基于光子晶體光纖諧振腔的拉曼光譜增強(qiáng)系統(tǒng)及增強(qiáng)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及的是一種基于光子晶體光纖諧振腔的拉曼光譜增強(qiáng)系統(tǒng)及增強(qiáng)方法，用于拉曼光譜儀在氣體在線檢測(cè)時(shí)對(duì)拉曼光譜效應(yīng)進(jìn)行增強(qiáng)，從而提高拉曼光譜儀的靈敏度使其在檢測(cè)的過程中進(jìn)行準(zhǔn)確的定性定量分析。屬于光電技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]拉曼光譜是在拉曼散射效應(yīng)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的分析技術(shù)，由于其峰面積、頻移、線寬、特征峰數(shù)目等與分子的結(jié)構(gòu)及濃度有緊密聯(lián)系，因此成為物質(zhì)的定性、定量分析時(shí)作為主要工具并被廣泛應(yīng)用。拉曼在線儀器的時(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性使其在樣品定性定量的分析過程中被廣泛應(yīng)用，尤其是對(duì)于水溶樣品以及有機(jī)樣品的檢測(cè)較其他檢測(cè)方法更為準(zhǔn)確。但由于拉曼效應(yīng)是一種弱效應(yīng)，其光強(qiáng)僅為入射光強(qiáng)的10 '在應(yīng)用中有時(shí)會(huì)淹沒在熒光背景信號(hào)中，有時(shí)檢測(cè)低濃度樣品會(huì)存在一定誤差。另外實(shí)際應(yīng)用時(shí)對(duì)雜散光的屏蔽及試驗(yàn)環(huán)境的適應(yīng)力較差，這些都限制了拉曼光譜分析法的使用范圍和發(fā)展。因此，需要對(duì)抑制背景噪聲信號(hào)的同時(shí)將拉曼光放大以達(dá)到低濃度物質(zhì)檢測(cè)的要求。
[0003]物質(zhì)的定性定量檢測(cè)在環(huán)境、工業(yè)生產(chǎn)以及醫(yī)藥生物等領(lǐng)域是十分重要的環(huán)節(jié)，其準(zhǔn)確性和精度是保障產(chǎn)品和分析結(jié)果的可靠性和可信度的關(guān)鍵。但其在低濃度樣品分析中，由于樣品易受到外部環(huán)境的干擾以及精度較低等原因使其具有較大的誤差，因此急需發(fā)明一種新的方法，當(dāng)物質(zhì)濃度非常低時(shí)也能對(duì)其進(jìn)行定性定量檢測(cè)，并保證其精確度和準(zhǔn)確性以提高檢測(cè)數(shù)據(jù)的可靠性。
[0004]綜上所訴，如何提高拉曼光譜技術(shù)在低濃度物質(zhì)檢測(cè)的可靠性是目前在線拉曼光譜應(yīng)用的主要問題。本發(fā)明針對(duì)低濃度、微量物質(zhì)的檢測(cè)發(fā)明了一種基于光子晶體光纖諧振腔的拉曼效應(yīng)增強(qiáng)裝置，結(jié)合光子晶體光纖的光子禁帶效應(yīng)、光學(xué)光柵以及諧振腔原理提高拉曼效應(yīng)的靈敏度，使在線拉曼技術(shù)能在低濃度物質(zhì)檢測(cè)時(shí)更加準(zhǔn)確，將對(duì)未來的流程工業(yè)有一定的影響。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明提出的是一種基于光子晶體光纖諧振腔的拉曼光譜增強(qiáng)系統(tǒng)及增強(qiáng)方法，其目的旨在能夠?qū)盘?hào)進(jìn)行放大，使其在低濃度物質(zhì)檢測(cè)時(shí)具有更高的靈敏度和準(zhǔn)確性，提供高質(zhì)量的拉曼信號(hào)并減少雜散信號(hào)對(duì)拉曼信號(hào)的影響。
[0006]本發(fā)明的技術(shù)解決方案:基于光子晶體光纖諧振腔的拉曼光譜增強(qiáng)系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)由栗浦光源、耦合聚焦鏡片、激光諧振腔、A光纖連接器、光子晶體光纖諧振腔、B光纖連接器、第三光纖光柵FBG3、光電采集、計(jì)算機(jī)處理系統(tǒng)依次串而成。
[0007]基于拉曼光譜增強(qiáng)系統(tǒng)的增強(qiáng)方法，將激光器發(fā)射的激光聚焦到激發(fā)晶體、倍頻晶體及532nm帶通濾波片得到純凈的特定波長范圍光，并濾除了激光產(chǎn)生過程中可能出現(xiàn)的雜散光；選取的光纖光柵與光纖構(gòu)成光纖諧振腔，這樣當(dāng)光進(jìn)入光纖后通過諧振腔后功率被有效的增強(qiáng)；通過光纖諧振腔增強(qiáng)的光進(jìn)入光子晶體光纖諧振腔后，由于光子晶體光纖的光子禁帶特性使得拉曼效應(yīng)增強(qiáng)，同時(shí)通過光纖光柵對(duì)光進(jìn)行進(jìn)一步增強(qiáng)，通過光纖光柵對(duì)通過光子晶體光纖諧振腔的光進(jìn)行篩選得到所需的拉曼光，此時(shí)進(jìn)行拉曼信號(hào)的光電收集，經(jīng)計(jì)算機(jī)處理獲得增強(qiáng)后的樣品拉曼圖譜。
