CN106770167A - 光镊式光纤拉曼探针及制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供的是一种光镊式光纤拉曼探针及制作方法。具有同轴的两个光学通道，其中环形光纤芯提供拉曼激发光通道，处于同轴中心的通道用于接收拉曼探测光；通过对同轴双波导通道光纤的纤端进行精细锥角研磨，形成旋转对称平面(或弧面)结构，该结构能够将环形芯传输的拉曼激发光进行微米尺度的汇聚，汇聚的激发光一方面具有俘获微纳尺度粒子的能力，另一方面与粒子相互作用，产生拉曼散射光汇聚的激发光所产生的后向散射拉曼光信号能够经由中间大芯径纤芯收集并传输至拉曼光谱仪中。本发明可用于实现对细胞活体微生命物质的俘获，完成细胞内部物质拉曼光谱的有效激发，并获得拉曼光谱，从而实现微量液体、活体内单细胞及其内部物质的拉曼测量。

Description

光镊式光纤拉曼探针及制作方法

技术领域

本发明涉及的是一种光镊式光纤拉曼探针。本发明也涉及一种光镊式光纤拉曼探针的制作方法。

背景技术

拉曼光谱技术是通过光与物质相互作用后，产生拉曼散射光谱来反映物质内部结构和分子振动信息的一门技术。它在生物医学，环境检测，食品安全等领域应用广泛。而拉曼探针的设计与制作是拉曼光谱技术发展的关键技术之一。

为了精确地实现活体细胞拉曼光谱诊断的准确性，使活体细胞和在体细胞拉曼光谱的研究提升到单细胞内部的分子水平的程度，在技术上必须解决的两个问题是：

(1)由于细胞的大小在微米尺度，因而拉曼散射光斑只有处于该微纳尺度区域，才能实现空间的高精度分辨；

(2)需要构造尺寸更加小巧、便于实现活体组织的在体介入光学探头结构，从而实现活体的在体单细胞拉曼光谱测量。

光纤技术应用于拉曼光谱的探测具有方便、小巧、灵活的特点，由光纤制作成光纤拉曼探针将会是解决活体细胞和在体细胞拉曼光谱的研究提升到单细胞内部的分子水平的程度的重要手段之一。A.M.Janse等人报道了采用双光纤技术开展拉曼谱技术研究(Photochemistry and Photobiology,1998,68(3):427-431)，为了提高后向散射拉曼光谱信号的收集效率，J.T.Motz等人采用的激发光纤芯径为200μm(100mW激发功率)，聚焦系统的焦斑约为100μm，围绕光激发光纤增加了一圈芯径同样为200μm的大芯径光纤作为后向散射拉曼光信号的接收光纤，这使得探头的尺寸较大，使用的光纤束探头，直径达到了2mm，难于实现细胞尺度的探测(Appl Opt,2004，43(3)：542-554)。为了实现微米级单细胞拉曼谱的测量，2008年，J.W.Chan等人将传统光镊技术与拉曼光谱探测相结合，实现了单细胞拉曼光谱的测量(Analytical Chemistry,2008,80(6):2180)。但是传统光镊是基于较庞大的显微镜系统得以实现的，所以其使用的灵活性较差，不能介入活体组织，难于实现活体组织内部的拉曼测量。

发明内容

本发明的目的在于提供一种适用于微生物或细胞等微小粒子定位俘获，并高效激发获得其拉曼光谱的光镊式光纤拉曼探针。本发明的目的还在于提供一种光镊式光纤拉曼探针的制作方法。

本发明的光镊式光纤拉曼探针包括同轴双波导通道光纤、拉曼激发光传输单模光纤和用于后向拉曼散射光传输的模场匹配大芯径多模光纤，所述同轴双波导通道光纤包括中间大芯径纤芯和同轴分布的环形芯，同轴双波导通道光纤的端面经过精细研磨形成旋转对称反射光学结构，所述拉曼激发光传输单模光纤与同轴双波导通道光纤经过侧面抛磨后彼此耦合，所述用于后向拉曼散射光传输的模场匹配大芯径多模光纤与同轴双波导通道光纤连接。

本发明的光镊式光纤拉曼探针还可以包括：

1、所述旋转对称反射光学结构为旋转对称锥面反射汇聚结构，同轴双波导通道光纤的端面由精细研磨形成底角为α的锥形圆台，α≥arcsin(n₃/n₁)，n₃为被测物质环境折射率、n₁为环形芯的折射率。

