CN110567934A - 一种基于微结构光纤的拉曼测试辅助调节耦合的实时成像系统及测试方法 - Google Patents
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Abstract
一种基于微结构光纤的拉曼测试辅助调节耦合的实时成像系统及测试方法，属于激光拉曼光谱检测、光电子和光纤光学应用领域。由便携式集成激光器拉曼探头、光谱仪、全反镜、分光镜、非球面透镜、显微物镜、变焦透镜组、CCD探测器组成。本发明旨在搭建一种能够在激光耦合过程中同时对光纤前后端面实时成像的系统。提出使用CCD结合透镜组通过精细调节来实时观测耦合位置，提高耦合效率。并以此提高拉曼信号的强度，提高拉曼系统的检测精度。
Description
技术领域
本发明是一种基于微结构光纤的拉曼测试辅助调节耦合的实时成像系统。属于激光拉曼光谱检测、光电子和光纤光学应用领域。
背景技术
随着经济的不断发展，人们的生活水平也在不断提高，同时也面临着很多的威胁。水污染、雾霾、以及各种农产品的农药含量超标等问题也严重影响着人们的身体健康与生活水平。而这些都是由有毒的生化分子造成的。因此研究能够检测这些生化分子的技术显得尤为关键[1]。
表面增强拉曼散射(SERS)是一种能够检测微量分子的有效方法。由于每一种分子都有与其相对应的特征拉曼光谱，因此可以用来进行某种特定分子的检测。近年来，基于SERS的分子检测开展了广泛的研究，但大部分的工作形式是通过显微镜将光聚焦到载有待测分子的基片上，这种结构的缺点是不利于集成，而且系统的稳定性易受到影响，因此限制了仪器的使用领域和应用场合。
光纤传感器是以光纤作为信号传输的载体，因此有很多独特的优势：(1)抗电磁干扰、电绝缘；(2)体积小可用于微量检测；(3)对被测介质的影响较小；(4)灵敏度和分辨率较高等。由于光纤有着众多的优势，将光纤和SERS结合的光纤SERS探针引起了人们广泛的关注与研究。Claire Gu课题组率先提出并实现了一种便携式的光纤SERS传感器系统[2]。但他们所使用的光纤为普通单模光纤，光与样品的相互作用范围仅限于很小的光纤端面，对于拉曼信号的增强并不是很明显。微结构光纤区别于普通单模光纤，其内部有很多空气孔，待测物质可以填充到微结构光纤的空气孔中，使得光与物质相互作用更为直接与充分。因此基于微结构光纤便携式的光纤SERS传感器系统有深入研究的必要性。但是对于微结构光纤而言，其光纤端面的空气孔为微米量级，激光耦合在不同位置对光的传输损耗以及光与物质相互作用的强度都密切相关，进而极大的影响拉曼信号的强度。因此，十分必要开发一套能实时观测激光在光纤端面的输入与输出位置的装置。
参考文献
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[2]Yang X,Tanaka Z,Newhouse R,et al.Portable fiber sensors based onsurface-enhanced Raman scattering.Review of scientific instruments, 2010,81(12):123103.
