TWI435068B - Crystal fiber, Raman spectrometer with crystal fiber and its detection method - Google Patents

Crystal fiber, Raman spectrometer with crystal fiber and its detection method Download PDF

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TWI435068B TW100105934A TW100105934A TWI435068B TW I435068 B TWI435068 B TW I435068B TW 100105934 A TW100105934 A TW 100105934A TW 100105934 A TW100105934 A TW 100105934A TW I435068 B TWI435068 B TW I435068B
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Description

晶體光纖、具有晶體光纖之拉曼光譜儀及其檢測方法
本發明有關於一種摻雜有兩種不同濃度之過渡金屬的藍寶石晶體光纖，可產生一寬頻光源及一窄頻光源，並可應用在拉曼光譜儀上。
拉曼效應主要是指光源與物質的交互作用中，光子產生非彈性碰撞的現象，而拉曼光譜則是偵測入射光子與散射光子之間的頻率差，稱之為Raman shift。拉曼光譜目前已被廣泛的應用在化學、生技或醫學領域的測量或檢測，並可依據各種化學鍵及對稱分子特殊的震動光譜資訊，作為分子鑑別時的重要特徵。
一般而言，光子發生非彈性散射(拉曼散射)的機率約為彈性散射的10-6 至10-8 ，因此非常不容易對非彈性散射的光源進行觀察或量測。一般為了降低觀察或量測時的難度，往往會選擇將功率較高的檢測光源投射在待測物上，例如檢測光源的功率大於150mw。然而在以拉曼光譜進行人體或生物樣品的檢測時，功率過高的檢測光源將有可能對人體或生物樣品造成傷害，此外亦不符合相關醫療法規的規定。
為了進一步提高非彈性散射光源的強度，可亦選擇適當波長的光源作為檢測光源，使得檢測光源的波長處在被檢測分子的吸收光譜內，以提高非彈性散射光源的強度，並有利於檢測動作的進行。然而為了適用於各種不同的待測物，產生檢測光源的裝置往往需要具有波長調變的功能，並在檢測的過程中隨著時間調變檢測光源的波長，以完成拉曼光譜檢測的動作。但在檢測的過程中檢測光源需要長時間的照射在待測物上，不僅會降低檢測的效率，同時亦可能對待測物造成傷害。此外具有波長調變功能之發光裝置的設置，亦會增加拉曼光譜儀的體積及製作成本的增加。
本發明之一目的，在於提供一種晶體光纖，主要於一藍寶石晶體內摻雜兩種不同濃度的過渡金屬，使得激發光源通過該晶體光纖後可產生一寬頻光源及一窄頻光源。
本發明之另一目的，在於提供一種晶體光纖，主要由摻雜鉻鈦之藍寶石晶體所製成，其中鉻離子的比例高於鈦離子，激發光源將會激發鉻離子以產生一窄頻光源，並激發鈦離子產生一寬頻光源。
本發明之又一目的，在於提供一種晶體光纖，其中晶體光纖的兩端皆設置有一多層膜，以提高窄頻光源及寬頻光源的強度。
本發明之又一目的，在於提供一種拉曼光譜儀，主要使得發光單元所產生之激發光源通過晶體光纖，使得晶體光纖產生一窄頻光源及一寬頻光源，並將窄頻光源及寬頻光源投射在待測物上，而後再以檢測單元接收待測物所產生的拉曼放射光。
