CN109730640A - 基于光纤布拉格光栅的拉曼光谱测量探针 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于光纤布拉格光栅的拉曼光谱测量探针，包括中心光纤束，设在中心光纤束的外表面的毛细金属管，用于收集散射光的拉曼收集光纤束，拉曼收集光纤束上刻有若干布拉格光栅；用于保护拉曼收集光纤束的金属管保护套，光纤光缆；光纤光缆连接至光连接器的一端，光连接器另一端分别连接输入光纤束、输出光纤束。本发明的拉曼光谱测量探针具有结构简单、操作方便、灵敏度高和可靠性高的优点。

Description

基于光纤布拉格光栅的拉曼光谱测量探针

技术领域

本发明涉及医用诊断领域，尤其涉及一种基于光纤布拉格光栅的拉曼光谱测量探针。

背景技术

冠状动脉CTO病变(慢性完全闭塞病变)是指冠状动脉在动脉粥样硬化病变基础上管腔完全闭塞，侵入性造影证实绝对没有前向血流通过闭塞病变，且通过以前的造影或临床实践证实闭塞大于等于3个月。在当代介入心脏病学领域，冠状动脉CTO病变通过冠状造影检出率逐渐增加。在有心绞症状的冠心病者中，冠状动脉CTO病变的发生率占15％-30％。冠状动脉CTO病变PCI(经皮冠状动脉介入治疗)技术难度大、成功率低，术后再闭塞和再狭窄发生率高，被认为是目前PCI领域最大的障碍和挑战，其中导丝通过失败是冠状动脉CTO病变介入治疗失败的主要原因。

拉曼光谱是一种非常有价值的、无处不在且成熟的分析工具，可以定性和定量测量样品的分子组成，据此可以反映分子中不同的化学键或官能团。拉曼光谱能提供快速、无损的检测，并且给出高专一性的光谱信息，从而可以进行多成分分析。此外，拉曼光谱不需对样品进行特别的处理，使得在线分析和实地检测成为可能。并且激光作为激发光源的应用以及大功率激光器的实现能够有效地克服这一缺点。

在传统的拉曼光谱分析方法中，对于液体、薄膜和粉末等样品，可以不需特殊的样品处理即可得到满意的光谱图，但对于一些不均匀的样品无法达到满意效果。

与传统的拉曼光谱分析方法相比，拉曼光纤探头的工作原理基本相同，主要差别在于在传统方法中必须把样品放置在测量光路中；而拉曼光纤探头可以通过光纤将检测光从光源引出，与样品相互作用，又经光纤的收集和传输，将信号光送至检测系统因而光纤探针的引入极大简化传统光谱方法的光学系统，提高光谱仪器的测量范围，特别适用于遥测技术，使得在线分析、实时分析、活体分析、现场监测、多点测量等成为可能。

拉曼光谱测量探针为了保证尽可能反射到特定波长的激光，通常在拉曼探针前端放置滤光片。然而使用滤光片很难做到连续波长，只能选择几个特定的波长，这样容易导致拉曼探针的拉曼效应、收集效率、信噪比和灵敏度均不高。

光纤光栅具有体积小、波长选择性好、不受非线性效应影响、极化不敏感、易于与光纤系统连接、便于使用和维护、带宽范围大、附加损耗小、其间微型化、耦合性好、可与其他光纤器件融成一体等特性，而且近年来光纤光栅制作工艺比较成熟，易于形成规模生产，成本低，因此它具有良好的实用性，其优越性是其他许多器件无法替代的。

发明内容

本发明的目的是提供基于一种光纤布拉格光栅且能够探入人体血管进行血管内斑块类型体内诊断的拉曼光谱测量探针。它将CTO导丝介入治疗技术、穿刺活检与拉曼光谱学结合，能够实现在体内血栓性质分析和诊断。

为实现上述发明目的，本发明的技术方案是：一种基于光纤布拉格光栅的拉曼光谱测量探针，包括：

用于发射激发激光的中心光纤束；

套设在所述中心光纤束的外表面的毛细金属管，用于保护所述中心光纤束的毛细金属管；

用于收集散射光的拉曼收集光纤束，所述拉曼收集光纤束上刻有若干布拉格光栅，所述布拉格光栅用于滤除除固定波长的反射波长以外的其它反射波长；所述拉曼收集光纤束围绕中心光纤束环形布置在毛细金属管外表面；

用于保护所述拉曼收集光纤束的金属管保护套；所述金属管保护套套设在所述拉曼收集光纤束的外表面；

与所述中心光纤束与所述拉曼收集光纤束分别连接的光纤光缆，用于延长所述中心光纤束与所述拉曼收集光纤束的信号传递距离；

所述光纤光缆连接至光连接器的一端，所述光连接器另一端分别连接输入光纤束、输出光纤束，所述输入光纤束通过光连接器连接至与所述中心光纤束连接的光纤光缆，所述输出光纤束通过光连接器连接至与所述拉曼收集光纤束连接的光纤光缆；

