CN106370643A - 基于线形腔内倍频及空芯光纤的拉曼光谱液体探测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了基于线形腔内倍频及空芯光纤的拉曼光谱液体探测方法，该方法使用波长为915纳米或976纳米的连续激光器作为光源且采用由光纤布拉格光栅和光纤全反射镜构成的线形谐振腔，进一步通过有源光纤和三硼酸锂倍频晶体获取窄线宽的532纳米激光并激发待测液体产生拉曼散射光，同时本发明液体探测方法具有纵模少、相干性好、结构紧凑、探测效率高以及可靠性高等优点。

Description

基于线形腔内倍频及空芯光纤的拉曼光谱液体探测方法

技术领域

本发明涉及一种拉曼光谱探测方法，特别涉及基于线形腔内倍频及空芯光纤的拉曼光谱液体探测方法。

背景技术

拉曼光谱探测法是研究化合物分子受光照射后所产生的散射，散射光与入射光能级差和化合物振动频率、转动频率的关系的分析方法。与红外光谱类似，拉曼光谱是一种振动光谱技术。所不同的是，前者与分子振动时偶极矩变化相关，而拉曼效应则是分子极化率改变的结果，被测量的是非弹性的散射辐。拉曼光谱技术在液体检测方面具有分析周期短、装置简单、可同时探测多种液体等技术优势，被作为重要的物质分析检测手段，在生物医学、物理化学、材料分析、微纳测试等领域得到广泛的应用。

然而，拉曼散射是一种弱散射，在实际操作中存在灵敏度不足的问题，目前较典型的是采用多次反射增强的方式，尽管多次反射腔可极大地提高拉曼散射强度，但多次反射腔采用两个高反射率腔镜进行增强，对光路调节和系统稳定性要求较高。同时，若测量对象是透明的有机物液体，很容易由于对焦不准而将焦点聚焦在载玻片上。

因此，需要采用一种基于腔内倍频的拉曼光谱探测方法来对液体进行成分分析。

发明内容

本发明的目的在于提供基于线形腔内倍频及空芯光纤的拉曼光谱液体探测方法，该方法包括如下步骤：

(a)使用波长为915纳米或976纳米的连续激光器作为光源，通过波分复用器将所述连续激光器发出的激光耦合进入由光纤布拉格光栅和光纤全反射镜构成的线形谐振腔；

(b)所述线形谐振腔内还依次连接有源光纤、三硼酸锂倍频晶体和耦合器，所述耦合器的输出两端光纤相对熔接构成了所述光纤全反射镜；所述连续激光器发出的激光经过所述有源光纤放大后并在所述线形谐振腔内振荡产生为1微米波长激光；

(c)所述1微米波长激光再经过所述三硼酸锂倍频晶体产生倍频并输出532纳米窄线宽激光，进一步通过所述耦合器后利用聚光透镜将所述532纳米窄线宽激光聚焦至内部装有待测液体的空芯光纤；

(d)所述532纳米窄线宽激光激发所述待测液体并产生拉曼散射光，再经收集光路透镜将所述拉曼散射光聚焦至光纤后返回至与所述波分复用器相连的光谱仪；

(e)所述光谱仪经分析获得所述待测液体的拉曼光谱，从而实现对所述待测液体的成分分析。

优选地，所述空芯光纤为空芯石英光纤且外部包层的两端部由焊锡进行固定。

优选地，所述空芯光纤的内壁均镀有高反介质膜。

优选地，所述有源光纤为掺镱光纤。

优选地，所述连续激光器采用蝶形激光光源。

优选地，所述光纤布拉格光栅采用反射率大于90％、3dB线宽小于0.2纳米且反射波长为1060纳米的光纤光栅。

优选地，所述拉曼光谱的强度与所述空芯光纤的长度之间的变化以下遵循方程：

$P_R=\frac{P_{L}K}{2\mathrm{\α}}(1-e^{-2\mathrm{\α}x})$

所述激发光和所述拉曼散射光在所述空芯光纤内的液体中呈e指数衰减，且具有相同的损耗系数，其中P_R为拉曼散射光强度，P_L为激发光强度，α为所述空芯光纤内液体的损耗系数，χ为所述空芯光纤的长度，K为所述空芯光纤内液体的散射截面和光纤数值孔径相关的常数。