2、所述旋转对称反射光学结构为旋转对称弧面反射聚焦结构，同轴双波导通道光纤的端面由精细研磨形成反射面是曲率半径为R的旋转对称弧面锥台，R＝300～500μm。

3、拉曼激发光传输单模光纤与激光器连接将激发光从激光器引出，通过侧向拋磨耦合将激发光耦合进同轴双波导通道光纤的环形芯；激发光在同轴双波导通道光纤端面的旋转对称反射光学结构处被完全内反射而汇聚，聚焦的激发光形成可俘获微小粒子的光镊且与俘获的粒子相互作用产生拉曼散射光，同轴双波导通道光纤的中间大芯径纤芯收集后向拉曼散射光，用于后向拉曼散射光传输的模场匹配大芯径多模光纤使收集到的后向拉曼散射光传输到拉曼光谱仪中进行分析。

本发明的光镊式光纤拉曼探针的制作方法为：

步骤一：光路耦合

将同轴双波导通道光纤和单模光纤分别侧抛，并彼此耦合，使得单模光纤内传输的激发光耦合进同轴双波导通道光纤的环形芯内；再将同轴双波导通道光纤的一端与模场匹配大芯径多模光纤焊接，使得拉曼信号光由同轴双波导通道光纤的中间芯进入模场匹配大芯径多模光纤中传输。

步骤二：锥体研磨

将同轴双波导通道光纤放置于光纤端研磨台的夹具上，开启研磨机，进行光纤端平面旋转对称结构圆台的研磨；

在得到平面旋转对称圆台结构的基础上，在研磨的同时调节同轴双波导通道光纤的俯仰角，对旋转对称平面结构进行弧面优化，使其研磨至具有最佳弧度的旋转对称弧面反射聚焦结构；

步骤三：锥体抛光

将研磨好的锥体进行火焰抛光，然后放在超声清洗槽中清洗、烘干备用。

本发明的主要特点是：1、该光纤拉曼探针具有同轴两个光学波导通道，其中环形芯1-1提供拉曼激发光1-4，处于同轴中心的通道1-2用于接收拉曼探测光1-5；2、该光纤拉曼探针通过同轴双波导通道光纤1的纤端进行精细锥角研磨，形成旋转对称平面(或弧面)结构1-3，该结构能够将环形芯传输的拉曼激发光进行微米尺度的汇聚，汇聚的激发光一方面具有俘获微纳尺度粒子的能力，另一方面与粒子相互作用，产生拉曼散射光；3、该光纤拉曼探针汇聚的激发光所产生的后向散射拉曼光信号能够经由中间纤芯1-2收集并传输至拉曼光谱仪6中。

此外，本发明提供的光纤拉曼探针还具有尺寸小、空间分辨率高、在液体中能同时实现微小粒子的俘获和拉曼光激发与探测的功能。可用于实现对细胞活体微生命物质的俘获，完成细胞内部物质拉曼光谱的有效激发，并获得拉曼光谱，从而实现活体组织的在体细胞及其内部物质的拉曼测量。

这种光纤拉曼探针光纤端的旋转对称的反射光学结构，其形式有如下两种：1)旋转对称平面反射汇聚结构；2)旋转对称弧面反射聚焦结构。

1)旋转对称平面反射汇聚结构：其结构由精细研磨光纤端面而形成的底角为α的锥形圆台(α≥arc sin(n₃/n₂)，n₃为被测物质环境折射率，n₁为环形芯的折射率)，其能够对环形芯输出的激发光进行完全内反射并形成强聚焦光场，汇聚的拉曼激发光除了能与物质粒子充分相互作用生成拉曼散射光外，还可形成光阱，具有捕获物质粒子的作用，从而使测量过程更稳定。

2)旋转对称弧面反射聚焦结构：其结构与1)的不同之处在于其反射面是曲率半径为R的旋转对称弧面锥台1-3。这样的旋转对称弧面结构能使拉曼激发光的聚焦效果更好，从而达到更高的拉曼激发效率。

这种光纤拉曼探针的拉曼激发光1-4是通过单模光纤2从激光光源5引出后，与同轴双波导通道光纤1经过侧面抛磨后彼此耦合注入大拉曼光纤探针的环形芯1-1。

这种光纤拉曼探针的后向拉曼散射光1-5通过中间大芯径纤芯1-2与一段纤芯模场匹配的多模光纤3相互连接后经过一个滤波器7，滤去激发光，再被导入拉曼光谱仪6。

本发明使用了新型的同轴双波导通道光纤来制作即适合活体组织介入，又可用于单个微生物或细胞等微纳级别粒子拉曼光谱探测的拉曼探针，该光纤探针将激发光通道与探测光通道微缩集成在一根直径在125μm的同轴双波导通道光纤中，通过光纤端的圆形锥台加工技术，可以将来自环形光纤芯的激发光斑聚焦在微米尺度内。后向拉曼散射光信号通过中心同轴的大数值孔径、大纤芯直径的光纤芯来收集。

