基于空心布拉格光纖的小型化熒光光譜檢測裝置的制造方法
【專利摘要】本發明提出的基于空心布拉格光纖的小型化熒光光譜檢測裝置，包括激發光源、n根空心布拉格光纖、光譜采集模塊以及數據處理與顯示模塊，所述n為正整數，每根空心布拉格光纖內一端存放有待測樣品溶液，設空心布拉格光纖存放待測樣品溶液的一端為P1端、與P1端相對的一端為P2端，激發光源設置于與待測樣品溶液對應的區域且垂直照射空心布拉格光纖的側表面使待測樣品產生熒光，光譜采集模塊設置于空心布拉格光纖的P2端以采集熒光信號并將其轉化為電信號，數據處理與顯示模塊與光譜采集模塊的輸出端相連接。該裝置解決了熒光光譜檢測裝置結構復雜的問題，尤其適合熒光光譜的多波長激發和多通道檢測。
【專利說明】
基于空心布拉格光纖的小型化熒光光譜檢測裝置
技術領域
[0001]本發明涉及一種基于空心布拉格光纖的小型化熒光光譜檢測裝置，屬于痕量物質光電檢測領域。
【背景技術】
[0002]熒光光譜檢測技術是一種利用被測熒光物質在激發光誘導下所產生的特征熒光光譜而對物質進行定性或定量分析的光電檢測方法。由于具有靈敏度高、選擇性強和動態測量范圍寬等優點，熒光光譜檢測技術被廣泛應用于生物化學、醫學研究、環境監測和食品安全等領域。傳統的熒光光譜檢測系統多采用體積較大、成本較高且需要高壓供電的氙燈、汞燈和固體激光器作為激發光源，因而不利于構建小型化熒光光譜檢測系統。近年來，隨著半導體材料的高速發展及其器件制作工藝和水平的迅速提高，具有各種封裝結構和不同發射波長的激光二極管(LD)和超高亮度發光二極管(LED)相繼問世，并且作為一種體積小、亮度高的高性能激發光源，越來越多地被應用于研制小型化熒光光譜檢測系統，尤其是利用具有多個不同波長的LD或LED構成激發光源陣列，還可以進行多組分痕量物質檢測。
[0003]然而，當前LD或LED誘導熒光光譜檢測系統中仍存在諸多不利于其進一步小型化的因素。例如，所用樣品池大都是體積較大的體型器件;為了實現激發光與被測熒光物質的有效相互作用，以及發射熒光的有效收集，一般都采用透鏡耦合系統;為了濾除激發光和雜散光，檢測系統中大都設有分立的濾波裝置;在共焦系統中，還需要設置半透半反鏡用于激發光和熒光的分光等(司馬偉昌，張玉鈞，王志剛等，多波長LED陣列誘導熒光光譜在多組分分析中的應用研究，光譜學與光譜分析，Vol.28(1): 165-168；CN 102305778B ； CN103257128B)。為了簡化熒光收集系統，研究人員提出了利用實心石英光纖緊貼熒光發射窗口的方法收集熒光(CN 103335992B)，但是有限的光纖數值孔徑和截面將會限制光纖接收熒光的能力，若再采用聚焦耦合系統將熒光耦合入光纖端面(CN 104677870A)，反而又增加了檢測系統的復雜性。另一方面，在微流控毛細管電泳技術領域，石英毛細管構成的液芯波導常被用來作為熒光檢測通道，在此基礎上，研究人員提出了采用激發光直接照射液芯波導側表面的方式，使其垂直通過毛細管壁而被熒光物質吸收，而產生的熒光則根據全反射原理在毛細管液芯中沿軸向傳輸，因此可以實現激發光和熒光光路的分離(US 6332049B1；CN 101271070B)，這極大地簡化了激發光耦合系統和二向色鏡分光系統。但是，在這種基于液芯波導側面耦合的熒光檢測裝置中，為了提高檢測靈敏度和信噪比，仍然需要采取措施抑制剩余激發光和環境背景光，例如針對激發光設置濾波器，采用不透明的套管封裝液芯
