CN115436337B - 基于复用反谐振空芯光纤传输探测模块 - Google Patents
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Abstract
一种基于复用反谐振空芯光纤的传输探测模块，包含光纤耦合腔、反谐振空芯光纤和光纤探测腔，本发明采用单根柔性反谐振空芯光纤传输激发光并且复用反谐振空芯光纤传输拉曼信号光，不仅极大简化了光学设计结构，增强了共焦显微拉曼光谱仪的原位探测功能，且得益于空芯导光机制，可大幅提升拉曼信号的信噪比，进一步拓宽了共焦显微拉曼光谱仪的应用范围和利用效率。
Description
技术领域
本发明涉及光纤技术和光学设计领域，特别是一种基于复用反谐振空芯光纤的传输探测模块。
背景技术
激光共焦拉曼光谱测试技术适合于材料微结构的研究，目前已经广泛应用于物理、化学、生物医学、材料科学、环境科学、石油化工、地质药物、食品、刑侦和珠宝等领域，可进行未知物的无损伤鉴定，条件升级后可进一步实现样品扫描和高、低温分析。共焦激光显微拉曼光谱仪的测量功能强大，灵敏度高，在材料组成和结构分析中发挥重要、不可替代的作用。受限于拉曼光谱的激发和收集方式，原有的共聚焦显微拉曼光谱仪在一些应用场景中存在不足。一是缺少样品原位检测能力。原位检测即在不破坏样品条件下，对样品表面的任意位置实现拉曼光谱的实时测量。二是显微拉曼空间分辨率低于显微成像分辨率极限。显微拉曼空间分辨率由显微成像分辨率和激发激光的空间聚焦效果共同决定。共焦激光显微拉曼光谱仪的拉曼光谱信号的空间分辨率一般显著低于显微成像的分辨率。
反谐振空芯光纤是近几年出现的具有微结构的新型特种光纤。与传统折射率型光纤相比，具有低损宽带传输、低色散、低非线性、高激光损伤阈值和抗辐射、抗光子暗化等实芯光纤无法比拟的优势，也是发展下一代光通信技术、大功率激光传能、新体制光纤激光器和光纤传感技术的核心，是当前光纤光学研究的前沿。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：解决现有共焦显微拉曼光谱仪在大样品、负责测量条件无法实现原位测量的问题，提供一种基于复用反谐振空芯光纤的传输探测模块，该探测模块基于柔性光纤探头的原位拉曼检测技术的功能拓展，将在掺稀土光纤预制棒，激光块体材料的研究开发中发挥重要作用，有助于在不破坏样品情况下，快速分析材料缺陷和结构，有利材料制备和工艺优化。
本发明的具体技术解决方案如下：
一种基于复用反谐振空芯光纤的传输探测模块，其特点在于，包括光纤耦合腔、反谐振空芯光纤和光纤探测腔，
所述的光纤耦合腔依次的第一透镜、光阑、第二透镜、第三透镜和第一法兰盘的中心对准并置于耦合腔体内，所述的光纤耦合腔靠所述的第一透镜的一端为标准C-Mount接口，以便与共聚焦显微镜的基座安装兼容相连，另一端的第一法兰盘为光纤连接端；
所述光纤探测腔包含第二法兰盘、第四透镜和玻璃窗口片，所述的光纤探测腔的一端为通光窗口贴设所述的玻璃窗口片，另一端为光纤连接端设置所述的第二法兰盘；
所述的反谐振空芯光纤由内向外依次是有空气或真空填充的纤芯、微结构包层，所述的反谐振空芯光纤的两端都通过光纤跳线分别与所述的光纤耦合腔的第一法兰盘、光纤探测腔的第二法兰盘的光纤连接端相连。
所述的光纤耦合腔内的第一透镜、光阑、第二透镜构成4f空间滤波系统，用以提高激发光光束质量，并将光束重新准直为平行光。
所述光纤耦合腔内的第三透镜将激发光束耦合至所述的反谐振空芯光纤的纤芯。
所述的光纤探测腔还可增加第五透镜，该第五透镜与所述的第四透镜构成变焦系统，提高对样品探测的空间分辨率。
所述的光纤耦合腔的耦合腔体和光纤探测腔的探测腔体包括但不限于直筒型、L型，非直筒型情况下可增加反射镜调节光束路径。
所述的光纤耦合腔和光纤探测腔内的透镜镜片、窗口片所用材质或膜层对于激发光和拉曼信号光波长高透，所用反射镜片材质或膜层对于激发光和拉曼信号光波长高反。
所述的反谐振空芯光纤的基质材料为玻璃。