本發明之又一目的，在於提供一種拉曼光譜儀，主要將窄頻光源及寬頻光源投射在一待測物上，並使得待測物產生拉曼放射光，其中寬頻光源的波長分佈範圍涵蓋拉曼放射光的波長分佈範圍，使得寬頻光源中部分波長的強度增加並有利於對拉曼放射光進行檢測。
本發明之又一目的，在於提供一種檢測方法，主要將一窄頻光源及一寬頻光源投射在一待測物上，其中待測物在受到第一波長之窄頻光源的照射後將會產生一第二波長的拉曼放射光，並使得寬頻光源中第二波長的強度增加，藉此將有利於使用者對待測物進行檢測。
本發明之又一目的，在於提供一種檢測方法，主要將窄頻光源及寬頻光源投射在一待測物上，並使得待測物產生拉曼放射光，其中寬頻光源的波長分佈範圍涵蓋拉曼放射光的波長分佈範圍，使得寬頻光源中的部分波長的強度增加。
為達成上述目的，本發明提供一種晶體光纖，包括有：一藍寶石晶體、一第一過渡金屬及一第二過渡金屬，且第一過渡金屬與第二過渡金屬的濃度不同。
此外，本發明還提供一種拉曼光譜儀，包括有：一發光單元，用以產生一激發光源；一晶體光纖，包括有一藍寶石晶體、一第一過渡金屬及一第二過渡金屬，用以接收該激發光源並產生一窄頻光源及一寬頻光源，並將窄頻光源及寬頻光源投射在一待測物上；及一偵測單元，用以接收該待測物後所產生之一拉曼放射光。
本發明還提供一種檢測方法，包括有以下步驟：將一晶體光纖所產生之一檢測光源投射在一待測物上，其中檢測光源包括有一窄頻光源及一寬頻光源；待測物產生一拉曼放射光，且寬頻光源的波長分佈範圍涵蓋拉曼放射光的波長分佈範圍，使寬頻光源中部分波長的強度增加；及同時偵測上述強度增加的波長。
請參閱第1圖及第2圖，分別為本發明一實施例之晶體光纖的構造示意圖及激發光源通過光纖後所產生之光源的波長及強度的關係圖。晶體光纖可為柱狀，並包括有一藍寶石晶體、一第一過渡金屬及一第二過渡金屬，且第一過渡金屬與第二過渡金屬的濃度不同。
在本發明一實施例中，晶體光纖11為柱狀並包括有一纖心111及一纖衣113，其中纖衣113包覆在纖心111的部分外表面，且纖心111包括有藍寶石晶體、第一過渡金屬及第二過渡金屬，而纖衣113則由硼玻璃所製成。在本發明一較佳實施例中，第一過渡金屬為鉻(Cr)，而第二過渡金屬則為鈦(Ti)，且第一過渡金屬(鉻離子)的濃度高於第二過渡金屬(鈦離子)的濃度。例如鉻離子的濃度約介於0.1至0.01wt%(重量百分比)之間，而鈦離子的濃度約介於1至0.1wt%(重量百分比)之間。
在使用時可將一發光元件13所產生的激發光源L投射到晶體光纖11，使得激發光源L穿透晶體光纖11，其中部分進入晶體光纖11的激發光源L會激發晶體光纖11內的第一過渡金屬，如鉻離子，並產生一窄頻光源Ln，而有部分進入晶體光纖11的激發光源L則會激發晶體光纖11內的第二過渡金屬，如鈦離子，並產生一寬頻光源Lw。
在本發明一實施例中，可使用氮化物半導體雷射作為發光元件13，並使得激發光源L的波長分佈介於400至550nm之間，當然在不同實施例中亦可使用固態雷射作為發光元件13。窄頻光源Ln及寬頻光源Lw的分佈如第2圖所示，其中窄頻光源Ln的波長分佈範圍較寬頻光源Lw窄，例如窄頻光源Ln的波長分佈範圍介於650至750nm之間，而寬頻光源Lw的分佈範圍則介於500cm-1至3000cm-1之間。此外，窄頻光源Ln相較於寬頻光源Lw而言具有較高的強度，例如窄頻光源Ln的強度約為4.5至5pW/nm，而寬頻光源則約小於2pW/nm。
以上僅為本發明一實施例之窄頻光源Ln及寬頻光源Lw的波長及強度的關係圖，在不同實施例中可選用不同波長的光源作為激發光源，亦可於藍寶石晶體內摻雜不同濃度或不同種類的第一過渡金屬與第二過渡金屬，或是改變晶體光纖11的長度，都可使得窄頻光源Ln與寬頻光源Lw有不同之波長及強度的分佈。
