CN201233367Y - 一种利用空芯光子晶体光纤的光谱测量装置 - Google Patents

Abstract

一种利用空芯光子晶体光纤的光谱测量装置，解决现有荧光光谱仪测量装置荧光能量收集困难，灵敏度低、测量数据不准确、应用范围小等技术问题，采用的技术方案是，测量装置中的空芯光子晶体光纤结构为，中间为空芯层，同轴线径向设有内空气孔阵列层、在内空气孔阵列层外设有内圆环包层，在内圆环包层外设有外空气孔阵列层，外空气孔阵列层设有外圆环包层，外圆环包层外设有涂敷层，内空气孔阵列层、内圆环包层、内圆环包层的壁厚是内空气孔阵列层和外空气孔阵列层中空气孔壁厚的100倍以上。当激发光为脉冲时，有利于脉冲形状的保持，同时激光在空气纤芯内传输可以大大降低强激光的石英散射所形成的背景噪声，从而提高测量灵敏度和准确度，该装置结构简单，应用范围广。

Description

一种利用空芯光子晶体光纤的光谱测量装置

技术领域

本实用新型涉及一种光谱测量装置，具体地涉及一种利用双包层空芯光子晶体光纤进行泵浦样品和收集光谱从而进行物质测量的光谱测量装置。

背景技术

荧光测量在许多生物学(叶绿素和类胡萝卜素)、生物医学(荧光病变诊断)和环境科学应用中是非常必要的一种手段。因为荧光能量比激发光能量要小，对于大多数荧光应用来说，产生的荧光能量只占激发光能量的3％左右，而且一般都是散射光，所以荧光测量通常需要高灵敏度的光谱仪，同时对荧光的收集和传导也直接影响光谱仪数据测量的准确度。目前的荧光光谱仪测量装置普遍要求高灵敏度高精准的光谱仪，通过多根实芯光纤组成的光纤束来对荧光进行收集和传导，该类荧光光谱仪测量装置通过对被测物质进行激光激发后产生荧光能量，但收集到的荧光能量很少，荧光在传导过程中易产生色散损耗，导致灵敏度低、测量数据不准确。实芯光纤束在传输过程中易产生大量背景噪声，影响测量灵敏度，当激发光为脉冲波时，波形不易保持，呈现出高非线性，同样影响测量灵敏度。

发明内容

本实用新型的目的是克服现有荧光光谱仪测量装置荧光能量收集困难，易产生色散损耗和背景噪声，灵敏度低、测量数据不准确等缺点，提供一种利用双包层空芯光子晶体光纤进行泵浦样品和收集光谱从而进行物质测量的光谱测量装置。

本实用新型通过以下技术方案来实现发明目的：

一种利用空芯光子晶体光纤的光谱测量装置，包括激光发射源、光隔离器、二色镜、耦合物镜、测量光纤和光谱仪，在激光发射源发射的激光光路上依次设置光隔离器和二色镜，使激光通过光隔离器后以45度入射角入射到二色镜上，在激光经二色镜的反射光路上依次设置耦合物镜、测量光纤，测量光纤一端与耦合物镜相连，另一端连接样品，光谱仪设置在沿激光经二色镜的反射光路的反向延长线上，位于二色镜的后方，所述测量光纤空芯光子晶体光纤，该光纤中间为空芯层，同轴线径向设置有内空气孔阵列层、在内空气孔阵列层外设置有内圆环包层(3)，在内圆环包层(3)外设置有外空气孔阵列层(4)，外空气孔阵列层(4)设置有外圆环包层(5)，外圆环包层(5)外设置有涂敷层(6)，所述内空气孔阵列层(2)、内圆环包层(3)、外空气孔阵列层(4)和外圆环包层(5)都采用同一种材料，所述内圆环包层(3)的壁厚是内空气孔阵列层(2)和外空气孔阵列层(4)中空气孔壁厚的100倍以上。

