CN108489902B - 一种高重复性的光纤激光微流检测器及检测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高重复性的光纤激光微流检测器及检测方法，属于激光器技术领域。该微流激光器包括可调中性密度滤光片、分束器、脉冲能量计、短焦透镜、长焦透镜、激光反射镜、柱面透镜、V型槽、空心光纤、相机和光谱仪和三维位移台。空心光纤固定在V型槽上，既充当液体流通通道又能激发回音壁模式；当光纤内壁充满增益介质并在均匀的线状泵浦光泵浦下，光纤内部支持的回音壁模式可提供光反馈实现激光输出。不同浓度的增益介质实现的激光强度不同，通过相机拍照可实现对激光强度的测量。本发明提供的光纤微流激光器具有操作简单、重复性高、成本低的优点，适用于一次性传感。

Description

一种高重复性的光纤激光微流检测器及检测方法
技术领域
本发明属于激光器技术领域，具体涉及一种高重复性的光纤微流激光器及其使用方法。
背景技术
光微流激光生化传感器是以光微流激光作为传感手段的一种新型传感技术。在微流激光出射过程中，由于腔的反馈作用使得光与待测介质的相互作用增强。同时，激活的增益介质可放大微弱的传感信号，使其更容易被探测。通过检测微流激光输出信号的变化可以实现高灵敏度的生化传感。目前，光微流激光已经实现的生化传感应用包括DNA检测、蛋白质分析、血液样品分析、活体细胞标记等等。相对于传统方式，基于光微流激光的生化传感器具有更高的灵敏度和信噪比。虽然传统光微流激光器在传感性能上得到了提升，但是谐振腔制备过程的不可重复性限制了光微流激光技术的应用。例如，基于法泊谐振腔的光微流激光输出特性受反射镜的反射率、平行度、腔长等因素影响；基于微环谐振腔的光微流激光输出特性受微环大小、形状等因素影响。如何低成本、大批量、高重复性地制备激光谐振腔亟待解决。而光纤尺寸均匀，可实现高重复性的激光输出，并具备一次性传感的潜力。
发明内容
针对传统光微流激光器重复性不好的问题，本发明利用光纤在截面上的尺寸均匀性，实现了高重复性的微流激光输出，并进行了集成阵列光纤微流激光的成像检测。为光纤微流激光实现高通量生化传感奠定了技术基础。
本发明具体采用如下技术方案：一种高重复性的光纤激光微流检测器，该微流检测器包括脉冲激光器、可调中性密度滤光片、分束器、脉冲能量计、短焦透镜、长焦透镜、激光反射镜、柱面透镜、V型槽、空心光纤、相机和光谱仪，三维位移台；其特征在于：激光器发出的激光经过可调中性密度滤光片后到达分束器，经过分束器分成两束，一束到脉冲能量计，另一束依次经过短焦透镜、长焦透镜、激光反射镜、柱面透镜，从柱面透镜出射的激光从底端垂直照射到空心光纤上；所述可调中性密度滤光片能够调节透过的激光强度；所述空心光纤水平放置在 V型槽内，空心光纤一端被V型槽固定，另一端悬空，从柱面透镜出射的激光照射到悬空的空心光纤上；所述V型槽固定在三维位移台上，其空间位置可以通过三维位移台调节；所述相机和光谱器用于接收从空心光纤端面出射的激光图像和光谱信号；
进一步的，所述可调中性密度滤光片可调范围为0到2OD连续可调；所述分束器分光比为1：1；所述长焦和短焦透镜焦距分别为150厘米和50厘米。
进一步的，所述空心光纤为单孔结构，其壁厚大于等于1微米小于等于10微米；所述空心光纤轴向尺寸波动小于1％,出射激光强度波动小于10％。
一种应用于高重复性的光纤激光微流检测器的微流介质检测方法，包括以下步骤：
