纖維集成透射吸收式光譜探針及制作方法與流程

本發明涉及的是一種光譜探針，本發明也涉及一種光譜探針的制作方法。

背景技術：

當用一束具有連續波長的寬譜光照射一物質時，該物質的分子就要吸收一部分對應頻率的光能，并將其轉變成另一種能量，即分子的振動能量和轉動能量。因此如果將其透過的光利用單色器進行色散，就能得到一些暗的譜帶。如果以波長或波數作為橫坐標，以百分吸收率或透過率作為縱坐標，把譜帶記錄下來，就得到了該物質的吸收光譜圖。利用這些信號可以實現被測物質的組成和結構的定性、定量分析。因此物質的吸收光譜在分析化學，生物醫學，環境安全等領域有廣泛的應用。

當前廣泛采用的透射吸收光譜信號采集裝置為比色皿，其存在體積大，干擾多，靈敏度低等缺點，且不適合用于尺度在微米量級的物質的透射吸收光譜的測量。也有使用光纖探頭來作為吸收光譜測量工具，但其設計一般只有一個激發方向和透射光收集方向，而且激發效率不高。

為了精確地實現細胞、微量液體和痕量物質等尺寸只有微米量級的物質的透射吸收光譜的測量，在技術上需要解決的問題是：由于被測物質的大小在微米尺度，與物質相互作用的光斑只有處于微納尺度，才能實現空間的高精度分辨。

技術實現要素：

本發明的目的在于提供一種用于高效激發并獲得其透射吸收光譜的纖維集成透射吸收式光譜探針。本發明的目的還在于提供一種纖維集成透射吸收式光譜探針的制作方法。

本發明的纖維集成透射吸收式光譜探針包括環形芯光纖，所述環形芯光纖端面通過精細研磨形成一個旋轉對稱反射光學結構，在旋轉對稱反射光學結構上鍍有一層反射膜，在環形芯光纖的端面刻蝕有一個盛放微納尺寸物質的凹槽；所述旋轉對稱反射光學結構能夠對環形芯光纖的環形芯傳輸的寬譜光進行反射并強聚焦于盛放在凹槽內的微納尺寸物質上，透過微納尺寸物質的光再經由旋轉對稱反射光學結構反射回到環形芯中反向傳輸，環形芯反向傳輸的透射的光信號通過拉錐耦合區耦合進多模光纖中，經由環形器傳輸至光譜儀中進行吸收光譜分析。

本發明的纖維集成透射吸收式光譜探針還可以包括：

1、所述的旋轉對稱反射光學結構為旋轉對稱平面反射匯聚結構，由精細研磨在環形芯光纖端面而形成底角為45°的圓錐臺。

2、所述的旋轉對稱反射光學結構為旋轉對稱弧面反射聚焦結構，由精細研磨在環形芯光纖端面而形成底角為45°的圓錐臺再進行弧面優化，形成曲率半徑為R的旋轉對稱弧面圓錐臺。

3、通過三端口環形器的一端與纖維集成透射吸收式光譜探針拉錐耦合，三端環形器另外兩端分別通過連多模光纖接至寬譜光源與光譜儀構成纖維集成透射吸收光譜儀，多模光纖將寬譜光從寬普光源引出，經由環形器后傳輸至拉錐耦合區，將寬譜光耦合進纖維集成透射吸收式光譜探針，環形芯光纖反向傳輸的透射光經過拉錐耦合區耦合進入多模光纖，再經由環形器傳輸至光譜儀。

本發明的纖維集成透射吸收式光譜探針的制作方法為：

步驟一：錐體粗磨

將環形芯光纖放置于光纖端研磨臺的光纖夾具上，調整環形芯光纖與研磨臺夾角至45°，進行環形芯光纖端平面旋轉對稱錐臺結構的研磨，將錐臺的底角粗磨至45°；

步驟二：錐體拋光

將研磨好的錐體進行拋光，放在超聲清洗槽中清洗、烘干；

步驟三：鍍膜

將磨好的環形芯光纖放入鍍膜機中，使研磨好的錐臺側面鍍上一層反射金屬膜；

步驟四：刻蝕凹槽

使用飛秒激光器在環形芯光纖尖端的中間芯處刻蝕凹槽。

本發明的纖維集成透射吸收式光譜探針的制作方法還可以包括：

在步驟一與步驟二之間增加錐體優化精磨步驟，具體包括：在步驟一粗磨的基礎上，在研磨的同時調節光纖的俯仰角，對步驟一中粗磨的旋轉對稱錐臺結構進行弧面優化，使其研磨至具有弧度的旋轉對稱弧面反射聚焦結構。