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[0004]進一步地，現有的多波長激發光誘導熒光光譜檢測系統不僅同樣存在上述問題，而且還存在多波長激發光源變換調節裝置復雜和不穩定的問題。例如，通過旋轉安裝有多個激發光源的輪盤，才能實現激發波長的變換(司馬偉昌，張玉鈞，王志剛等，多波長LED陣列誘導熒光光譜在多組分分析中的應用研究，光譜學與光譜分析，Vol.28(1): 165-168;CN 103487422A)。

【發明內容】

[0005]針對當前小型化多波長激光誘導熒光光譜檢測系統研制過程中遇到的上述技術瓶頸問題，本發明將一種具有一維光子帶隙效應導光機制的空心布拉格光纖應用于LD或LED誘導熒光光譜檢測，提出了一種基于空心布拉格光纖的小型化熒光光譜檢測裝置。不同于傳統實心石英光纖利用全反射原理導光，空心布拉格光纖利用一維光子帶隙效應，可以將一定波長范圍(即，光子帶隙范圍)內的入射光波限制在低折射率的中空纖芯中沿光纖軸向實現低損耗傳輸，而對波長處于光子帶隙范圍以外的光波無約束作用。尤其是，空心布拉格光纖可以將波長處于全向光子帶隙范圍內、具有任意入射方向和偏振態的光波都能很好地限制在纖芯中傳輸，因此又稱全向導波光纖。除此以外，若在一維光子晶體包層內引入缺陷層形成橫向諧振結構，空心布拉格光纖的傳輸光譜將會因產生缺陷模而表現出明顯的帶阻濾波器特性。
[0006]本發明克服其技術問題所采用的技術方案是:
一種基于空心布拉格光纖的小型化熒光光譜檢測裝置，包括激發光源、η根空心布拉格光纖、光譜采集模塊以及數據處理與顯示模塊，所述η為正整數，每根空心布拉格光纖內一端存放有待測樣品溶液，設空心布拉格光纖存放待測樣品溶液的一端為Pl端、與Pl端相對的一端為Ρ2端，激發光源設置于與待測樣品溶液對應的區域且垂直照射空心布拉格光纖的側表面使待測樣品產生熒光，光譜采集模塊設置于空心布拉格光纖的Ρ2端以采集熒光信號并將其轉化為電信號，光譜采集模塊由光電倍增管陣列或CCD探測器構成，光電倍增管的數目或CCD探測器面陣尺寸視空心布拉格光纖數目而定，數據處理與顯示模塊與光譜采集模塊的輸出端相連接用于將光譜采集模塊輸出的熒光信息進行后續分析處理后顯示。
[0007]根據本發明優選的，所述每根空心布拉格光纖的Pl端設置有緊貼Pl端光纖端面的平面反射鏡，平面反射鏡的尺寸是空心布拉格光纖橫截面面積的2-3倍，用于將從空心布拉格光纖的Pl端出射的熒光反射回空心布拉格光纖纖芯內，使其從空心布拉格光纖Ρ2端的端面出射而被采集。
[0008]根據本發明優選的，所述空心布拉格光纖被照射區域的背面設置有與激發光源的光束相對的平面反射鏡，以將未被待測樣品溶液吸收的激發光再反射回纖芯吸收。
[0009]根據本發明優選的，所述空心布拉格光纖的橫截面為圓形，沿半徑方向從內到外依次包括中空纖芯、包層和保護層，所述包層由高折射率層和低折射率層共21-61層電介質層交替組成，其中電介質層的總層數為奇數，高折射率層和低折射率層的折射率大小和厚度依據所需的目標光子帶隙范圍而定，兩種不同折射率的包層材料對多波長激發光以及所產生熒光的吸收應盡可能地小;最內層的電介質層和最外層的電介質層是高折射率層，為抑制表面模產生和獲得更低傳輸損耗，最內層的高折射率層和最外層的高折射率層的厚度為其他高折射率層厚度的一半;保護層一般由對多波長激發光呈較低吸收的電介質材料構成，用于提高光纖的機械強度，保護層厚度為100-300μπι。
[0010]根據本發明優選的，所述包層內某一低折射率層的位置上設置有缺陷層，即該包層叫做含缺陷層的包層，缺陷層的折射率大小和厚度依據缺陷模的諧振波長和帶寬(即帶阻濾波器的中心波長和帶寬)而定;所述缺陷層的材料與低折射率層的材料相同或不同，但是對多波長激發光以及所產生熒光的吸收均應盡可能地小，另外缺陷層的折射率低于高折射率層的折射率。