步骤1：清洗空心光纤后，利用毛细效应将液体增益介质吸入空心光纤中；
步骤2：将空心光纤排列在V型槽中，并固定在三维位移台上；空心光纤可采用5-10根，构成微流激光阵列；
步骤3：脉冲激光通过柱面镜会聚成线，照射到空心光纤上，用相机记录空心光纤出射的激光信号；
步骤4：对相机拍过的照片进行强度信息提取,计算各通道输出激光的积分强度；
步骤5：用于测量增益介质浓度时，在5-10根空心光纤中通入不同浓度的增益介质，得到每个通道的激光积分强度与浓度的关系曲线，即标定曲线；测量未知浓度时，由测得的激光强度和标定曲线计算出待测浓度。
本发明的有益效果为：实现了低成本、高重复性的光纤微流激光器，为光纤微流激光实现高通量的生化传感奠定了基础。
附图说明：
图1为本发明提供的光纤微流激光器系统结构示意图；
图2为实施例中的空心光纤横截面显微图；
图3为实施例中的光谱图；
图4为实施例中的10根空心光纤微流激光的光谱积分强度图；
图5为实施例中的6根光纤构成微流激光阵列的强度分布图；
图6为实施例中在不同通道中光纤微流激光强度随浓度的变化曲线；
具体实施方式
一种高重复性的光纤激光微流检测器，该微流检测器包括脉冲激光器(1)、可调中性密度滤光片(2)、分束器(3)、脉冲能量计(4)、短焦透镜(5)、长焦透镜(6)、激光反射镜(7)、柱面透镜(8)、V型槽(9)、空心光纤(10)、相机(11)和光谱仪(12)，三维位移台；其特征在于：激光器发出的激光经过可调中性密度滤光片后到达分束器，经过分束器分成两束，一束到脉冲能量计，另一束依次经过短焦透镜(5)、长焦透镜(6)、激光反射镜(7)、柱面透镜(8)，从柱面透镜出射的激光从底端垂直照射到空心光纤上；所述可调中性密度滤光片能够调节透过的激光强度；所述空心光纤水平放置在V型槽内，空心光纤一端被V型槽固定，另一端悬空，从柱面透镜出射的激光照射到悬空的空心光纤上；所述V型槽固定在三维位移台上，其空间位置可以通过三维位移台调节；所述相机和光谱器用于接收从空心光纤端面出射的激光图像和光谱信号；实施例1：
本实施例提供光纤微流激光及其重复性的实现。高重复性的光纤微流激光器装置如图1 所示，包括可调中性密度滤光片、分束器、脉冲能量计、短焦透镜、长焦透镜、激光反射镜、柱面透镜、V型槽、空心光纤、相机和光谱仪和三维位移台。光纤微流激光的实现具体包括以下步骤：
步骤1：清洗空心光纤。
首先将空心光纤置于去离子水中超声5分钟，循环3次。然后在等离子清洗机中清洗10 分钟。
步骤2：利用毛细效应将增益介质(浓度为2mM的罗丹明喹啉溶液)吸入如图2所示的空心光纤中。光纤内径为116μm，外径为132μm。
步骤3：将单根光纤放置在V型槽中，并固定在三维位移台上；
步骤4：调节可调中性密度滤光片，使脉冲能量计能量读数在10μJ左右，用光谱仪记录光谱；
步骤5：保持泵浦能量不变，重复步骤3,4依次检测10根光纤，并用光谱仪记录各光纤的光谱。如图3所示为光谱仪记录的光谱图；
步骤6：对10根光纤的光谱分别进行积分，得到10个积分强度。然后绘制10根光纤的积分强度图(如图4所示)。计算得到10个光纤微流激光输出积分强度具有高重复性，均方差小于7.4％。第i根光纤的光谱积分强度Ii定义为
Figure BDA0001663456130000031
其中，[λ1,λ2]为激光出射范围，I(λ)表示光谱强度分布。
实施例2：
本实施在实施例1的基础上做进一步限定，提供增益介质浓度测量法。