所述的反谐振空芯光纤还包含套管包层和涂覆层，所述的涂覆层材料的折射率低于光纤基质材料折射率，用以提高拉曼信号的收集效率。
所述反谐振空芯光纤的微结构包层包含环绕纤芯、分布均匀的多个反谐振构件，该反谐振构件含有相对纤芯中心呈凸起、内凹或平面形态的薄壁，所述的反谐振构件的壁厚根据激发光波长、所述反谐振构件的材料折射率和所选择的谐振阶数而定，使得激发光波长位于反谐振空芯光纤(1)的低损传输带内。
一种基于复用反谐振空芯光纤的传输探测模块，由依次相连的光纤耦合腔、反谐振空芯光纤、光纤探测腔组成。依次将光纤耦合腔、反谐振空芯光纤、光纤探测腔进行连接；然后将光纤耦合腔带有标准C-mount接口的一端与共聚焦显微镜物镜基座进行连接。至此，传输探测模块安装完毕；
进行拉曼光谱检测时，通过共聚焦显微镜出射的激发光经自由空间传输至光纤耦合腔，并依次经过光纤耦合腔内的第一透镜、光阑、第二透镜、第三透镜。其中第一透镜、光阑、第二透镜构成4f滤波系统，提高了激发光的光束质量，提高了耦合效率。再经过第三透镜将激发光聚焦并耦合到反谐振空芯光纤的纤芯中，其中第三透镜聚焦的光斑大小要不大于反谐振空芯光纤的模场大小；
激发光经反谐振空芯光纤传输至光纤探测腔；激发光由反谐振空芯光纤出射到达光纤探测腔后，依次经过第四准直透镜、窗口片照射在样品上，样品被激发后产生的拉曼信号通过光纤探测腔被收集，产生的拉曼信号经过第四透镜被耦合进反谐振空芯光纤，由于反谐振空芯光纤采用低折射率胶涂敷，可以高效的收集拉曼信号，并且使得拉曼信号在反谐振空芯光纤的套管包层中传输；激发的拉曼信号光经过反谐振空芯光纤传输到达光纤耦合腔后，依次经过第三透镜、第二透镜、光阑、第一透镜返回到共聚焦显微镜进行光谱分析；
为了提高对样品的探测分辨率，可以在光纤探测腔内继续添加第五透镜，使得被第四透镜准直过后的激发光被聚焦到样品上，如图3所示。
与现有的技术相比，本发明具有以下显著的优点：
1、本发明解决了现有共焦显微拉曼光谱仪在大样品、负责测量条件无法实现原位测量的问题，进一步提高现有仪器的应用范围和利用效率。有助于在不破坏样品情况下，快速分析材料的缺陷和结构，有利材料制备和工艺优化。
2、基于空芯光纤的柔性探头，可实现零拉曼背景噪声信号的优异性能，同时将极大简化探头的光学设计复杂程度和探头体积。
3、本发明采用的反谐振空芯光纤可传输激发光和拉曼信号光，结构更为简单。
4、本发明的光纤耦合腔与共聚焦显微镜之间的连接简单容易，操作更为简单。
5、本发明涉及的耦合腔、反谐振空芯光纤、探测腔都具有可拆卸性，方便更换。
附图说明
图1是本发明探测传输模块的整体示意图；
图2是低折射率包层反谐振空芯光纤示意图；
图3是直筒型基于复用反谐振空芯光纤传输探测模块；
图4是直筒型基于复用反谐振空芯光纤传输探测模块，带变焦探测腔；
图5是L型基于复用反谐振空芯光纤传输探测模块；
具体实施方式
下面对本发明的实施例做详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围包括但不限于下述的实施例。
2、先请参阅图1、2、3，由图可见，本发明基于复用反谐振空芯光纤的传输探测模块，包括光纤耦合腔2、反谐振空芯光纤1和光纤探测腔3，
所述的光纤耦合腔2依次的第一透镜2-2、光阑2-3、第二透镜2-4、第三透镜2-5和第一法兰盘2-6的中心对准并置于耦合腔体2内，所述的光纤耦合腔2靠所述的第一透镜2-2的一端为标准C-Mount接口2-1，以便与共聚焦显微镜的基座安装兼容相连，另一端的第一法兰盘2-6为光纤连接端；
所述光纤探测腔3包含第二法兰盘3-1、第四透镜3-2和玻璃窗口片3-4，所述的光纤探测腔3的一端为通光窗口贴设所述的玻璃窗口片3-4，另一端为光纤连接端设置所述的第二法兰盘3-1；
所述的反谐振空芯光纤1由内向外依次是有空气或真空填充的纤芯1-1、微结构包层1-2，所述的反谐振空芯光纤1的两端都通过光纤跳线4分别与所述的光纤耦合腔2的第一法兰盘2-6、光纤探测腔3的第二法兰盘(3-1)光纤连接端相连。