本发明通过光纤端锥体加工技术，极大地增强了光与单细胞物质相互作用的效率，可以使得激发光总功率得以降低，减少了由于激光的能流密度过高对活体组织的损伤和影响，在总功率尽可能低的激发光功率情况下，使有限的光能量高度聚焦在待测细胞的微纳区域。此外，由于所有的光学系统都集成在一根光纤中，达到了介入的光学探头尽可能的小巧和灵活的目的。

本发明能够同时实现两种功能：第一种功能是获得微米尺度的强聚焦光斑，实现活体细胞的俘获与精确定位；第二种功能是实现了光与细胞物质相互作用的增强，同时获得后向拉曼散射信号。

附图说明

图1是光镊式光纤拉曼探针及其工作方式示意图。

图2a是同轴双波导通道光纤截面；图2b是同轴双波导通道光纤折射率分布示意图。

图3是旋转对称平面反射汇聚拉曼光纤探针结构示意图。

图4是汇聚效果随锥台底角变化曲线图。

图5是底角为21°时的光场平均能量密度分布图(光纤探针沿轴向切片)。

图6是旋转对称弧面反射聚焦拉曼光纤探针结构示意图。

图7是弧面优化的方法示意图。

图8是聚焦效果随优化弧面曲率半径变化曲线图。

图9是以底角21°为基准，优化弧面曲率半径为R＝400μm的光场平均能量密度分布图(光纤探针沿轴向切片)。

图10是光纤拉曼探针研磨方法及研磨过程示意图。

具体实施方式

下面结合附图举例对本发明做更详细的描述：

图1是光镊式光纤拉曼探针及其工作方式示意图。激光光源5输出的拉曼激发光先由普通的单模光纤2传输，单模光纤2在经过与同轴双波导通道光纤1侧抛后耦合，便可将激发光耦合至同轴双波导通道光纤1的环形芯1-1内。当激发光传输至探针的纤端时，精细研磨而成的旋转对称的反射光学结构1-3将会使激发光汇聚，对待测微生物或细胞等微粒4进行定位俘获，并与之相互作用，产生拉曼散射光，其中后向散射光由中间纤芯1-2收集并传输，再经过与模场匹配的后向拉曼散射光接受多模光纤3连接，再通过一个滤波器7，滤去激发光后，将后向拉曼散射光传输至拉曼光谱仪中。

本发明采用如图2a所示的同轴双波导通道光纤，图2b为该光纤折射率n随半径r的分布情况。同轴双波导通道光纤1包括一个环形波导纤芯1-1和一个大芯径圆形波导纤芯1-2，大芯径圆形波导纤芯1-2位于光纤中心，环形芯波导纤芯1-1位于大芯径圆形波导纤芯1-2外，两波导同轴分布。其中环形芯1-2用于传输激发光，中间纤芯1-1用于收集并传输后向拉曼散射光，从而实现了将拉曼激发光纤与拉曼信号收集光纤集成于同一根光纤中但又通过不同通道传输的功能，很大程度上简化了光纤拉曼探针的设计，使其更适用于活体细胞拉曼光谱测量。

图3是探针的旋转对称平面反射汇聚拉曼光纤探针结构示意图。其结构由精细研磨光纤端面而形成的底角为α的锥形圆台(α≥arcsin(n₃/n₁)，n₃为被测物质环境折射率，n₁为环形芯的折射率)，该结构能够对环形芯输出的激发光进行全反射并形成强聚焦光场。汇聚的拉曼激发光除了能与物质粒子4充分相互作用，提高拉曼激发效率外，还可形成光镊，具有俘获物质粒子4的作用，从而使测量过程更稳定。本发明利用comsol软件对反射结构1-3建立了平均功率分布模型(即环形芯内的能量满足轴对称径向高斯分布)，对锥台的底角α进行优化，以选择最合适的底角，从而达到聚焦光斑只有几微米大小，聚焦处能量密度可超过输入激光能量密度2-3个数量级。

图4是光束汇聚处平均能量最大值随角α减小的变化趋势，可以看出，随着α角的减小，聚焦处的能量密度不断发生变化，在前述条件下，当角度减小至69°附近时达到最好的聚焦效果，汇聚点的最大能量密度达到了1610J/m³(如图5所示)。当α小于68°时便会有较多光从锥台泄露，从而减弱汇聚效果。因此，我们选择最优的底角α＝69°。