发明内容
本发明旨在解决如下问题——将空间光精准的耦合进微结构光纤的纤芯中。本发明中提出使用CCD结合透镜组实现光纤前后端面实时成像，指导耦合装置的精细调节，提高激光耦合效率。并以此提高拉曼信号的强度，进而提高拉曼系统的检测精度。
本发明通过搭建一种微结构光纤前后端面成像系统来实现，具体方案如下：
一种基于微结构光纤的拉曼测试辅助调节耦合的实时成像系统，其特征在于，包括：便携式集成激光器拉曼探头(1)、全反镜(2)、分光镜(3)、非球面透镜(4)、微结构光纤(5)、显微物镜(6)、第一变焦透镜组(7)、第一CCD探测器(8)、电脑(9)、拉曼光谱仪 (10)、第二变焦透镜组(11)、第二CCD探测器(12)；便携式集成激光器拉曼探头(1)与全反镜(2)直线光路1连接；
在物理位置上，第二CCD探测器(12)、第二变焦透镜组(11)、分光镜(3)、非球面透镜(4)、微结构光纤(5)、显微物镜(6)、第一变焦透镜组(7)、第一CCD探测器(8)之间依次采用直线光路2 连接；全反镜(2)和分光镜(3)之间采用直线光路3连接；记直线光路1为水平方向，直线光路2与直线光路1平行，直线光路3分别与直线光路2和直线光路1垂直；
第一CCD探测器(8)、第二CCD探测器(12)分别与电脑(9) 电路连接，便携式集成激光器拉曼探头(1)通过电路依次与拉曼光谱仪(10)、电脑(9)连接；待测样品填充到微结构光纤(5)空气孔中。
所述便携式集成激光器拉曼探头(1)集成了激光光源、激光反射镜、激光高反拉曼光高透的长通滤光片。
所述全反镜(2)为45°反射镜，其反射波段需要与入射的激光波段及被激发的拉曼光波段相匹配。
分光镜(3)为45°分光镜，其反射波段需要与入射的激光波段及被激发的拉曼光波段相匹配。
所述非球面透镜(4)作用为将光斑较大的激光光束聚焦耦合进微结构光纤中，并避免球差的影响。
所述微结构光纤(5)可以是带隙型光子晶体光纤，也可以是折射率引导型光子晶体光纤。
所述微结构光纤(5)中填充的待测样品可以是液体也可以是气体。
所述第一CCD探测器(8)和第二CCD探测器(12)分别对光纤的后端和前端成像，实时监测激光耦合进光纤的位置和激光经过光纤之后的输出位置及影像。
所述第二变焦透镜组(11)与第一变焦透镜组(7)作用为通过调节透镜的相对位置对光纤实现不同倍率的放大。
采用本发明实时成像系统进行待测物质测试的方法，其特征在于：
便携式集成激光器拉曼探头(1)输出的激光经过全反镜(2)传输到分光镜(3)上，经过分光镜(3)后，部分激光被反射到非球面透镜(4)上，部分激光透射后损耗掉；经分光镜(3)反射的激光，经过非球面透镜(4)聚焦耦合到微结构光纤(5)中，经过光纤传输后从其另一端输出；光纤输出的激光经显微物镜(6)准直并经过第一变焦透镜组(7)变焦，将光纤的出射端成像在第一CCD(8)上，并最终显示在电脑(9)上；光纤端面对入射的激光有反射作用，光纤入射端面反射的激光经非球面透镜(4)准直后，部分激光被分光镜(3)透射，经过第二变焦透镜组(11)将光纤入射端成像在第二 CCD(12)上，之后显示在电脑(9)上；通过调节第一变焦透镜组、第二变焦透镜组透镜之间的距离实现对光纤前后端面不同倍率的放大成像，实时观测；微结构光纤(5)的空气孔中填充有待测样品，激光在其中传输时与待测样品相互作用发生拉曼散射，部分拉曼散射光满足光纤的传导条件经微结构光纤(5)的前端面出射，经非球面透镜(5)准直后，分别再经分光镜(3)和全反镜(2)反射，返回到便携式集成激光器拉曼探头(1)中，经拉曼光谱仪测量光谱后显示在电脑(9)上。
本发明采用以上的成像系统，通过对微结构光纤前后端面成像来实现实时观测光纤耦合同时又可以实时监测光纤端面的光斑输出。基于这个优点，1.可以有效的简化光纤耦合过程，提高耦合效率，将其应用在如图1所示的拉曼系统中，可以提高拉曼检测精度。2.还可以利用光刻胶等感光材料对微结构光纤实现微加工，实现选择性封堵，并进一步实现微结构光纤的选择性填充。