所述的双包层结构的空芯光子晶体光纤，中间为纤芯，它传导由内空气孔阵列层所限定的处于光子带隙内的光，内圆环的壁厚远大于内空气孔阵列层和外空气孔阵列层中空气孔壁的厚度，至少为100倍以上，内空气孔阵列层和外空气孔阵列层的折射率均小于内圆环的折射率，以形成波导条件，从而确保激发样品后的散射光或荧光能够在内圆环内传输。外空气孔阵列层的空气孔为大空气孔阵列，孔径大于内空气孔阵列层中空气孔孔径，内空气孔阵列层、内圆环包层、外空气孔阵列层和外圆环包层都采用同一种材料，涂覆层的折射率高于该种材料的折射率，起到剥离外圆环包层内传输光并且增加光纤柔韧性的作用。

所述的一种利用空芯光子晶体光纤的光谱测量装置，激光光源发出准直的激光经光隔离器入射到二色镜，光隔离器能防止反射回的光反馈进入激光光源而影响激光的运转，激光经光隔离器以45度入射角入射到二色镜，当激光45度入射二色镜时，具有很高的反射率，激光以45度出射角射出并进入耦合物镜，耦合物镜将光耦合入光子晶体光纤的空气纤芯内，遇到纤芯内样品后与样品作用，激发出荧光或拉曼散射光，这些光谱被光纤的内圆环收集，而经光子晶体光纤反向传导到耦合物镜，再经二色镜高度透射进入光谱仪，进行光谱分析，所述二色镜对于激发样品产生的荧光或拉曼散射光能保持高度透过而同时对激光能保持高度反射。该装置对不同样品的检测可采用不同的方法，对于气体或折射率小于制作该种光纤所用的材料折射率的液体，可将样品吸进光纤的一段气孔内，因样品折射率低于光纤的折射率，不影响内圆环包层作为接收被测量物质的散射光或荧光的波导性质。如待测液体折射率高于光纤材料折射率，可控制光纤不插入样品中，而是使光纤端头与样品近距离靠近，用激光在近距离激发样品产生荧光或散射光，散射光谱或荧光光谱被光纤的内圆环接收，进入外圆环的部分则被涂覆层6剥离掉以实现测量。如待测液体折射率高于光纤材料折射率，还可通过光子晶体光纤气孔选择性封装的技术，选用折射率小于光纤材料的固化胶封装外空气孔阵列层，从而使内圆环仍然保持波导性质，然后将液体吸入光纤纤芯内进行检测。

该光谱测量装置具体测量时，空芯光子晶体光纤连接样品的一端可以直接插入样品中进行测量，也可以在插入样品后，使样品在毛细管效应的作用下进入空芯光子晶体光纤空芯内一段，再从样品中取出，在靠近空芯光子晶体光纤装有样品的一端设置一凹面镜，凹面镜凹面正对空芯光子晶体光纤端面，以收集样品受激发后产生的荧光或拉曼散射光并集中反射到空芯光子晶体光纤中，由空芯光子晶体光纤传导直至光谱仪进行光谱测量。也可以把凹面镜换为平面镜，平面镜要求紧靠空芯光子晶体光纤端面。

本实用新型的有益效果是：利用空芯光子晶体光纤的空气纤芯传导激光，具有低非线性、低色散特点，当激发光为脉冲时，有利于脉冲形状的保持，同时激光在空气纤芯内传输可以大大降低强激光(或高峰值功率的泵浦脉冲)的石英散射所形成的背景噪声，从而提高测量灵敏度和准确度，利用空芯光子晶体光纤的光谱测量装置简单实用，通过一根光纤可以实现激发测量样品、收集受激样品散射光或荧光、传导激光和受激样品散射光或荧光的功能。当测量样品进入光纤后，由于激光大部分能量在空气纤芯内传输，将大大提高光和样品的交叠面，从而增大作用效果，提高测量的灵敏度和准确度。

附图说明

图1，空芯光子晶体光纤结构图。

图2，实施例1的测量装置图。

图3，实施例2的测量装置图

图4，实施例3的测量装置图

图中：1空芯、2内空气孔阵列层、3内圆环包层、4外空气孔阵列层、5外圆环包层、6涂覆层；A激光光源、B光隔离器、C二色镜、D耦合物镜、E空芯光子晶体光纤、F1凹面镜、F2平面镜、G光谱仪。