图6是旋转对称弧面反射聚焦拉曼光纤探针结构示意图。其结构与旋转对称平面反射结构的不同之处在于其反射面是曲率半径为R的旋转对称弧面圆台1-3。这样的旋转对称弧面结构能使拉曼激发光的聚焦效果更好，从而达到更高的拉曼激发效率。同样的，本发明选择对旋转对称平面结构中汇聚效果最好的参数(α＝69°)为弧面优化基准，进行优化。图7为探针的轴剖图，弧面优化方法为：先将同轴双波导通道光纤研磨至α＝69°附近，形成旋转对称平面结构，然后再以此为基准进行弧面优化，即以该角度下的直线为优化圆弧的切线，弧面的曲率半径为R。图8给出了聚焦效果随优化圆弧曲率半径变化的曲线图。由图可以看出，弧面优化后的聚焦效果得到明显的改善，并发现当弧面的曲率半径R在300-500μm之间时，光束汇聚效果较好，且其随着R在该范围内的变化，聚焦效果变化不大，这对在优化加工时所需的工艺精度降低了要求。其中当R＝400μm时汇聚效果最好，汇聚最大能量密度达到2300(J/m³)，如图9所示。

下面举一例说明本发明的制作过程：

图10展示的是本发明使用的光纤端精细研磨装置和研磨过程示意图。其中研磨台9可沿其中心轴转动，光纤夹具8除了能沿其自转轴转动外，还可以调整其俯仰角度，用于锥台的弧面优化。本发明首先将同轴双波导通道光纤放置在光纤夹具8上，调整至适当的位置，然后对其进行光纤端锥体粗磨，待锥体底角接近最优化角度时，再使光纤夹具8调节光纤的俯仰角，以对光纤端进行锥体弧面优化精磨。等完成优化精磨后，对其进行火焰抛光，放置于超声清洗池中清洗，烘干。就获得了本发明所述的光镊式光纤拉曼探针。

Claims (5)

1.一种光镊式光纤拉曼探针，包括同轴双波导通道光纤、拉曼激发光传输单模光纤和用于后向拉曼散射光传输的模场匹配大芯径多模光纤，其特征是：所述同轴双波导通道光纤包括中间大芯径纤芯和同轴分布的环形芯，同轴双波导通道光纤的端面经过精细研磨形成旋转对称反射光学结构，所述拉曼激发光传输单模光纤与同轴双波导通道光纤经过侧面抛磨后彼此耦合，所述用于后向拉曼散射光传输的模场匹配大芯径多模光纤与同轴双波导通道光纤连接。

2.根据权利要求1所述的光镊式光纤拉曼探针，其特征是：所述旋转对称反射光学结构为旋转对称锥面反射汇聚结构，同轴双波导通道光纤的端面由精细研磨形成底角为α的锥形圆台，α≥arcsin(n₃/n₁)，n₃为被测物质环境折射率、n₁为环形芯的折射率。

3.根据权利要求1所述的光镊式光纤拉曼探针，其特征是：所述旋转对称反射光学结构为旋转对称弧面反射聚焦结构，同轴双波导通道光纤的端面由精细研磨形成反射面是曲率半径为R的旋转对称弧面锥台，R＝300～500μm。

4.根据权利要求1、2或3所述的光镊式光纤拉曼探针，其特征是：拉曼激发光传输单模光纤与激光器连接将激发光从激光器引出，通过侧向拋磨耦合将激发光耦合进同轴双波导通道光纤的环形芯；激发光在同轴双波导通道光纤端面的旋转对称反射光学结构处被完全内反射而汇聚，聚焦的激发光形成可俘获微小粒子的光镊且与俘获的粒子相互作用产生拉曼散射光，同轴双波导通道光纤的中间大芯径纤芯收集后向拉曼散射光，用于后向拉曼散射光传输的模场匹配大芯径多模光纤使收集到的后向拉曼散射光传输到拉曼光谱仪中进行分析。

5.一种权利要求1所述的光镊式光纤拉曼探针的制作方法，其特征是：

步骤一：光路耦合

将同轴双波导通道光纤和单模光纤分别侧抛，并彼此耦合，使得单模光纤内传输的激发光耦合进同轴双波导通道光纤的环形芯内；再将同轴双波导通道光纤的一端与模场匹配大芯径多模光纤焊接，使得拉曼信号光由同轴双波导通道光纤的中间芯进入模场匹配大芯径多模光纤中传输。

步骤二：锥体研磨

将同轴双波导通道光纤放置于光纤端研磨台的夹具上，开启研磨机，进行光纤端平面旋转对称反射聚焦结构的研磨；

在得到平面旋转对称反射聚焦圆台结构的基础上，在研磨的同时调节同轴双波导通道光纤的俯仰角，对旋转对称平面结构进行弧面优化，使其研磨至具有最佳弧度的旋转对称弧面反射聚焦结构；

步骤三：锥体抛光

将研磨好的锥体进行火焰抛光，然后放在超声清洗槽中清洗、烘干备用。