本发明液体探测方法具有纵模少、相干性好、结构紧凑、探测效率高以及可靠性高等优点。

应当理解，前述大体的描述和后续详尽的描述均为示例性说明和解释，并不应当用作对本发明所要求保护内容的限制。

附图说明

参考随附的附图，本发明更多的目的、功能和优点将通过本发明实施方式的如下描述得以阐明，其中：

图1示意性示出本发明液体探测方法的系统组成示意图；

图2示意性示出本发明液体探测方法的操作流程图；

图3为本发明液体探测方法针对不同样本所测试数据的拉曼光谱图。

具体实施方式

通过参考示范性实施例，本发明的目的和功能以及用于实现这些目的和功能的方法将得以阐明。然而，本发明并不受限于以下所公开的示范性实施例；可以通过不同形式来对其加以实现。说明书的实质仅仅是帮助相关领域技术人员综合理解本发明的具体细节。

在下文中，将参考附图描述本发明的实施例。在附图中，相同的附图标记代表相同或类似的部件，或者相同或类似的步骤。

图1和图2分别示出了本发明基于线形腔内倍频及空芯光纤的拉曼光谱液体探测方法的系统组成图100和步骤流程图200。本发明液体探测方法的系统组成图100依次包括：连续激光器101、波分复用器(WDM)102、光纤布拉格光栅(FBG)103、有源光纤(YDF)104、三硼酸锂倍频晶体(LBO)105、耦合器(OC)106、聚光透镜108、空芯光纤109、收集光路透镜110以及光谱仪111。

此外，系统中的连续激光器101、波分复用器102、有源光纤104、三硼酸锂倍频晶体105、光纤布拉格光栅103和耦合器106组成在一起则构成了倍频光纤激光器，其中所述耦合器106的输出两端光纤相对熔接形成光纤全反射镜107，所述光纤全反射镜107与所述光纤布拉格光栅103一起构成了激光器的线形谐振腔。

如图2所示，本发明液体探测方法的步骤流程图200包括如下步骤：

(a)使用波长为915纳米或976纳米的连续激光器101作为光源，通过波分复用器102将连续激光器101发出的激光耦合进入由光纤布拉格光栅103和光纤全反射镜107组成的线形谐振腔中(步骤201)。优选地，所述连续激光器101采用蝶形激光光源，所述光纤布拉格光栅103采用反射率大于90％、3dB线宽小于0.2纳米且反射波长为1060纳米的光纤光栅。

(b)所述线形谐振腔内还依次连接有源光纤104、三硼酸锂倍频晶体105和耦合器106，连续激光器101发出的激光经过有源光纤104放大后并在所述线形谐振腔内振荡产生为1微米波长激光(步骤202)，其中有源光纤104为掺镱光纤。

(c)所述1微米波长激光再经过所述三硼酸锂倍频晶体105产生倍频并输出532纳米窄线宽激光(步骤203)，进一步通过所述耦合器106后利用聚光透镜108将所述532纳米窄线宽激光聚焦至内部装有待测液体的空芯光纤109(步骤204)。激光的线宽越窄，则其纵模越少且相干性也就越好。所述空芯光纤109为空芯石英光纤且外部包层的两端部由焊锡进行固定。

常见的空芯石英光纤一般外部包层含有硅胶层或环氧树脂层使其柔软且不易折断，但硅胶层或环氧树脂层均为有机材料层且易溶于有机溶液，这将对探测有机液体带来不利的影响。

为避免上述不利影响，本发明中空芯光纤109外部包层的两个端部采用焊锡进行固定。具体地，根据光纤头的长度用酒精灯烧除一段，让石英裸露并将光纤头插入熔融的焊锡中进行固定，冷却后再用1：1混合的AB无机胶封严并晾干，从而有效防止注入液体后发生外泄现象。

进一步将参考液体和待测液体从空芯光纤109的一端注入、同时放低空芯光纤109另一端使液体沿空芯光纤109流入直至充满，但不可太满，在空芯光纤109头处留置空间，便于封光纤头，保证密封后有空间缓冲溶液受热的液体膨胀。

优选地，空芯光纤109的内壁均镀有高反介质膜，该高反介质膜为金属层膜，例如镀银膜；这种高反介质膜可以有效增强拉曼光谱信号强度。

(d)所述532纳米窄线宽激光激发所述待测液体并产生拉曼散射光(步骤204)，再经收集光路透镜110将所述拉曼散射光聚焦至光纤后返回至与所述波分复用器相连的光谱仪111(步骤205)；