所述输入光纤束连接至激光器，所述激光器产生激光，并经激光光纤束、光纤光缆、中心光纤束射出，照射待测样品；所述收集光纤束连接至拉曼光谱仪，待测样品经激光激发，散射光被所述拉曼收集光纤束接收，经布拉格光栅过滤后，通过光线光缆、输出光纤束传递至拉曼光谱仪。

进一步，所述布拉格光栅采用紫外光源为波长248nm的准分子激光器写入多模光纤，写好后在80℃温度下退火48h。

进一步，所述毛细金属管、所述金属管保护套均掺有镍钛合金。

作为本发明的一种优选，所述中心光纤束采用直径0.125mm，数值孔径为0.2的多模光纤；所述拉曼收集光纤束采用0.125mm的多模光纤；所述毛细金属管内径为0.17mm，外径为0.3mm；所述金属管保护套内径为0.6mm，外径为0.8mm。

进一步，所述布拉格光栅滤除除785nm的反射波长以外的其它反射波长。

本发明的有益效果是：

本发明的拉曼光谱测量探针具有结构简单、操作方便、灵敏度高和可靠性高的优点。

拉曼光谱测量探针的体积变得更小，克服了常规拉曼探针因直径太大不能深入体内组织，其次提高拉曼效应和收集效率，以及提升信噪比和灵敏度，从而得到更好的拉曼光谱并应用于人体内冠状动脉慢性完全闭塞病变中。而且多模光纤光栅具有多峰结构的特点，能够给人们提供更多的信息，这对于光纤传感很有利。

附图说明

图1为本发明的实施例中结构示意图；

图2为实施例中测量乙醇的拉曼光谱图。

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本发明的实施例，并与说明书一起用于解释本发明的原理。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

由于常规拉曼光谱仪测量探针前端放入滤光片，使其很难做到连续波长，从而致使其拉曼效应不高，不能得到较理想的拉曼光谱。而本专利所提供的具有光纤布拉格光栅的拉曼探针具有结构简单、操作方便、灵敏度高和可靠性高等特点。相比较常规拉曼光谱仪测量探针而言，本专利的优势首先在于使得整个拉曼探针的体积变得更小，克服了常规拉曼探针因直径太大不能深入体内组织，其次提高拉曼效应和收集效率，以及提升信噪比和灵敏度，从而得到更好的拉曼光谱并应用于人体内冠状动脉慢性完全闭塞病变中。而且多模光纤光栅具有多峰结构的特点，能够给人们提供更多的信息，这对于光纤传感很有利。

光纤布拉格光栅(FBG)的原理中说明，光纤包层的折射率n1和纤芯n2。用n3>n2的周期λ_B的调至核心n3的折射率引起波长λ_B的反射。光纤纤布拉格光栅反射取决于结构的周期λ_B和光纤模式的有效折射率。根据布拉格公式：

λ_B＝2·n_eff·Λ_B (1)

式中，λ_B为光栅的布拉格波长；n_eff为光栅的有效折射率；Λ_B为光栅条纹的周期。当沿光纤光栅轴向施加应力时，光纤发生应变，光栅的布拉格波长发生漂移，这就是光纤光栅的应变效应，应变效应可表示为：

λ_B＝2(n_effΔΛ+ΛΔ_λ) (2)

或者

式中，Δλ_B是由于应变效应光栅布拉格波长所产生的漂移；l是光栅的长；为光栅所产生的应变。因此有：

上式右边的第一项为形变效应，第二项为光弹效应，应变效应也可以表示为：

Δλ_B＝λ_B(1-P_e)ε (5)

式中，P_e为有效应变系数，被定义为：

式中，P₁₁和P₁₂为应变光张量的Pockels系数；v为泊松比。P_e通常被视为常数，通过光纤材料的参数可计算P_e的值。对于普通的掺锗石英光纤P₁₁＝0.113，P₁₂＝0.252，v＝0.16，n_eff＝1.482，用以上参数及方程计算得到中心波长在785nm的多模光栅的布拉格波长对应灵敏度λ_B/ε为0.000618nm/(×10^-6)。

如果广谱光PI进入核心，则遵循布拉格定律的部分PB被反射，并且透射光PT是差异PI减去PB。反射光仅表示约0.5mm的小波长间隔，并且剩余光几乎不受影响。该特性对于抑制拉曼探针的收集纤维中的弹性散射光是理想的。

本发明的具体实施例，如图1所示，

一种基于光纤布拉格光栅的拉曼光谱测量探针，包括：

用于发射激发激光的中心光纤束2；

套设在所述中心光纤束2的外表面的毛细金属管(图中未画出)，用于保护所述中心光纤束2的毛细金属管；

用于收集散射光的拉曼收集光纤束1，所述拉曼收集光纤束1上刻有若干布拉格光栅8，所述布拉格光栅8用于滤除除785nm的反射波长以外的其它反射波长，以提高收集效率。对于背景抑制，收集效率和探针的距离依赖性进行了表征。