[0011]根據本發明優選的，所述空心布拉格光纖對應激發光照射部分在存放待測樣品溶液之前將保護層去除，這樣能讓更多地激發光透過包層進入纖芯，無保護層部分的空心布拉格光纖長度視激發光照射面積而定。
[0012]根據本發明優選的，所述每根空心布拉格光纖代表一個通道，當只有I個通道時，通道由I個固定波長或多個不同波長的激發光源同時激發；當有I個以上通道時，每個通道均由I個固定波長的激發光源激發，且各通道之間互不影響、各通道使用的激發光波長互不相同。
[0013]根據本發明優選的，所述激發光源包括光源和光源固定裝置，所述光源為LD或LED。所述空心布拉格光纖為具有不同光子帶隙范圍的空心布拉格光纖，其直徑為50-300μm;所述空心布拉格光纖具有三個作用:一是用于存放待測樣品溶液，通過毛細管作用將待測樣品溶液吸附至中空纖芯中；二是代替分立的濾波片，利用光子帶隙效應或缺陷模的橫向諧振效應，濾除未被待測樣品吸收的激發光;三是用于收集所產生的熒光，利用全向光子帶隙效應，將方向性雜亂無章的熒光信號約束在纖芯中沿空心布拉格光纖軸向保持低損耗傳輸;所述空心布拉格光纖的光子帶隙范圍取決于激發光波長和所產生熒光波長，為保證空心布拉格光纖包層能夠順利透過正入射的激發光而更好地限制新產生的熒光，需使激發光波長處于正入射條件下的光子帶隙范圍以外，而熒光波長則處于全向光子帶隙范圍以內。
[0014]本發明的有益效果是:
與現有技術相比，本發明的有益效果主要表現在:
1、空心布拉格光纖作為樣品池的同時，利用自身獨特的光子帶隙效應導波機制或缺陷模的橫向諧振效應，可以有效濾除未被焚光物質充分吸收但因纖芯內壁的反射和散射而導致與纖芯熒光混雜在一起的激發光，從而代替分立的濾波片，有利于檢測系統的進一步小型化；
2、由于所產生的熒光處于空心布拉格光纖的全向光子帶隙范圍內，沿各個方向均有發射的熒光都可以被有效地限制在纖芯中沿光纖軸向傳輸，以較低傳輸損耗到達光譜采集模塊，熒光收集能力較基于全反射原理的石英光纖增強，有利于提高檢測靈敏度；
3、不同于空心石英毛細管作為檢測通道時需要對其表面做遮光處理，空心布拉格光纖利用光子帶隙效應以及外面的保護層可以有效地阻止外界背景光透過空心布拉格光纖包層進入纖芯，因此能夠降低對熒光信號的影響，有利于提高信噪比；
4、直接利用中空纖芯的毛細管作用采集待測樣品溶液，操作簡單易行；
5、無需對多個不同波長的激發光源設置用于位置變換的機械調整和電子控制裝置，有利于檢測裝置結構的簡化和穩定。
[0015]綜上，本發明所述的基于空心布拉格光纖的熒光光譜檢測裝置，為研制小型化、高靈敏度熒光光譜檢測系統開辟了新的技術途徑。
【附圖說明】
[0016]圖1是本發明所述空心布拉格光纖的橫截面結構示意圖，其中(a)是具有常規包層結構的空心布拉格光纖的橫截面結構示意圖；(b)是包層結構中含缺陷層的空心布拉格光纖的橫截面結構示意圖。
[0017]圖2是本發明實施例1中所述基于空心布拉格光纖的小型化熒光光譜檢測裝置的結構示意圖。
[0018]圖3是圖2中A部分沒有平面反射鏡的放大結構示意圖。
[0019]圖4是圖2中A部分設置有平面反射鏡的放大結構示意圖。
[0020]圖5是本發明實施例1中所述具有常規包層的空心布拉格光纖的帶隙結構圖。
[0021]圖6是本發明實施例1中所述具有常規包層的空心布拉格光纖的基模(HE11模)的傳輸損耗曲線。
[0022]圖7是本發明實施例1中所述包層結構中含缺陷層的空心布拉格光纖中基模(HEn模)的傳輸損耗曲線。