所述的光纤耦合腔2内的第一透镜2-2、光阑2-3、第二透镜2-4构成4f空间滤波系统，用以提高激发光光束质量，并将光束重新准直为平行光。
所述光纤耦合腔2内的第三透镜2-5将激发光束耦合至所述的反谐振空芯光纤1的纤芯1-1。
所述的光纤探测腔3还可增加第五透镜3-3，该第五透镜3-3与所述的第四透镜3-2构成变焦系统，提高对样品探测的空间分辨率。
所述的光纤耦合腔2的耦合腔体和光纤探测腔3的探测腔体包括但不限于直筒型、L型，非直筒型情况下可增加反射镜调节光束路径。
所述的光纤耦合腔2和光纤探测腔3内的透镜镜片、窗口片所用材质或膜层对于激发光和拉曼信号光波长高透，所用反射镜片材质或膜层对于激发光和拉曼信号光波长高反。
所述的反谐振空芯光纤1的基质材料为玻璃。
所述的反谐振空芯光纤1还包含套管包层1-3和涂覆层1-4，所述的涂覆层1-4材料的折射率低于光纤基质材料折射率，用以提高拉曼信号的收集效率。
所述的反谐振空芯光纤1的微结构包层1-2包含环绕纤芯、分布均匀的多个反谐振构件，该反谐振构件含有相对纤芯中心呈凸起、内凹或平面形态的薄壁，所述的反谐振构件的壁厚根据激发光波长、所述反谐振构件的材料折射率和所选择的谐振阶数而定，使得激发光波长位于反谐振空芯光纤1的低损传输带内。
实施例1：
将直筒型光纤耦合腔2、反谐振空芯光纤1、光纤探测腔3依次连接在一起。请见图3所示；
将光纤耦合腔2带有标准C-mount接口2-1的一端与激光共聚焦显微镜的物镜基座连接；
共聚焦显微镜发出激发光，经过由所述的第一透镜2-2、光阑2-3、第二透镜2-4构成4f空间滤波系统后，光束质量得到提高，再经过第三透镜2-5耦合进反谐振空芯光纤1的纤芯1-1中；
激发光经过反谐振空芯光纤1传输后，再经过第四透镜3-2准直为平行光照射在样品14上；
样品14激发的拉曼信号光又被第四透镜3-2收集，通过反谐振空芯光纤1的包层1-2传输后，返回到共聚焦显微镜中，进行光谱分析。
实施例2：
为了提高对探测样品14的空间分辨率，在光纤探测腔3内再增加一个第五透镜3-3，请见图4，将准直过后的平行光聚焦，聚焦的光斑打在样品14上。由于光斑在空间尺度上比较小，因此，可以得到光斑照射位置的样品信息，提高了对样品的空间分辨率。
实施例3：
考虑到共聚焦显微镜载物台的空间尺寸，可以将直筒型的光纤耦合腔改为L型光纤耦合腔。如图5所示。此时，需要增加一个反射镜16，反射镜16的作用在于把激发光反射传输到4f系统及之后的光路中，以及将样品14的拉曼信号返回传输到共聚焦显微镜中进行光谱分析。(图3、图5的所述的反谐振空芯光纤1的反谐振构件的薄壁的结构是不相同的，含有相对纤芯中心呈凸起、内凹或平面形态的薄壁。
在本发明提及的所有文献都在本申请中引用作为参考，就如同每一篇文献被单独引用作为参考那样。此外应理解，在阅读了本发明的上述讲授内容之后，本领域的技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
Claims (9)
1.一种基于复用反谐振空芯光纤的传输探测模块，其特征在于，包括光纤耦合腔(2)、反谐振空芯光纤(1)和光纤探测腔(3)；
所述的光纤耦合腔(2)内依次设置的第一透镜(2-2)、光阑(2-3)、第二透镜(2-4)、第三透镜(2-5)和第一法兰盘(2-6)的中心对准并置于光纤耦合腔(2)内，所述的光纤耦合腔(2)靠所述的第一透镜(2-2)的一端为标准C-Mount接口（2-1），以便与共聚焦显微镜的基座安装兼容相连，另一端的第一法兰盘(2-6)为光纤连接端；
所述光纤探测腔(3)包含第二法兰盘(3-1)、第四透镜(3-2)和玻璃窗口片(3-4)，所述的光纤探测腔(3)的一端为通光窗口贴设所述的玻璃窗口片(3-4)，另一端为光纤连接端设置所述的第二法兰盘(3-1)；
所述的反谐振空芯光纤(1)由内向外依次是有空气或真空填充的纤芯(1-1)、微结构包层（1-2），所述的反谐振空芯光纤(1)的两端都通过光纤跳线（4）分别与所述的光纤耦合腔(2)的第一法兰盘(2-6)、光纤探测腔(3)的第二法兰盘(3-1)光纤连接端相连。
