信噪比、抗干扰性强等特点；

2)在先技术系统光机定位要求高、结构复杂，难于实现小型化。本发明将表面增强拉曼效应和空心光子晶体光纤技术相结合，基于气体拉曼分析原理；被检测气体流经空心光子晶体光纤空心腔，激发光在心光子晶体光纤传播，增强了气体拉曼效应，本发明充分发挥光纤传感技术特性，具有定位要求低、系统易于构建、易于小型化等特点；

3)在先技术光谱分析原理限制了其气体物质分析辨别能力。本发明中将表面增强拉曼结构层设置在空心光子晶体光纤空心腔内侧，实现表面增强拉曼效应；同时，采用柱矢量光场在光纤一端耦合进入空心光子晶体实现拉曼激发，柱矢量光场的圆柱对称矢量特性和空心光子晶体光纤的表面增强拉曼结构层相对应，进一步显著提高物质分析的灵敏度高和信噪比，增加了气体拉曼分析性能和可调控性，具有分析辨别能力强、应用范围广、功能易于扩充等特点；

4)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。

附图说明

图1为本发明的一种实施例的结构示意图。

图2为本发明的空心光子晶体光纤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所示。

本发明一种柱矢量光场激发空心光子晶体光纤的拉曼气体分析装置，包括激发光源1、柱矢量光束转换器2、偏振调节器3、耦合部件4、入射端机械部5、空心光子晶体光纤6、出射端机械部件7、光会聚部件8、滤光元件9和光电检测部件10；激光源1出射光束光路上依次设置有柱矢量光束转换器2、偏振调节器3和耦合部件4；柱矢量光束转换器2将激光源1出射光场转换成柱矢量光场，柱矢量光场通过偏振调节器3进行调控；耦合部件4设置在偏振调节器3和空心光子晶体光纤6之间，偏振调节器3出射柱矢量光束通过耦合部件4耦合入空心光子晶体光纤6；空心光子晶体光纤6的光场入射端和光场出射端分别设置有入射端机械部件5和出射端机械部件7，作为机械固定部件和被检测气体流通出入口。

空心光子晶体光纤6的空心腔601的界面上设置有表面增强拉曼结构层602，如图2所示；被检测气体在空心光子晶体光纤6内受到柱矢量光场激发产生拉曼光场，前向传播拉曼光场从空心光子晶体光纤6另一端出射，空心光子晶体光纤6前向传播拉曼光场出射光路上依次设置有光会聚部件8、滤光元件9、光电检测部件10；光会聚部件8将前向传播拉曼光场会聚到光电检测部件10光电传感面上，滤光元件9滤除非信息光谱光场；光电检测部件10检测拉曼散射信号，经过分析拉曼光谱，得到被检测气体物质特性信息。

本实施例中，激光源1为固态激光器，波长532纳米；柱矢量光束转换器2采用液晶柱矢量光束转换器；偏振调节器3采用双二分之一波片结构；耦合部件4采用透镜型光耦合器；入射端机械部5和出射端机械部件7采用设有小孔的铝合金结构；空心光子晶体光纤6为玻璃空心光子晶体光纤；光会聚部件8采用平场复消色差透镜；滤光元件9为窄带滤光片；光电检测部件10为色散式拉曼光电探测器。

本发明的工作过程为：激光源1发出的光经过柱矢量光束转换器2，将激光源1的出射光场转换成柱矢量光场，柱矢量光场经过偏振调节器3并通过其进行调控，紧接着，柱矢量光场通过耦合部件4传播至光纤入射部机械端5，最终到达空心光子晶体光纤6实现拉曼激发，空心光子晶体光纤6的空心腔601的界面上设置有表面增强拉曼结构层602，被检测气体在空心光子晶体光纤6内受到柱矢量光场激发产生拉曼光场，从另一端出射端机械部件7出射，其中入射端机械部件5和出射端机械部件7均为机械固定部件和被检测气体流通出入口，随后，拉曼光场经过光会聚部件8，再前向传播至滤光元件9，通过滤光元件9来滤除非信息光谱光场，最终由光电检测部件10检测拉曼散射信号，经过分析拉曼光谱，得到被检测气体物质特性信息。

本实施例成功实现了液体中的一氧化碳气体的检测。本发明具有被检测气体用量少、高灵敏度、高信噪比、抗干扰性强、定位要求低、系统易于构建、易于小型化、分析辨别能力强、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 (7)

1.柱矢量光场激发空心光子晶体光纤的拉曼气体分析装置，包括激发光源、柱矢量光束转换器、偏振调节器、耦合部件、入射端机械部件、空心光子晶体光纤、出射端机械部件、光会聚部件、滤光元件和光电检测部件；激光源出射光束光路上依次设置有柱矢量光束转换器、偏振调节器和耦合部件；耦合部件设置在偏振调节器和空心光子晶体光纤之间，偏振调节器出射柱矢量光束通过耦合部件耦合进入空心光子晶体光纤；空心光子晶体光纤的光场入射端和光场出射端分别设置有入射端机械部和出射端机械部件，作为机械固定部件和被检测气体流通出入口；空心光子晶体光纤的空心腔的界面上设置有表面增强拉曼结构层；被检测气体在空心光子晶体光纤内受到柱矢量光场激发产生拉曼光场，前向传播拉曼光场从空心光子晶体光纤另一端出射，空心光子晶体光纤前向传播拉曼光场出射光路上依次设置有光会聚部件、滤光元件、光电检测部件，光电检测部件光电传感面设置在光会聚部件的前向传播拉曼光场会聚焦点区域。

2.如权利要求1所述的柱矢量光场激发空心光子晶体光纤的拉曼气体分析装置，其特征在于：所述的激发光源为气体激光器、固态激光器、染料激光器、半导体激光器中的一种。

3.如权利要求1所述的柱矢量光场激发空心光子晶体光纤的拉曼气体分析装置，其特征在于：所述的柱矢量光束转换器为液晶柱矢量光束转换器、晶体柱矢量光束转换器、偏振膜柱矢量光束转换器、微纳结构柱矢量光束转换器中的一种。

4.如权利要求1所述的柱矢量光场激发空心光子晶体光纤的拉曼气体分析装置，其特征在于：所述的耦合部件为波导型光耦合器、透镜型光耦合器、反射镜型型光耦合器、衍射光学器件型光耦合器、微纳结构型光耦合器中的一种。

5.如权利要求1所述的柱矢量光场激发空心光子晶体光纤的拉曼气体分析装置，其特征在于：所述的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、塑料空心光子晶体光纤中的一种。

6.如权利要求5所述的柱矢量光场激发空心光子晶体光纤的拉曼气体分析装置，其特征在于：所述的空心光子晶体光纤的表面增强拉曼结构层为微纳层状结构、锥形结构层、球形结构层、核壳结构纳米颗粒层的一种。

7.如权利要求1所述的一种柱矢量光场激发空心光子晶体光纤的拉曼气体分析装置，其特征在于：所述的光电检测部件为色散式拉曼光电探测器、滤光片式拉曼光电探测器、显微拉曼探测器中的一种。