[0023]圖8是本發明實施例2中所述激發光源和空心布拉格光纖的環形排布結構示意圖。
[0024]圖9是本發明實施例3中所述基于空心布拉格光纖的小型化熒光光譜檢測裝置的結構示意圖。
[0025]圖中，1、激發光源，2、空心布拉格光纖，3、光譜采集模塊，4、數據處理與顯示模塊，
5、平面反射鏡，11、光源，12、光源固定裝置，21、纖芯，22、包層，23、保護層，221、高折射率層，222、低折射率層，223、缺陷層。
【具體實施方式】
[0026]為了便于本領域人員更好的理解本發明，下面結合附圖和3個實施例對本發明做進一步詳細說明，但不限制本發明，凡在本發明所述技術原理下所做的任何修改和改進，均應視為在本發明保護范圍之內。
[0027]實施例1、
如圖2、3所示，為由6個不同波長的LD或LED作為激發光源的情況，本發明基于空心布拉格光纖的小型化熒光光譜檢測裝置，包括由6個不同波長LD或LED作為光源的多波長激發光源1、6根空心布拉格光纖2(其中對應激發光照射部分在存放待測樣品溶液之前將保護層去除)、光譜采集模塊3以及數據處理與顯示模塊4，激發光源I包括光源11和光源固定裝置12，每根空心布拉格光纖2內一端存放有待測樣品溶液，設空心布拉格光纖存放待測樣品溶液的一端為Pl端、與Pl端相對的一端為P2端，激發光源I設置于與待測樣品溶液對應的區域且垂直照射空心布拉格光纖2的側表面，光譜采集模塊3設置于空心布拉格光纖2的P2端，數據處理與顯示模塊4與光譜采集模塊3的輸出端相連接。如圖1(a)所示，所述空心布拉格光纖2的橫截面為圓形，沿半徑方向從內到外依次包括中空纖芯21、包層22和保護層23，纖芯21的直徑為50-300μ，保護層厚度為100-300μπι，所述包層22由高折射率層221和低折射率層222共21-61層電介質層交替組成，其中電介質層的總層數為奇數(S卩21、23、25……61層)，所述高折射率層221和低折射率層222中所述的“高”和“低”是兩者之間折射率的對比而定義的，折射率高的為高折射率層、折射率低的為低折射率層;最內層的電介質層和最外層的電介質層是高折射率層，為抑制表面模產生和獲得更低傳輸損耗，最內層的高折射率層和最外層的高折射率層的厚度為其他高折射率層厚度的一半。如圖1(b)所示，在圖1(a)具有常規包層結構的基礎上，包層22內某一低折射率層222的位置上設置有缺陷層223，所述缺陷層223的材料與低折射率層222的材料相同或不同且缺陷層223的折射率低于高折射率層221的折射率。
[0028]6束不同波長的激發光直接照射空心布拉格存放待測樣品溶液的側表面，由于波長處于空心布拉格光纖的正入射條件下的光子帶隙范圍以外，沿空心布拉格光纖徑向垂直入射的激發光可以順利透過包層進入中空纖芯21而被其中的被測熒光物質吸收而發出熒光。所產生的熒光波段由于位于空心布拉格光纖2的全向光子帶隙范圍內，沿任何方向發射的熒光均可以被有效地約束在中空纖芯21內部而沿光纖軸向傳輸，直到由空心布拉格光纖P2端輸出經光譜采集模塊3中的光電倍增管陣列或CCD探測器，把熒光信號轉換為電信號，最后經數據處理與顯示模塊4，得到被測樣品溶液的熒光光譜檢測信息。該裝置采用6根空心布拉格光纖構成6個熒光激發和采集通道，相互之間互不影響，光譜采集模塊3采用響應波段不同的光電轉換器件陣列。
[0029]為了充分收集熒光信號，每根空心布拉格光纖2的Pl端設置有緊貼Pl端光纖端面的平面反射鏡5，如圖3所示，平面反射鏡的尺寸是空心布拉格光纖橫截面面積的2-3倍，用于將從空心布拉格光纖的Pl端出射的熒光反射回空心布拉格光纖纖芯內，使其從空心布拉格光纖P2端的端面出射而被采集。為了充分利用激發光，空心布拉格光纖被照射區域的背面設置有與激發光源I的光束相對的平面反射鏡5，如圖4所示，將未被熒光物質吸收的激發光再反射回中空纖芯吸收，該平面反射鏡的設置不是必須的，如果激發光足夠強，被熒光物質吸收的足夠多，可省略該平面反射鏡。