2.如权利要求1所述的基于复用反谐振空芯光纤的传输探测模块，其特征在于所述的光纤耦合腔(2)内的第一透镜(2-2)、光阑(2-3)、第二透镜(2-4)构成4f空间滤波系统，用以提高激发光光束质量，并将光束重新准直为平行光。
3.如权利要求1所述的基于复用反谐振空芯光纤的传输探测模块，其特征在于所述光纤耦合腔(2)内的第三透镜(2-5)将激发光束耦合至所述的反谐振空芯光纤(1)的纤芯(1-1)。
4.如权利要求1所述的基于复用反谐振空芯光纤的传输探测模块，其特征在于所述的光纤探测腔(3)还可增加第五透镜(3-3)，该第五透镜(3-3)与所述的第四透镜(3-2)构成变焦系统。
5.如权利要求2所述的基于复用反谐振空芯光纤的传输探测模块，其特征在于所述的光纤耦合腔(2)的耦合腔体和光纤探测腔(3)的探测腔体包括直筒型、L型。
6.如权利要求1所述的基于复用反谐振空芯光纤的传输探测模块，其特征在于所述的光纤耦合腔(2)和光纤探测腔(3)内的透镜镜片、窗口片所用材质或膜层对于激发光和拉曼信号光波长高透，所用反射镜片材质或膜层对于激发光和拉曼信号光波长高反。
7.如权利要求1所述的基于复用反谐振空芯光纤的传输探测模块，其特征在于所述反谐振空芯光纤(1)的基质材料为玻璃。
8.如权利要求1所述的基于复用反谐振空芯光纤的传输探测模块，其特征在于所述的反谐振空芯光纤(1)还包含套管包层(1-3)和涂覆层(1-4)，所述的涂覆层(1-4)材料的折射率低于光纤基质材料折射率。
9.如权利要求1所述的基于复用反谐振空芯光纤的传输探测模块，其特征在于所述反谐振空芯光纤(1)的微结构包层(1-2)包含环绕纤芯、分布均匀的多个反谐振构件，该反谐振构件含有相对纤芯中心呈凸起、内凹或平面形态的薄壁，所述的反谐振构件的壁厚根据激发光波长、所述反谐振构件的材料折射率和所选择的谐振阶数而定，使得激发光波长位于反谐振空芯光纤(1)的低损传输带内。
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| CN (1) | CN115436337B (zh) |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN107884382A (zh) * | 2017-10-13 | 2018-04-06 | 北京工业大学 | 一种基于空芯反谐振光纤的气体检测系统 |
| WO2019071921A1 (zh) * | 2017-10-13 | 2019-04-18 | 北京工业大学 | 一种多谐振层的空芯反谐振光纤 |
| CN113534332A (zh) * | 2021-08-03 | 2021-10-22 | 武汉理工大学 | 一种空芯反谐振光纤气体拉曼光谱的空间滤波系统 |
| CN114325926A (zh) * | 2021-12-01 | 2022-04-12 | 燕山大学 | 一种具有异质结构双包层的空芯反谐振光纤 |
| CN114486849A (zh) * | 2022-01-24 | 2022-05-13 | 天津大学 | 集成平面超构透镜的cars激发探针激发方法和装置 |
-
2022
- 2022-08-29 CN CN202211041655.4A patent/CN115436337B/zh active Active
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN107884382A (zh) * | 2017-10-13 | 2018-04-06 | 北京工业大学 | 一种基于空芯反谐振光纤的气体检测系统 |
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| CN115436337A (zh) | 2022-12-06 |
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