具体实施方式

实施例1：

一种利用空芯光子晶体光纤的光谱测量装置，该装置包括激光发射源A、光隔离器B、二色镜C、耦合物镜D、空芯光子晶体光纤E和光谱仪G，在激光发射源A发射的激光光路上依次设置光隔离器B和二色镜C，使激光通过光隔离器B后以45度入射角入射到二色镜C上，在激光经二色镜C的反射光路上依次设置耦合物镜D、空芯光子晶体光纤E，空芯光子晶体光纤E一端与耦合物镜D相连，另一端插入样品池中，光谱仪G设置在沿激光经二色镜C的反射光路的反向延长线上，位于二色镜C的后方。所述空芯光子晶体光纤E，中间为空芯层1，同轴线径向设置有内空气孔阵列层2、外圆环包层5和涂覆层6，在内空气孔阵列层2外设置有内圆环包层3，在内圆环包层3和外圆环包层5之间设置有外空气孔阵列层4，所述内空气孔阵列层2、内圆环包层3、外空气孔阵列层4和外圆环包层5都采用玻璃材料，所述内圆环包层3的壁厚10微米，内空气孔阵列层2中空气孔壁厚二十纳米，外空气孔阵列层4中空气孔壁厚三十纳米。

具体测量时，激光光源A所发出的激光(假定为532nm绿光)，经光隔离器B入射到二色镜C上，二色镜C对532nm的绿光45度高度反射后经耦合物镜D会聚到空芯光子晶体光纤E的空芯1中，激光激发空芯1中的样品产生荧光或拉曼光，空芯光子晶体光纤E收集荧光或拉曼光并由内圆环包层3传导，经耦合物镜D入射二色镜C上，二色镜C对激光泵浦产生的荧光或拉曼光能45度高度透过，再由光谱仪G进行接收和测量分析，二色镜C同时也可防止532nm泵浦激光进入光谱测量系统。

实施例2：

一种利用空芯光子晶体光纤的光谱测量装置，该装置包括激光发射源A、光隔离器B、二色镜C、耦合物镜D、空芯光子晶体光纤E和光谱仪G，在激光发射源A发射的激光光路上依次设置光隔离器B和二色镜C，使激光通过光隔离器B后以45度入射角入射到二色镜C上，在激光经二色镜C的反射光路上依次设置耦合物镜D、空芯光子晶体光纤E，空芯光子晶体光纤E一端与耦合物镜D相连，另一端装有样品，光谱仪G设置在沿激光经二色镜C的反射光路的反向延长线上，位于二色镜C的后方。在靠近空芯光子晶体光纤E装有样品的一端设置一凹面镜F1，凹面镜F1凹面正对空芯光子晶体光纤E的端面。所述空芯光子晶体光纤E，中间为空芯层1，同轴线径向设置有内空气孔阵列层2、外圆环包层5和涂覆层6，在内空气孔阵列层2外设置有内圆环包层3，在内圆环包层3和外圆环包层5之间设置有外空气孔阵列层4，所述内空气孔阵列层2、内圆环包层3、外空气孔阵列层4和外圆环包层5都采用玻璃材料，所述内圆环包层3的壁厚10微米，内空气孔阵列层2中空气孔壁厚二十纳米，外空气孔阵列层4中空气孔壁厚30纳米。

具体测量时，激光光源A所发出的激光(假定为532nm绿光)，经光隔离器B入射到二色镜C上，二色镜C对532nm的绿光45度高度反射后经耦合物镜D会聚到空芯光子晶体光纤E的空芯1中，激光激发空芯1中的样品产生荧光或拉曼光，空芯光子晶体光纤E收集荧光或拉曼光并由内圆环包层3进行传导，同时凹面镜F1也把收集到的荧光或拉曼光会聚到内圆环包层3所限定的区域内并由内圆环包层3进行传导，收集到的荧光或拉曼光经耦合物镜D入射二色镜C上，二色镜C对激光泵浦产生的荧光或拉曼光45度高度透过，再由光谱仪G进行接收和测量分析。