[0008]本發(fā)明的有益效果在于:
I)實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)氣體物質(zhì)組分時(shí)的拉曼光譜信號(hào)的增強(qiáng)，通過光子晶體光纖諧振腔不僅增強(qiáng)了拉曼光同時(shí)還減少了雜散光對(duì)拉曼的影響，進(jìn)一步提高了其在檢測(cè)應(yīng)用中的靈敏度。
[0009]2)本系統(tǒng)可應(yīng)用于拉曼光譜儀實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)氣體物質(zhì)組分時(shí)拉曼光譜信號(hào)的增強(qiáng)，從而實(shí)現(xiàn)在線拉曼光譜在待測(cè)樣品濃度較低情況下對(duì)其進(jìn)行準(zhǔn)確的定量定性分析。
【附圖說明】
[0010]圖1為基于光子晶體光纖諧振腔的拉曼光譜增強(qiáng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理圖。
[0011]圖2為光子晶體光纖諧振腔的示意圖
【具體實(shí)施方式】
[0012]如附圖1所示，基于光子晶體光纖諧振腔的拉曼光譜增強(qiáng)系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)由栗浦光源、耦合聚焦鏡片、激光諧振腔、A光纖連接器、光子晶體光纖諧振腔、B光纖連接器、第三光纖光柵FBG3、光電采集、計(jì)算機(jī)處理系統(tǒng)依次串而成；
所述的激光諧振腔中的摻雜增益光纖的兩端是的A光纖光柵FBGa、B光纖光柵FBGb ;激光經(jīng)由光纖光柵在腔內(nèi)不斷來回反射，經(jīng)過調(diào)整使其聚集為一條直線，形成激光諧振腔，使得光功率得到有效放大；
所述的光子晶體光纖諧振腔中的光子晶體光纖的兩端是第一光纖光柵FBG1、第二光纖光柵FBG2，由激光諧振腔發(fā)出的激光通入定制的光纖連接器中，通過光纖連接器進(jìn)入光子晶體光纖諧振腔中，此光纖連接器對(duì)于激光諧振腔和光子晶體光纖諧振腔產(chǎn)生的耦合損耗最小，同時(shí)該連接器為三端連接器，可利用高壓將樣品從連接器的另一端開口壓入光子晶體光纖空腔內(nèi)；光子晶體光纖諧振腔用于提高Ic及J ( λ )。
[0013]所述的光子晶體光纖諧振腔兩端均熔接的光纖連接器，一端為樣品進(jìn)入口，另一端為樣品出口，可通過其對(duì)光子晶體光纖諧振腔內(nèi)部進(jìn)行壓力調(diào)節(jié)，以達(dá)到符合測(cè)量要求的內(nèi)壓。
[0014]工作時(shí)，當(dāng)光進(jìn)入如圖2所示光子晶體光纖諧振腔后，光與待測(cè)樣品分子相互作用產(chǎn)生拉曼散射，此時(shí)由于光子帶隙效應(yīng)，產(chǎn)生的光被強(qiáng)烈的束縛在光纖中心內(nèi)，避免了泄露損耗，同時(shí)雜散光因不符合帶隙效應(yīng)而穿過包層消失在傳輸過程中，同時(shí)因光子晶體光纖空芯面積直徑微小使得光與樣品分子的作用集中在微米級(jí)面積上，因此增大了散射截面J ( λ )，使得拉曼光得到增強(qiáng)；
同時(shí)光子晶體光纖兩端的第一光纖光柵FBGl和第二 FBG2使光來回反射，延長了激勵(lì)光的光程長，提高了激發(fā)光作用的強(qiáng)度U增強(qiáng)了其與樣品分子的拉曼散射，使得單位面積上的光功率變大，進(jìn)一步提高了拉曼散射強(qiáng)度。
[0015]另外，由于光子晶體光纖特殊的布拉格光柵結(jié)構(gòu)，部分光從光子晶體光纖的包層氣孔中折回光纖中心，并與包層氣孔中存在的樣品分子相互作用，產(chǎn)生的拉曼光由布拉格光柵作用回到纖芯中，提高了拉曼光強(qiáng)度。
[0016]通過光子晶體光纖諧振腔產(chǎn)生的拉曼光通過圖1中第三光纖光柵FBG3，該光纖光柵的作用與特定波長濾波片類似，可選出所需檢測(cè)樣品物質(zhì)的拉曼光，通過傳到光纖接入拉曼光檢測(cè)系統(tǒng)中；光電采集裝置接受通過第三光纖光柵FBG3后所需檢測(cè)樣品物質(zhì)的拉曼光信息被傳輸?shù)接?jì)算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行分析處理，從而得到檢測(cè)物質(zhì)的拉曼譜圖。
[0017]實(shí)施例，
參見圖1，選取波長為808nm的LD栗浦激光二極管為后續(xù)的拉曼檢測(cè)提供光源，激光變頻率部分包括:激發(fā)晶體、倍頻晶體和傳導(dǎo)光纖。光源產(chǎn)生激發(fā)光后通過聚焦鏡片使光聚焦到激發(fā)晶體中，經(jīng)過倍頻晶體得到532nm綠光。
[0018]為避免激光因溫度變化而產(chǎn)生中心頻率漂移，通過溫控系統(tǒng)對(duì)激光二極管、激發(fā)晶體及倍頻晶體進(jìn)行溫度控制，當(dāng)溫度過高時(shí)制冷片開始工作，控制其溫度不超過特定范圍。同時(shí)通過調(diào)整倍頻晶體和激發(fā)晶體的溫度及角度可對(duì)激光功率進(jìn)行調(diào)整。
[0019]通過倍頻晶體后產(chǎn)生的激光并不是純凈的532nm光，因此在進(jìn)入光纖諧振腔前再