本發明針對于微生物、細胞、微量液體、痕量物質等微納尺寸的物質，提出了一種用于高效激發并獲得其透射吸收光譜的光纖光譜探針及其制造方法。

由于本發明采用的是環形芯光纖，其纖端經磨錐、刻蝕等微加工工藝制成，因此具有體積小，集成度高，操作靈活度高等特點。纖端中間刻蝕的凹槽可以方便地盛放細胞、微量液體等物質，精細研磨而成的旋轉對稱錐臺結構能將環形芯傳輸的激發光聚焦于凹槽中的物質上，能量密度很高的聚焦光斑只有微米尺度，且其寬譜光能從360°任意角度方向上與物質充分相互作用，作用效率很高，得到較為完整的物質相關吸收譜信息。與物質相互作用后的透射光又能從錐臺結構反射回環形芯，經環形芯傳輸至拉錐耦合區，信號光耦合進多模光纖后傳輸至光譜儀中分析，得到該物質的透射吸收光譜。本發明可用于測量微量物質的透射吸收光譜，例如：單細胞吸收、痕量物質吸收、微量液體吸收等。

附圖說明

圖1是纖維集成透射吸收式光譜儀系統示意圖。

圖2a是環形芯光纖截面示意圖；圖2b是環形芯光纖折射率分布示意圖。

圖3a-圖3b是纖維集成透射吸收式光譜探針結構示意圖，圖3a為旋轉對稱平面錐臺結構；圖3b為優化后的旋轉對稱弧面錐臺結構。

圖4是弧面優化的方法示意圖。

圖5是旋轉對稱平面錐臺結構的匯聚光場平均能量密度分布圖(光纖探針沿軸向切片)。

圖6是聚焦效果隨優化弧面曲率半徑R變化的關系曲線圖。

圖7優化弧面曲率半徑為R＝100μm的旋轉對稱弧面結構的聚焦光場平均能量密度分布圖(光纖探針沿軸向切片)。

圖8是多模光纖與環形芯光纖拉錐耦合方式示意圖。

圖9是纖維集成透射吸收光譜儀探針研磨過程示意圖。

具體實施方式

下面結合附圖舉例對本發明做更詳細的描述：

結合圖1，本發明的纖維集成透射吸收式光譜探針1是通過對環形芯光纖端面進行精細研磨，形成一個旋轉對稱，底角為45°的錐臺1-3，然后對錐臺進行弧面優化，形成旋轉對稱弧面錐臺結構，接著在研磨好的結構上鍍上一層反射膜1-6；在光纖的端面刻蝕一個盛放微納尺寸物質的凹槽1-2。所述環形芯光纖探針1端面旋轉對稱結構1-3能夠對環形芯1-1傳輸的寬譜光1-4進行反射并強聚焦于盛放在凹槽1-2內的物質4上，并與之充分相互作用，透過物質4的光再經由旋轉對稱結構1-3反射，回到環形芯1-1中反向傳輸。這時候環形芯1-1反向傳輸的則是與物質充分相互作用后的透射的光信號1-5，該信號通過拉錐耦合區7，耦合進多模光纖2中，經由環形器3傳輸至光譜儀6中進行分析。

這種纖維集成透射吸收式光譜探針使用的環形芯光纖探針1的纖端中間有刻蝕而成的凹槽1-2，用于盛放待測物質4。

這種纖維集成透射吸收式光譜儀的光纖探針1端面的旋轉對稱反射光學結構1-3的形式有如下兩種，1)旋轉對稱平面反射匯聚結構；2)旋轉對稱弧面反射聚焦結構。

1)旋轉對稱平面反射匯聚結構：其結構由精細研磨光纖端面而形成的底角為45°的圓錐臺1-3，并鍍上反射金屬膜1-6。該反射金屬膜能夠對環形芯1-1輸出的寬譜光1-4進行反射而匯聚，匯聚的寬譜光1-4能與盛放于凹槽1-2中的物質4充分相互作用，相互作用后的透射光1-5將會再次經由錐臺形端面1-3反射進環形芯1-1內反向傳輸。

2)旋轉對稱弧面反射聚焦結構：其結構與1)的不同之處在于其反射面是曲率半徑為R的旋轉對稱弧面圓錐臺。這樣的旋轉對稱弧面結構能使寬譜光在凹槽內的聚焦光斑更小，聚焦點處平均能量密度更高，從而使得光與物質的相互作用更加充分。

本發明纖維集成透射吸收式光譜探針具有體積小，集成度高，操作靈活度高等特點。光纖端中間刻蝕的凹槽可以方便地盛放細胞、微量液體等物質，精細研磨而成的旋轉對稱錐臺結構能將環形芯傳輸的激發光聚焦于凹槽中的物質上，能量密度很高的聚焦光斑只有微米尺度，且其寬譜光能從360°任意角度方向上與物質充分相互作用，作用效率很高，得到較為完整的物質相關吸收譜信息。與物質相互作用后的透射光又能從錐臺結構反射回環形芯，經環形芯傳輸至拉錐耦合區7，經過環形器3傳輸至光譜儀6，得到透射吸收光譜。

這種纖維集成透射式光譜探針的制作方法是：

步驟一：錐體粗磨。將環形芯光纖放置于光纖端研磨臺9的光纖夾具8上，調整環形芯光纖與研磨臺8的夾角，開啟研磨機，進行光纖端平面旋轉對稱結構圓臺的研磨，將錐臺的底角粗磨至45°附近。