增益介质浓度测量方法具体包括以下步骤：
步骤1：清洗空心光纤。
首先将空心光纤置于去离子水中超声5分钟，循环3次。然后在等离子清洗机中清洗10 分钟。
步骤2：利用毛细效应在5-10根空心光纤中通入不同浓度的增益介质。
步骤3：将吸入增益介质的空心光纤并排在V型槽中，并固定在三维位移台上。构成微流激光阵列。
步骤4：纳秒脉冲激光通过柱面镜会聚成线，泵浦空心光纤，用相机记录空心光纤出射的激光信号。
步骤5：对相机拍过的照片进行强度信息提取,绘制在像素点对应的强度值，即强度分布图(如图5所示)。
步骤6：计算图5中各通道的积分强度。定义第i个像素点位置的强度为I(i)，第N个通道对应的像素区间为[AN，BN]，则第N个通道的像素积分强度值IN为
Figure BDA0001663456130000041
对每个通道计算像素积分强度值后，绘制每个通道的激光积分强度与浓度的关系曲线，即标定曲线(如图6所示)。该标定曲线具有良好的线性度，证明了其可靠的传感性能。
步骤7：对于待测增益介质，可通过重复步骤1到步骤7，利用测得的激光强度和图6的标定曲线计算相应的增益介质浓度。

Claims (4)

1.一种高重复性的光纤激光微流检测器，该微流检测器包括脉冲激光器(1)、可调中性密度滤光片(2)、分束器(3)、脉冲能量计(4)、短焦透镜(5)、长焦透镜(6)、激光反射镜(7)、柱面透镜(8)、V型槽(9)、空心光纤(10)、相机(11)和光谱仪(12)，三维位移台；其特征在于：激光器发出的激光经过可调中性密度滤光片后到达分束器，经过分束器分成两束，一束到脉冲能量计，另一束依次经过短焦透镜(5)、长焦透镜(6)、激光反射镜(7)、柱面透镜(8)，从柱面透镜出射的激光从底端垂直照射到空心光纤上；所述可调中性密度滤光片能够调节透过的激光强度；所述空心光纤水平放置在V型槽内，空心光纤一端被V型槽固定，另一端悬空，从柱面透镜出射的激光照射到悬空的空心光纤上；所述V型槽固定在三维位移台上，其空间位置可以通过三维位移台调节；所述相机和光谱仪用于接收从空心光纤端面出射的激光图像和光谱信号。
2.如权利要求1所述的一种高重复性的光纤激光微流检测器，其特征在于所述可调中性密度滤光片可调范围为0到2OD连续可调；所述分束器分光比为1：1；所述长焦和短焦透镜焦距分别为150厘米和50厘米。
3.如权利要求1所述的一种高重复性的光纤激光微流检测器，其特征在于所述空心光纤为单孔结构，其壁厚大于等于1微米小于等于10微米；所述空心光纤轴向尺寸波动小于1％,出射激光强度波动小于10％。
4.一种应用于如权利要求1所述高重复性的光纤激光微流检测器的微流介质检测方法，包括以下步骤：
步骤1：清洗空心光纤后，利用毛细效应将液体增益介质吸入空心光纤中；
步骤2：将空心光纤排列在V型槽中，并固定在三维位移台上；空心光纤采用5-10根，构成微流激光阵列；
步骤3：脉冲激光通过柱面镜会聚成线，照射到空心光纤上，用相机记录空心光纤出射的激光信号；
步骤4：对相机拍过的照片进行强度信息提取,计算各通道输出激光的积分强度；
步骤5：用于测量增益介质浓度时，在5-10根空心光纤中通入不同浓度的增益介质，得到每个通道的激光积分强度与浓度的关系曲线，即标定曲线；测量未知浓度时，由测得的激光强度和标定曲线计算出待测浓度。
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