[0030]如果激發光和熒光波長間隔較大，采用具有常規包層的空心布拉格光纖，直接利用其光子帶隙效應濾除少量雖然進入纖芯21但并未被熒光物質吸收的激發光。以羅丹明6G熒光物質為例，其激發光和熒光波長分別為530nm和590nm。采用的具有常規包層的空心布拉格光纖的結構參數為:纖芯21的直徑為200μπι，高折射率層221和低折射率層222的折射率分別為2.74和1.62，厚度分別為56.64nm和113.36nm，包層所含有的電介質層為31層，保護層厚度為150μπι。為了顯示該結構空心布拉格光纖在沿不同角度入射光波下的光子帶隙以及全向光子帶隙結構，圖5給出了采用傳輸矩陣法計算得到的其包層對各角度入射的橫磁(TM)波的反射譜，其中兩條豎線之間的波長范圍即表示全向光子帶隙(反射率大于99%的光譜范圍)，由該圖可以看出，其全向光子帶隙范圍為582-653nm，正入射時的光子帶隙范圍為582-81 lnm。可見，熒光波長處于全向光子帶隙范圍以內，而激發光波長不僅處于正入射光子帶隙范圍以外，而且位于掠入射光子帶隙邊緣，從而使其傳輸損耗遠大于熒光的傳輸損耗。圖6給出了采用射線光學法計算得到的該結構空心布拉格光纖中基模(HE11模)的傳輸損耗，可以看出，激發光和熒光對應的傳輸損耗分別為2.24 X 10—3dB/m和2.83 X 10—5dB/m，相差近兩個數量級。因此，相較于熒光，激發光往往在到達空心布拉格光纖的輸出端P2端之前就因較大傳輸損耗而消耗，幾乎不會進入光譜采集模塊3。
[0031]如果激發光和熒光波長間隔較小，采用包層中含有缺陷層的空心布拉格光纖，利用其中缺陷模的橫向諧振效應濾除少量雖然進入纖芯21但并未被熒光物質吸收的激發光。以羅丹明B熒光物質為例，其激發光和熒光波長分別為555nm和580nm。采用的包層含有缺陷層的空心布拉格光纖的結構參數為:纖芯直徑為200μπι，高折射率層221和低折射率層222的折射率分別為2.74和1.62，厚度分別為54.97nm和110.03nm，缺陷層223折射率同為1.62，厚度為211.25nm，包層所含有的電介質層為31，缺陷層223位于第10層，保護層厚度為150μπι。采用與圖5同樣的方法，可以計算得到全向光子帶隙范圍為565-633nm，正入射時的光子帶隙范圍為565-787nm，可見，熒光波長處于全向光子帶隙范圍以內，而激發光波長處于正入射光子帶隙范圍以外。為了濾除纖芯中未被熒光物質吸收的激發光，需利用由缺陷模的橫向諧振效應而導致的帶阻濾波特性。圖7給出了采用射線光學法計算得到的含有缺陷層的空心布拉格光纖中基模(HEn模)的傳輸損耗，可以看出，由于缺陷模的存在，在基模低損耗傳輸帶內產生了損耗較大的諧振峰，對應中心波長恰好為555nm，此時，激發光和熒光對應的傳輸損耗分別為I.28dB/m和1.63 X 10—4dB/m，因此可以極其有效地使激發光因巨大的傳輸損耗而消耗，從而不會進入光譜采集模塊。
[0032]實施例2、