此外，為了增加晶體光纖11所產生之窄頻光源Ln及寬頻光源Lw的強度，亦可於晶體光纖11的兩端設置有一多層膜115，例如多層膜115可設置於纖心111及或纖衣113上，以形成雷射共振腔，使得部分的光源被多層膜115反射，並多次通過晶體光纖11，以激發晶體光纖11內的第一過渡金屬及第二過渡金屬，如第1A圖所示。
請參閱第3圖，本發明一實施例之晶體光纖的製作方法流程圖。如圖所示，本發明所述之晶體光纖的製作方法主要包含有下列步驟，首先提供一雙摻雜藍寶石單晶棒，例如摻雜有第一過渡金屬(鉻離子)及第二過渡金屬(鈦離子)之藍寶石晶棒，如步驟201。將該單晶棒以雷射加熱基座生長法進行多次提拉縮徑，藉以長成預定直徑之雙摻雜藍寶石晶體光纖，例如直徑10微米至50微米，如步驟203。
將預定直徑之雙摻雜藍寶石晶體光纖進行退火程序，可選擇以高溫爐實施退火，亦可以雷射加熱進行退火，如步驟205。之後將退火後之雙摻雜藍寶石晶體光纖置入一適當口徑(例如內徑50至100微米，外徑80至170微米)之玻璃毛細管中，如步驟207。
最後，將包覆於玻璃毛細管中之雙摻雜藍寶石晶體光纖以雷射加熱基座生長法生長為單層纖衣之雙摻雜藍寶石晶體光纖，如步驟209，並形成如第2圖所示之晶體光纖11。其中，玻璃毛細管係可選擇為軟化溫度低於攝氏1000度之光學玻璃材質，例如硼玻璃毛細管。
請參閱第4圖及第5圖，分別為本發明一實施例之拉曼光譜儀的構造示意圖及檢測方法流程圖。如圖所示，拉曼光譜儀10主要包括有一發光單元13、一晶體光纖11及一偵測單元17，其中晶體光纖11為雙摻雜藍寶石晶體光纖，並包括有第一過渡金屬、第二過渡金屬及藍寶石晶體，且第一過渡金屬與第二過渡金屬摻雜的濃度不同。此外，亦可於晶體光纖11兩端設置多層膜117，如第1A圖所示。
發光單元13可用以產生一激發光源L，並以晶體光纖11接收激發光源L，使得激發光源L穿透晶體光纖11。部分進入晶體光纖11的激發光源L會激發晶體光纖11內的第一過渡金屬，例如鉻離子，並產生一窄頻光源Ln，而部分進入晶體光纖11的激發光源L則會激發晶體光纖11內的第二過渡金屬，例如鈦離子，並產生一寬頻光源Lw。偵測單元17則用以接收該窄頻光源Ln及寬頻光源Lw投射在待測物15後所產生之拉曼放射光。
檢測主要的步驟如下：將晶體光纖11所產生的檢測光源投射在待測物15上，其中檢測光源包括有窄頻光源Ln及寬頻光源Lw，如步驟31所示，亦即窄頻光源Ln及寬頻光源Lw會同時照設於待測物15上。窄頻光源Ln的波長分佈較寬頻光源Lw窄，例如窄頻光源Ln的波長為第一波長λ1，其中有部分投射在待測物15的窄頻光源Ln會發生非彈性散射，使得待測物15產生波長與窄頻光源Ln不同之拉曼放射光，例如拉曼放射光的波長包括有第二波長λ2，如步驟33所示。
在實際應用時會因為待測物15的成分不同，例如化學鍵或分子結構的差異，而使得待測物15發出不同波長的拉曼放射光。換言之，待測物15所發出之拉曼放射光的波長通常不會只有第二波長λ2一種，而是除了第二波長λ2以外還包括有複數種不同波長的光源。
檢測光源之寬頻光源Lw同樣照射在待測物15上，其中寬頻光源Lw的波長分佈較窄頻光源Ln廣，例如寬頻光源Lw的的分佈範圍則介於500cm-1 至3000cm-1 之間。此外寬頻光源Lw的波長分佈範圍亦涵蓋待測物15所產生之拉曼放射光的波長，並使得寬頻光源Lw之部分波長的強度增加，如步驟35所示。