步驟二：錐體優化精磨。在步驟一粗磨的基礎上，在研磨的同時調節光纖的俯仰角，對步驟一中粗磨的旋轉對稱平面結構進行弧面優化，使其研磨至具有最佳弧度的旋轉對稱弧面反射聚焦結構1-3。

步驟三：錐體拋光。將研磨好的錐體進行拋光，放在超聲清洗槽中清洗、烘干。

步驟四：鍍膜。將磨好的光纖放入鍍膜機中，使研磨好的錐臺側面鍍上一層反射金屬膜1-6。

步驟五：刻蝕凹槽，使用飛秒激光器在探針尖端的中間芯處刻蝕凹槽1-2。

該探針采用如圖2a-圖2b所示的環形芯光纖，其中圖2a是環形芯光纖截面示意圖，圖2b是光纖的折射率n隨光纖半徑分布示意圖。本發明在此種光纖纖端進行微結構加工，得到如圖3所示的探針結構。本發明對環形芯的纖端進行精細研磨，形成一個底角為45°的旋轉對稱圓錐臺結構1-3，然后在其錐臺結構1-3的側面鍍上一層反射膜1-6；在環形芯光纖的纖端中間刻蝕一個凹槽1-2，用于盛放待測的微量液體或細胞等物質4。

結合圖1，本發明的工作原理為：使用一個三端口環形器3，其三個端口通過普通多模光纖2分別與寬譜光源5，光譜儀6和環形芯光纖探針1相連接，其中與環形芯光纖探針1連接點處采用拉錐耦合7的方式，實現普通單芯多模光纖2與環形芯光纖探針1的光路耦合。寬譜光1-4經普通多模光纖2從寬譜光源5引出，經過三端口環形器3傳輸并耦合進環形芯光纖探針1中傳輸，寬譜光1-4傳輸至旋轉對稱錐臺結構1-3的鍍膜反射面1-6上，發生反射，反射光將從各個方向匯聚于凹槽1-2內的物質4上，匯聚的光斑尺寸在微米量級，具有較高的能量密度，能夠與待測物質充分相互作用，得到較為完整的透射吸收光譜信息。相互作用后的透射光1-5將會經由旋轉對稱錐臺結構1-3反射回環形芯1-1，經由環形芯1-1反向傳輸。透射光經過耦合區7和環形器3，傳輸至光譜儀6中進行分析。

圖3a是纖維集成透射吸收式光譜探針的旋轉對稱平面反射匯聚結構示意圖。這里利用comsol軟件對該反射結構建立了平均功率分布模型(即環形芯內的能量滿足軸對稱徑向高斯分布)。計算結果如圖5所示，可以看出其聚焦光斑的尺寸只有微米量級，且聚焦點平均能量密度很高，達到了3120J/m³，這樣能夠實現光與物質的充分相互作用。圖3b是弧面優化后的纖維集成透射吸收式光譜儀探針的旋轉對稱弧面錐臺反射匯聚結構示意圖，其優化方法如圖4所示：先將環形芯光纖的纖端研磨至底角為45°的旋轉對稱平面圓錐臺結構，再以此為基準，做一個圓心為O,曲率半徑為R的切圓，沿著切圓進行弧面優化研磨。同樣，本發明利用comsol對優化后的結構進行了計算分析，其中優化曲率半徑取75μm-350μm，得到聚焦光斑最大平均能量密度隨弧面優化的曲率半徑的變化關系圖(圖6)，由圖6可以看出，優化后的結構具有更好的聚焦效果，其中曲率半徑為R＝100μm時優化效果最好，聚焦光斑相比較旋轉對稱平面結構來說尺寸更小，能量密度更強，達到了5830J/m³(如圖7所示)，更適合微納尺寸的物質吸收光譜的測量。

圖8表示的是環形芯光纖和多模光纖拉錐耦合示意圖，兩種光纖先用焊接機焊接，往多模光纖內注光，然后再在焊接區熔融拉錐，當環形芯光纖端的出射功率達到最大時停止拉錐，這樣便能實現環形芯和多模光纖中的光的耦合。

下面舉一例說明本發明的制作過程：

圖9展示的是本發明使用到的光纖端精細研磨裝置和研磨過程示意圖。其中研磨臺9可沿其中心軸轉動，光纖夾具8除了能沿其軸轉動外，還可以調整其俯仰角度，用于錐臺的弧面優化。本發明首先對環形芯光纖進行端面切割，接著將其放置在光纖夾具8上，調整至適當的位置，然后對其進行光纖端錐體粗磨。待錐體底角接近45°時，再使光纖夾具8同時調節光纖的俯仰角，以對光纖端進行錐體優化精磨。等完成優化精磨后，對其進行拋光、清洗并在其旋轉對稱錐臺結構1-3側面鍍膜。最后，在光纖端中間進行激光刻蝕，形成用于盛放物質的凹槽1-2。這樣便制得了本發明所述的纖維集成透射吸收光譜探針。