附图说明
图1基于微结构光纤测拉曼辅助调节耦合的实时成像系统。
1.便携式集成激光器拉曼探头、2.全反镜、3.分光镜、4.非球面透镜、5.微结构光纤、6.显微物镜、7.第一变焦透镜组、8.第一 CCD探测器、9.电脑、10.拉曼光谱仪、11.第二变焦透镜组、12. 第二CCD探测器。
图2实施例中光子晶体光纤的入射端面图。
图3实施例中激光没耦合到纤芯的光纤出射端面图。
图4实施例中激光耦合到纤芯的光纤出射端面图。
图5实施例中将10-4mol/L的罗丹明溶液填充入光子晶体光纤，所测得的拉曼光谱图。
具体实施方式
下面结合附图和实例对本发明加以详细说明，但本发明并不仅限于以下实施例。
实施例1：
利用如图1所示的拉曼测试辅助调节耦合的实时成像系统对微结构光纤进行前后端面成像，进而提高拉曼检测精度。
所用微结构光纤端面结构如图2所示，光纤直径为125μm，外包层厚度约为37μm，周围空气孔直径为5μm，纤芯直径为4μm。由于其纤芯折射率高于周围空气孔折射率，因此能够实现全内反射导光机制。截取长度约为10cm的光纤，将制备好的光纤一端浸入浓度为 10- 4mol/L罗丹明的酒精溶液中，由于毛细作用，罗丹明的酒精溶液会被吸入光纤空气孔中，之后将空间光耦合进光纤中，探测其拉曼信号。
图1是基于微结构光纤拉曼测试辅助调节耦合的实时成像系统的原理图，拉曼探头1是如海光电公司生产的型号为RPB-785-1.5-FS，波长为785nm的便携式集成激光拉曼探头(其内部集成了相应的滤光片)，其输出的激光为平行光束，经过全反镜2，被传输到7:3分光镜3上，70％的激光被反射到非球面透镜4上，30％的激光经透射损耗掉。经分光镜3反射的激光经过焦距为8mm的非球面透镜4聚焦耦合到微结构光纤5中，在光纤里与罗丹明分子相互作用，激发其拉曼信号，然后拉曼光沿激发光的方向返回到拉曼探头，由Ocean Optics公司生产的QEPro785nm拉曼光谱仪10接收并进行测量。在探测拉曼信号过程中，通过实时检测激光耦合到光纤端面的位置以及光纤输出端面的激光输出位置，探究激光耦合在光子晶体光纤的不同位置与拉曼信号的强弱。图2为第二CCD探测器12对光纤入射端面的成像图，图3，4分别为激光没耦合在纤芯和激光耦合在纤芯时第一CCD8 对光纤出射端面的成像图。图5为激光耦合在纤芯时测得的浓度为 10-4mol/L的罗丹明的酒精溶液的拉曼信号，此时，如果激光没有耦合在纤芯，无法测到拉曼信号。因此光纤成像系统可以提高拉曼信号的测量精度。
在本实施例中，由于使用的激光器发射激光的中心波长为 785nm，因此全反镜2必须满足在785nm及大于785nm波段全反射。
在对光纤端面前后端成像时，需要注意调节聚焦透镜组和透镜的相对位置，从而达到清晰成像的效果。最终实现简便辅助调节耦合，提高拉曼检测精度。
Claims (10)
1.一种基于微结构光纤的拉曼测试辅助调节耦合的实时成像系统，其特征在于，包括：便携式集成激光器拉曼探头(1)、全反镜(2)、分光镜(3)、非球面透镜(4)、微结构光纤(5)、显微物镜(6)、第一变焦透镜组(7)、第一CCD探测器(8)、电脑(9)、拉曼光谱仪(10)、第二变焦透镜组(11)、第二CCD探测器(12)；便携式集成激光器拉曼探头(1)与全反镜(2)直线光路1连接；
在物理位置上，第二CCD探测器(12)、第二变焦透镜组(11)、分光镜(3)、非球面透镜(4)、微结构光纤(5)、显微物镜(6)、第一变焦透镜组(7)、第一CCD探测器(8)之间依次采用直线光路2连接；全反镜(2)和分光镜(3)之间采用直线光路3连接；记直线光路1为水平方向，直线光路2与直线光路1平行，直线光路3分别与直线光路2和直线光路1垂直；