除了采用實施例1中如圖3(或圖4)所示的6個激發光源和空心布拉格光纖的線形排布結構外，還可以采用如圖8所示的環形排布結構。具體采用何種排布結構，應當根據激發光源尺寸、空心布拉格通道數目和熒光檢測環境等多種因素綜合考慮。實施例1和本實施例2中所提出的兩種激發光誘導熒光光譜檢測裝置結構均屬于多通道結構，并且是多通道激發和多通道熒光采集，每個通道內的被測樣品溶液可以相同，也可以不同，可以視檢測需求而定。由于各通道之間互不影響，這兩種結構設計都便于多波長激發光源和檢測通道的靈活增減。與現有的多波長LD或LED誘導熒光光譜檢測裝置中采用安裝在電動輪盤上的激發光源陣列相比，采用本發明所述的多通道結構，無需設置機械轉動裝置和控制電路，簡化了整個系統結構，提高了系統檢測的穩定性，尤其適合于利用多波長掃描技術進行多組分檢測，采集多組分三維熒光光譜數據。
[0033]實施例3、
為了進一步簡化裝置結構，可采用多個不同波長的LD或LED光源共用同I根空心布拉格光纖2作為激發和熒光采集通道。如圖9所示，給出了 3個不同波長的LD或LED光源共用一個光纖通道的情況。
[0034]以上僅描述了本發明的基本原理和優選實施方式，本領域人員可以根據上述描述作出許多變化和改進，這些變化和改進應該屬于本發明的保護范圍。
【主權項】
1.一種基于空心布拉格光纖的小型化熒光光譜檢測裝置，其特征在于:包括激發光源(l)、n根空心布拉格光纖(2)、光譜采集模塊(3)以及數據處理與顯示模塊(4)，所述η為正整數，每根空心布拉格光纖(2)內一端存放有待測樣品溶液，設空心布拉格光纖存放待測樣品溶液的一端為Pl端、與Pl端相對的一端為Ρ2端，激發光源(I)設置于與待測樣品溶液對應的區域且垂直照射空心布拉格光纖(2)的側表面使待測樣品產生熒光，光譜采集模塊(3)設置于空心布拉格光纖(2)的Ρ2端以采集熒光信號并將其轉化為電信號，數據處理與顯示模塊(4)與光譜采集模塊(3)的輸出端相連接。2.根據權利要求1所述的檢測裝置，其特征在于:所述每根空心布拉格光纖(2)的Pl端設置有緊貼Pl端光纖端面的平面反射鏡(5)。3.根據權利要求1或2所述的檢測裝置，其特征在于:所述空心布拉格光纖(2)被照射區域的背面設置有與激發光源(I)的光束相對的平面反射鏡(5)。4.根據權利要求1所述的檢測裝置，其特征在于:所述空心布拉格光纖(2)的橫截面為圓形，沿半徑方向從內到外依次包括中空纖芯(21)、包層(22)和保護層(23)，所述包層(22)由高折射率層(221)和低折射率層(222)共21-61層電介質層交替組成，其中電介質層的總層數為奇數;最內層的電介質層和最外層的電介質層是高折射率層且該最內層的高折射率層和最外層的高折射率層的厚度為其他高折射率層厚度的一半。5.根據權利要求4所述的檢測裝置，其特征在于:所述包層(22)內某一低折射率層(222)的位置上設置有缺陷層(223);所述缺陷層(223)的材料與低折射率層(222)的材料相同或不同，且缺陷層(223)的折射率低于高折射率層(221)的折射率。6.根據權利要求4或5所述的檢測裝置，其特征在于:所述空心布拉格光纖(2)對應激發光照射部分在存放待測樣品溶液之前將保護層(23)去除。7.根據權利要求1所述的檢測裝置，其特征在于:所述每根空心布拉格光纖(2)代表一個通道，當只有I個通道時，通道由I個固定波長或多個不同波長的激發光源(I)同時激發；當有I個以上通道時，每個通道均由I個固定波長的激發光源(I)激發，且各通道之間互不影響、各通道使用的激發光波長互不相同。8.根據權利要求1所述的檢測裝置，其特征在于:所述激發光源(I)包括光源(11)和光源固定裝置(12)，所述光源(11)為LD或LED;所述空心布拉格光纖(2)為具有不同光子帶隙范圍的空心布拉格光纖。
【文檔編號】G01N21/64GK105911036SQ201610238333
【公開日】2016年8月31日
【申請日】2016年4月18日
【發明人】尚亮
【申請人】曲阜師范大學