在本發明一實施例中窄頻光源Ln的波長為第一波長λ1，拉曼放射光的波長包括第二波長λ2，而寬頻光源Lw的波長分佈涵蓋第二波長λ2。當窄頻光源Ln照射於待測物15後，待測物15會因拉曼效應而至少散射上述之第二波長λ2。另外，當寬頻光源Lw之波長與拉曼放射光的波長相等時，此一波長的強度將會放大10至104 倍。在本實施例中，由於待測物15散射之拉曼放射光的波長為第二波長λ2，故寬頻光源Lw中第二波長λ2的強度將會放大10至104 倍。藉由寬頻光源Lw中第二波長λ2的強度增加，將有利於後續對拉曼放射光之檢測動作的進行。
在本發明之另一實施例中，當窄頻光源Ln照射於待測物15後，待測物15通常除了會散射第二波長λ2以外，亦會散射其他複數種波長。換言之，待測物15散射之拉曼放射光的波長包含複數個特徵波長，而這些特徵波長包括上述之第二波長λ2與其他複數種波長，並且每一個特徵波長皆可藉由寬頻光源Lw同時增加強度，以利同時進行檢測，例如當寬頻光源Lw中部分波長與該些特徵波長相等時，該些特徵波長的強度將會增加。除此之外，更可藉由特徵波長之數量來判斷待測物15之材料，例如血糖、膽固醇、胡蘿蔔素等生物材料。
透過偵測單元17偵測待測物15所散射的光源，例如拉曼放射光，並可以偵測單元17所偵測之光源的波長分佈，推算出待測物15的組成成分，如步驟37所示。此外，本發明所述之拉曼光譜儀10不需要使用鎖相放大器(lock-in amplifier)，便可直接透過偵測單元17對待測物15所散射的光源進行偵測，藉此將有利於減少拉曼光譜儀的體積及製作成本。
待測物15發出之拉曼放射光的波長通常不只一種，但由於本發明所述之寬頻光源Lw的分佈很廣，並涵蓋待測物15所產生之拉曼放射光的波長，使得待測物15所發出之各種不同波長的拉曼放射光的強度增加。藉此偵測單元17將可同時偵測到各個不同波長的拉曼放射光，不僅有利於縮短檢測的時間，並可避免檢測光源長時間照射在人體或生物樣品上所帶來的傷害。在本發明一實例中待測物15可為生物材料，並可以拉曼光譜儀10進行血糖量測，胡蘿蔔素及膽固醇量測。
當然在實際應用時，拉曼光譜儀10亦可包括有一分光鏡19及複數個透鏡12或透鏡組，例如可在晶體光纖11的兩端、待測物15的前方及/或偵測單元17的前方設置透鏡12，並有利於光源的匯集。分光鏡19則可用以反射晶體光纖11所產生的窄頻光源Ln及寬頻光源Lw，使得窄頻光源Ln及寬頻光源Lw投射在待測物15上，而待測物15所散射的光源則會穿透分光鏡19，並投射在檢測單元17上。
此外，為了方便檢測單元17進行檢測，亦可於檢測單元17前方設置有一濾光片14，例如濾光片14位於檢測單元17與透鏡12之間，並以濾光片14過濾窄頻光源Ln，以避免檢測單元17發生過飽和的情形。
以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，並非用來限定本發明實施之範圍，即凡依本發明申請專利範圍所述之形狀、構造、特徵及精神所為之均等變化與修飾，均應包括於本發明之申請專利範圍內。
10．．．拉曼光譜儀
11．．．晶體光纖
111．．．纖心
113．．．纖衣
115‧‧‧多層膜
12‧‧‧透鏡
13‧‧‧發光單元
14‧‧‧濾光片
15‧‧‧待測物
17‧‧‧偵測單元
19‧‧‧分光鏡
第1圖：為本發明一實施例之晶體光纖的構造示意圖；
第1A圖：為本發明又一實施例之晶體光纖的構造示意圖；
第2圖：為本發明一實施例之激發光源通過光纖後所產生之光源的波長及強度的關係圖；
第3圖：本發明一實施例之晶體光纖的製作方法流程圖；
第4圖：為本發明一實施例之拉曼光譜儀的構造示意圖；及
第5圖：為本發明一實施例之檢測方法流程圖。
11．．．晶體光纖