所述拉曼收集光纤束1围绕中心光纤束2环形布置在毛细金属管外表面；

用于保护所述拉曼收集光纤束1的金属管保护套7，所述金属保护套7掺有镍钛合金；所述金属管保护套7套设在所述拉曼收集光纤束1的外表面。

与所述中心光纤束2与所述拉曼收集光纤束1分别连接的光纤光缆3，用于延长所述中心光纤束2与所述拉曼收集光纤束1的信号传递距离，从而延伸探测距离，使得更方便探测更远距离或者通常很难到达的体内位置。

所述光纤光缆3连接至光连接器4的一端，所述光连接器4另一端分别连接输入光纤束5、输出光纤束6，所述输入光纤束5通过光连接器4连接至与所述中心光纤束2连接的光纤光缆3，所述输出光纤束6通过光连接器4连接至与所述拉曼收集光纤束1连接的光纤光缆3；

所述输入光纤束连接至激光器，所述激光器产生激光，并经激光光纤束、光纤光缆、中心光纤束射出，照射待测样品；所述收集光纤束连接至拉曼光谱仪，待测样品经激光激发，散射光被所述拉曼收集光纤束接收，经布拉格光栅过滤后，通过光线光缆、输出光纤束传递至拉曼光谱仪。

采用相位掩模板复制法制作多模光纤，所述布拉格光栅采用紫外光源为波长248nm的准分子激光器写入多模光纤，写好后在80℃温度下退火48h。

所述毛细金属管、所述金属管保护套均掺有镍钛合金。

所述中心光纤束采用直径0.125mm，数值孔径为0.2的多模光纤；所述拉曼收集光纤束采用0.125mm的多模光纤；所述毛细金属管内径为0.17mm，外径为0.3mm；所述金属管保护套内径为0.6mm，外径为0.8mm。

图2为使用本发明测量乙醇浓度梯度，波数在300至3500强度变化关系光谱图。由图像可知，随着乙醇含量的逐渐提升，峰值的强度和整体波数对应的强度也逐渐增加；当乙醇浓度达到100％时，所得到的拉曼光谱区域平缓，且与实际乙醇的拉曼光谱基本一致，这体现出了多模光纤布拉格光栅具有多峰结构的特点，能够给人们提供更多的信息，且这对于光纤传感很有利。

所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

Claims (5)

1.一种基于光纤布拉格光栅的拉曼光谱测量探针，其特征在于，包括：

用于发射激发激光的中心光纤束；

套设在所述中心光纤束的外表面的毛细金属管，用于保护所述中心光纤束的毛细金属管；

用于收集散射光的拉曼收集光纤束，所述拉曼收集光纤束上刻有若干布拉格光栅，所述布拉格光栅用于滤除除固定波长的反射波长以外的其它反射波长；所述拉曼收集光纤束围绕中心光纤束环形布置在毛细金属管外表面；

用于保护所述拉曼收集光纤束的金属管保护套；所述金属管保护套套设在所述拉曼收集光纤束的外表面；

与所述中心光纤束与所述拉曼收集光纤束分别连接的光纤光缆，用于延长所述中心光纤束与所述拉曼收集光纤束的信号传递距离；

所述光纤光缆连接至光连接器的一端，所述光连接器另一端分别连接输入光纤束、输出光纤束，所述输入光纤束通过光连接器连接至与所述中心光纤束连接的光纤光缆，所述输出光纤束通过光连接器连接至与所述拉曼收集光纤束连接的光纤光缆；

所述输入光纤束连接至激光器，所述激光器产生激光，并经激光光纤束、光纤光缆、中心光纤束射出，照射待测样品；所述收集光纤束连接至拉曼光谱仪，待测样品经激光激发，散射光被所述拉曼收集光纤束接收，经布拉格光栅过滤后，通过光线光缆、输出光纤束传递至拉曼光谱仪。

2.根据权利要求1所述的基于光纤布拉格光栅的拉曼光谱测量探针，其特征在于，所述布拉格光栅采用紫外光源为波长248nm的准分子激光器写入多模光纤，写好后在80℃温度下退火48h。

3.根据权利要求1所述的基于光纤布拉格光栅的拉曼光谱测量探针，其特征在于，所述毛细金属管、所述金属管保护套均掺有镍钛合金。

4.根据权利要求1-3任一所述的基于光纤布拉格光栅的拉曼光谱测量探针，其特征在于，所述中心光纤束采用直径0.125mm，数值孔径为0.2的多模光纤；所述拉曼收集光纤束采用0.125mm的多模光纤；所述毛细金属管内径为0.17mm，外径为0.3mm；所述金属管保护套内径为0.6mm，外径为0.8mm。

5.根据权利要求1-3任一所述的基于光纤布拉格光栅的拉曼光谱测量探针，其特征在于，所述布拉格光栅滤除除785nm的反射波长以外的其它反射波长。