(e)所述光谱仪111经分析获得所述待测液体的拉曼光谱，从而实现对所述待测液体的成分分析(步骤205)。

图3示出了根据实测数据对待测液体进行判断的实施例，其中样本A与B是两种不同液体，且A是纯净水并作为已知的参考液体，液体A的拉曼谱线构成参考拉曼光谱的主貌。

对比图3中两种液体的拉曼光谱测试曲线可知，液体B与液体A的具有相近的拉曼谱线，但两者特征峰的强度值不同，且液体B的拉曼特征峰值低于液体A的峰值。将待测液体的拉曼光谱与已知参考液体的拉曼光谱进行比较分析，一方面可直接从拉曼谱线的形貌判断出样品与已知参考液体之间的差异；另一方面，还可以从特征峰值的大小判断出样品中含有微量矿物质成分的多少。通过对比分析可有效降低因标准光谱数据库不能及时更新而带来的误差，极大地提高了测量效率和可靠性。

假设激发光和拉曼散射光在空芯光纤109内的液体中呈e指数衰减，且具有相同的损耗系数，则在背向散射几何中，拉曼散射光强度与空芯光纤109的长度之间的变化还遵循以下方程：

$P_R=\frac{P_{L}K}{2\mathrm{\α}}(1-e^{-2\mathrm{\α}x})$

其中P_R为拉曼散射光强度，P_L为激发光强度，α为空芯光纤109内液体的损耗系数，χ为空芯光纤109的长度，K为空芯光纤109内液体的散射截面和光纤数值孔径相关的常数。

综上所述，本发明基于线形腔内倍频及空芯光纤的拉曼光谱液体探测方法采用倍频光纤激光器同时采用由光纤布拉格光栅103和光纤全反射镜107构成的线形谐振腔，不仅获得了窄线宽的探测激光还简化了谐振腔的结构，故本发明液体探测方法具有纵模少、相干性好、结构紧凑、探测效率高以及可靠性高等优点。

所述附图仅为示意性的并且未按比例画出。虽然已经结合优选实施例对本发明进行了描述，但应当理解本发明的保护范围并不局限于这里所描述的实施例。

结合这里披露的本发明的说明和实践，本发明的其他实施例对于本领域技术人员都是易于想到和理解的。说明和实施例仅被认为是示例性的，本发明的真正范围和主旨均由权利要求所限定。

Claims (7)

1.基于线形腔内倍频及空芯光纤的拉曼光谱液体探测方法，该方法包括如下步骤：

(a)使用波长为915纳米或976纳米的连续激光器作为光源，通过波分复用器将所述连续激光器发出的激光耦合进入由光纤布拉格光栅和光纤全反射镜构成的线形谐振腔；

(b)所述线形谐振腔内还依次连接有源光纤、三硼酸锂倍频晶体和耦合器，所述耦合器的输出两端光纤相对熔接构成了所述光纤全反射镜；所述连续激光器发出的激光经过所述有源光纤放大后并在所述线形谐振腔内振荡产生为1微米波长激光；

(c)所述1微米波长激光再经过所述三硼酸锂倍频晶体产生倍频并输出532纳米窄线宽激光，进一步通过所述耦合器后利用聚光透镜将所述532纳米窄线宽激光聚焦至内部装有待测液体的空芯光纤；

(d)所述532纳米窄线宽激光激发所述待测液体并产生拉曼散射光，再经收集光路透镜将所述拉曼散射光聚焦至光纤后返回至与所述波分复用器相连的光谱仪；

(e)所述光谱仪经分析获得所述待测液体的拉曼光谱，从而实现对所述待测液体的成分分析。

2.根据权利要求1所述的液体探测方法，其特征在于：所述空芯光纤为空芯石英光纤且外部包层的两端部由焊锡进行固定。

3.根据权利要求2所述的液体探测方法，其特征在于：所述空芯光纤的内壁均镀有高反介质膜。

4.根据权利要求3所述的液体探测方法，其特征在于：所述有源光纤为掺镱光纤。

5.根据权利要求4所述的液体探测方法，其特征在于：所述连续激光器采用蝶形激光光源。

6.根据权利要求5所述的液体探测方法，其特征在于：所述光纤布拉格光栅采用反射率大于90％、3dB线宽小于0.2纳米且反射波长为1060纳米的光纤光栅。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的液体探测方法，其特征在于：所述拉曼光谱的强度与所述空芯光纤的长度之间的变化以下遵循方程：

$P_R=\frac{P_{L}K}{2\mathrm{\α}}(1-e^{-2\mathrm{\α}x})$

所述激发光和所述拉曼散射光在所述空芯光纤内的液体中呈e指数衰减，且具有相同的损耗系数，其中P_R为拉曼散射光强度，P_L为激发光强度，α为所述空芯光纤内液体的损耗系数，χ为所述空芯光纤的长度，K为所述空芯光纤内液体的散射截面和光纤数值孔径相关的常数。