111．．．纖心
113．．．纖衣
13．．．發光單元

Claims (18)

  1. 一種晶體光纖，包括有：一藍寶石晶體、一第一過渡金屬及一第二過渡金屬，且該第一過渡金屬與該第二過渡金屬的濃度不同，一激發光源激發該第一過渡金屬並產生一窄頻光源，且該激發光源激發該第二過渡金屬並產生一寬頻光源，其中該窄頻光源的波長分佈範圍介於650至750nm之間。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之晶體光纖，其中該第一過渡金屬為鉻，而該第二過渡金屬則為鈦。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之晶體光纖，其中該第一過渡金屬的濃度大於該第二過渡金屬。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之晶體光纖，包括有一發光單元用以產生該激發光源。
  5. 如申請專利範圍第4項所述之晶體光纖，其中該寬頻光源的範圍由500cm-1 至3000cm-1 。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之晶體光纖，包括有一纖心及一纖衣，其中該纖衣設置於該纖心的部分表面，且該纖心為摻雜該第一過渡金屬及該第二過渡金屬的藍寶石晶體。
  7. 如申請專利範圍第6項所述之晶體光纖，其中該纖衣由硼玻璃所製成。
  8. 如申請專利範圍第6項所述之晶體光纖，其中該纖心為柱狀，並於該纖心的兩端設置有一多層膜。
  9. 一種拉曼光譜儀，包括有： 一發光單元，用以產生一激發光源；一晶體光纖，包括有一藍寶石晶體、一第一過渡金屬及一第二過渡金屬，用以接收該激發光源並產生一窄頻光源及一寬頻光源，並將該窄頻光源及該寬頻光源投射在一待測物上，其中該窄頻光源的波長分佈範圍介於650至750nm之間；及一偵測單元，用以接收該待測物後所產生之一拉曼放射光。
  10. 如申請專利範圍第9項所述之拉曼光譜儀，其中該第一過渡金屬為鉻，而該第二過渡金屬為鈦，且該第一過渡金屬的濃度大於該第二過渡金屬。
  11. 如申請專利範圍第9項所述之拉曼光譜儀，其中該晶體光纖為柱狀，並於該晶體光纖的兩端設置有一多層膜。
  12. 如申請專利範圍第9項所述之拉曼光譜儀，其中該寬頻光源的波長分佈範圍涵蓋該拉曼放射光的波長。
  13. 如申請專利範圍第9項所述之拉曼光譜儀，其中該偵測單元的前方設置有一濾光片，並以該濾光片過濾該窄頻光源。
  14. 一種檢測方法，包括有以下步驟：將一檢測光源投射在一待測物上，其中該檢測光源包括有一窄頻光源及一寬頻光源；該待測物產生一拉曼放射光，且該寬頻光源的波長分佈範圍涵蓋該拉曼放射光的波長，使該寬頻光源中 部分波長的強度增加；及同時偵測該些強度增加之波長。
  15. 如申請專利範圍第14項所述之檢測方法，其中該窄頻光源照射於該待測物後，該待測物散射之該拉曼放射光的波長包括複數個特徵波長，且該寬頻光源之波長與該些特徵波長相等時，該些特徵波長的強度增加。
  16. 如申請專利範圍第15項所述之檢測方法，其中可根據該些特徵波長之數量判斷該待測物之材料。
  17. 如申請專利範圍第14項所述之檢測方法，其中在偵測該些拉曼放射光之前，包括有以下步驟：過濾該窄頻光源。
  18. 如申請專利範圍第14項所述之檢測方法，其中該待測物包含下列生物材料之一：血糖、膽固醇、胡蘿蔔素。
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