第一CCD探测器(8)、第二CCD探测器(12)分别与电脑(9)电路连接，便携式集成激光器拉曼探头(1)通过电路依次与拉曼光谱仪(10)、电脑(9)连接；待测样品填充到微结构光纤(5)空气孔中。
2.按照权利要求1所述的一种基于微结构光纤的拉曼测试辅助调节耦合的实时成像系统，其特征在于，所述便携式集成激光器拉曼探头(1)集成了激光光源、激光反射镜、激光高反拉曼光高透的长通滤光片。
3.按照权利要求1所述的一种基于微结构光纤的拉曼测试辅助调节耦合的实时成像系统，其特征在于，所述全反镜(2)为45°反射镜，其反射波段需要与入射的激光波段及被激发的拉曼光波段相匹配。
4.按照权利要求1所述的一种基于微结构光纤的拉曼测试辅助调节耦合的实时成像系统，其特征在于，分光镜(3)为45°分光镜，其反射波段需要与入射的激光波段及被激发的拉曼光波段相匹配。
5.按照权利要求1所述的一种基于微结构光纤的拉曼测试辅助调节耦合的实时成像系统，其特征在于，所述非球面透镜(4)作用为将光斑较大的激光光束聚焦耦合进微结构光纤中，并避免球差的影响。
6.按照权利要求1所述的一种基于微结构光纤的拉曼测试辅助调节耦合的实时成像系统，其特征在于，所述微结构光纤(5)是带隙型光子晶体光纤，或是折射率引导型光子晶体光纤。
7.按照权利要求1所述的一种基于微结构光纤的拉曼测试辅助调节耦合的实时成像系统，其特征在于，所述微结构光纤(5)中填充的待测样品是液体或是气体。
8.按照权利要求1所述的一种基于微结构光纤的拉曼测试辅助调节耦合的实时成像系统，其特征在于，所述第一CCD探测器(8)和第二CCD探测器(12)分别对光纤的后端和前端成像，实时监测激光耦合进光纤的位置和激光经过光纤之后的输出位置及影像。
9.按照权利要求1所述的一种基于微结构光纤的拉曼测试辅助调节耦合的实时成像系统，其特征在于，所述第二变焦透镜组(11)与第一变焦透镜组(7)作用为通过调节透镜的相对位置对光纤实现不同倍率的放大。
10.采用权利要求1-9任一项所述的实时成像系统进行待测物质测试的方法，其特征在于：
便携式集成激光器拉曼探头(1)输出的激光经过全反镜(2)传输到分光镜(3)上，经过分光镜(3)后，部分激光被反射到非球面透镜(4)上，部分激光透射后损耗掉；经分光镜(3)反射的激光，经过非球面透镜(4)聚焦耦合到微结构光纤(5)中，经过光纤传输后从其另一端输出；光纤输出的激光经显微物镜(6)准直并经过第一变焦透镜组(7)变焦，将光纤的出射端成像在第一CCD(8)上，并最终显示在电脑(9)上；光纤端面对入射的激光有反射作用，光纤入射端面反射的激光经非球面透镜(4)准直后，部分激光被分光镜(3)透射，经过第二变焦透镜组(11)将光纤入射端成像在第二CCD(12)上，之后显示在电脑(9)上；通过调节第一变焦透镜组、第二变焦透镜组透镜之间的距离实现对光纤前后端面不同倍率的放大成像，实时观测；微结构光纤(5)的空气孔中填充有待测样品，激光在其中传输时与待测样品相互作用发生拉曼散射，部分拉曼散射光满足光纤的传导条件经微结构光纤(5)的前端面出射，经非球面透镜(5)准直后，分别再经分光镜(3)和全反镜(2)反射，返回到便携式集成激光器拉曼探头(1)中，经拉曼光谱仪测量光谱后显示在电脑(9)上。
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2019
- 2019-08-16 CN CN201910760052.1A patent/CN110567934A/zh not_active Withdrawn
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