实施例3：

一种利用空芯光子晶体光纤的光谱测量装置，该装置包括激光发射源A、光隔离器B、二色镜C、耦合物镜D、空芯光子晶体光纤E和光谱仪G，在激光发射源A发射的激光光路上依次设置光隔离器B和二色镜C，使激光通过光隔离器B后以45度入射角入射到二色镜C上，在激光经二色镜C的反射光路上依次设置耦合物镜D、空芯光子晶体光纤E，空芯光子晶体光纤E一端与耦合物镜D相连，另一端装有样品，光谱仪G设置在沿激光经二色镜C的反射光路的相反方向上，位于二色镜C的后方。在空芯光子晶体光纤E装有样品的一端设置一平面镜F2，平面镜F2正面紧靠空芯光子晶体光纤E的端面。所述空芯光子晶体光纤E，其中间为空芯层1，同轴线径向设置有内空气孔阵列层2、外圆环包层5和涂覆层6，在内空气孔阵列层2外设置有内圆环包层3，在内圆环包层3和外圆环包层5之间设置有外空气孔阵列层4，所述内空气孔阵列层2、内圆环包层3、外空气孔阵列层4和外圆环包层5都采用玻璃材料，所述内圆环包层3的壁厚10微米，内空气孔阵列层2中空气孔壁厚二十纳米，外空气孔阵列层4中空气孔壁厚三十纳米。

具体测量时，激光光源A所发出的激光(假定为532nm绿光)，经光隔离器B入射到二色镜C上，二色镜C对532nm的绿光45度高度反射后经耦合物镜D会聚到空芯光子晶体光纤E的空芯1中，激光激发空芯1中的样品产生荧光或拉曼光，空芯光子晶体光纤E收集荧光或拉曼光并由内圆环包层3进行传导，同时平面镜F2也把收集到的荧光或拉曼光直接反射并由内圆环包层3进行传导，收集到的荧光或拉曼光经耦合物镜入射二色镜C上，二色镜C对激光泵浦产生的荧光或拉曼光45度高度透过，再由光谱仪G进行接收和测量分析。

Claims (3)

1、一种利用空芯光子晶体光纤的光谱测量装置，包括激光发射源、光隔离器、二色镜、耦合物镜、测量光纤和光谱仪，在激光发射源发射的激光光路上依次设置光隔离器和二色镜，使激光通过光隔离器后以45度入射角入射到二色镜上，在激光经二色镜的反射光路上依次设置耦合物镜、测量光纤，测量光纤一端与耦合物镜相连，另一端连接样品，光谱仪设置在沿激光经二色镜的反射光路的反向延长线上，位于二色镜的后方，其特征在于：所述测量光纤空芯光子晶体光纤(E)，该光纤中间为空芯层(1)，同轴线径向设置有内空气孔阵列层(2)、在内空气孔阵列层(2)外设置有内圆环包层(3)，在内圆环包层(3)外设置有外空气孔阵列层(4)，外空气孔阵列层(4)设置有外圆环包层(5)，外圆环包层(5)外设置有涂敷层(6)，所述内空气孔阵列层(2)、内圆环包层(3)、外空气孔阵列层(4)和外圆环包层(5)都采用同一种材料，所述内圆环包层(3)的壁厚是内空气孔阵列层(2)和外空气孔阵列层(4)中空气孔壁厚的100倍以上。

2、根据权利要求1所述的一种利用空芯光子晶体光纤的光谱测量装置，其特征在于：在靠近空芯光子晶体光纤(E)装有样品的一端设置一凹面镜(F1)，凹面镜(F1)凹面正对空芯光子晶体光纤(E)的端面。

3、根据权利要求1所述的一种利用空芯光子晶体光纤的光谱测量装置，其特征在于：在空芯光子晶体光纤(F2)装有样品的一端设置一平面镜(F2)，平面镜(F2)正面紧靠空芯光子晶体光纤(E)的端面。

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