本發(fā)明涉及的是一種光譜探針，本發(fā)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(xù)波長的寬譜光照射一物質(zhì)時，該物質(zhì)的分子就要吸收一部分對應頻率的光能，并將其轉(zhuǎn)變成另一種能量，即分子的振動能量和轉(zhuǎn)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(shù)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(zhì)的吸收光譜圖。利用這些信號可以實現(xiàn)被測物質(zhì)的組成和結(jié)構(gòu)的定性、定量分析。因此物質(zhì)的吸收光譜在分析化學，生物醫(yī)學，環(huán)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(zhì)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(fā)方向和透射光收集方向，而且激發(fā)效率不高。

為了精確地實現(xiàn)細胞、微量液體和痕量物質(zhì)等尺寸只有微米量級的物質(zhì)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(zhì)的大小在微米尺度，與物質(zhì)相互作用的光斑只有處于微納尺度，才能實現(xiàn)空間的高精度分辨。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種用于高效激發(fā)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(fā)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(fā)明的纖維集成透射吸收式光譜探針包括環(huán)形芯光纖，所述環(huán)形芯光纖端面通過精細研磨形成一個旋轉(zhuǎn)對稱反射光學結(jié)構(gòu)，在旋轉(zhuǎn)對稱反射光學結(jié)構(gòu)上鍍有一層反射膜，在環(huán)形芯光纖的端面刻蝕有一個盛放微納尺寸物質(zhì)的凹槽；所述旋轉(zhuǎn)對稱反射光學結(jié)構(gòu)能夠?qū)Νh(huán)形芯光纖的環(huán)形芯傳輸?shù)膶捵V光進行反射并強聚焦于盛放在凹槽內(nèi)的微納尺寸物質(zhì)上，透過微納尺寸物質(zhì)的光再經(jīng)由旋轉(zhuǎn)對稱反射光學結(jié)構(gòu)反射回到環(huán)形芯中反向傳輸，環(huán)形芯反向傳輸?shù)耐干涞墓庑盘柾ㄟ^拉錐耦合區(qū)耦合進多模光纖中，經(jīng)由環(huán)形器傳輸至光譜儀中進行吸收光譜分析。

本發(fā)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(zhuǎn)對稱反射光學結(jié)構(gòu)為旋轉(zhuǎn)對稱平面反射匯聚結(jié)構(gòu)，由精細研磨在環(huán)形芯光纖端面而形成底角為45°的圓錐臺。

2、所述的旋轉(zhuǎn)對稱反射光學結(jié)構(gòu)為旋轉(zhuǎn)對稱弧面反射聚焦結(jié)構(gòu)，由精細研磨在環(huán)形芯光纖端面而形成底角為45°的圓錐臺再進行弧面優(yōu)化，形成曲率半徑為R的旋轉(zhuǎn)對稱弧面圓錐臺。

3、通過三端口環(huán)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(huán)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(gòu)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(jīng)由環(huán)形器后傳輸至拉錐耦合區(qū)，將寬譜光耦合進纖維集成透射吸收式光譜探針，環(huán)形芯光纖反向傳輸?shù)耐干涔饨?jīng)過拉錐耦合區(qū)耦合進入多模光纖，再經(jīng)由環(huán)形器傳輸至光譜儀。

本發(fā)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(huán)形芯光纖放置于光纖端研磨臺的光纖夾具上，調(diào)整環(huán)形芯光纖與研磨臺夾角至45°，進行環(huán)形芯光纖端平面旋轉(zhuǎn)對稱錐臺結(jié)構(gòu)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(huán)形芯光纖放入鍍膜機中，使研磨好的錐臺側(cè)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(huán)形芯光纖尖端的中間芯處刻蝕凹槽。

本發(fā)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(yōu)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(diào)節(jié)光纖的俯仰角，對步驟一中粗磨的旋轉(zhuǎn)對稱錐臺結(jié)構(gòu)進行弧面優(yōu)化，使其研磨至具有弧度的旋轉(zhuǎn)對稱弧面反射聚焦結(jié)構(gòu)。

本發(fā)明針對于微生物、細胞、微量液體、痕量物質(zhì)等微納尺寸的物質(zhì)，提出了一種用于高效激發(fā)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(fā)明采用的是環(huán)形芯光纖，其纖端經(jīng)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(zhì)，精細研磨而成的旋轉(zhuǎn)對稱錐臺結(jié)構(gòu)能將環(huán)形芯傳輸?shù)募ぐl(fā)光聚焦于凹槽中的物質(zhì)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(zhì)充分相互作用，作用效率很高，得到較為完整的物質(zhì)相關吸收譜信息。與物質(zhì)相互作用后的透射光又能從錐臺結(jié)構(gòu)反射回環(huán)形芯，經(jīng)環(huán)形芯傳輸至拉錐耦合區(qū)，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(zhì)的透射吸收光譜。本發(fā)明可用于測量微量物質(zhì)的透射吸收光譜，例如：單細胞吸收、痕量物質(zhì)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(tǒng)示意圖。

圖2a是環(huán)形芯光纖截面示意圖；圖2b是環(huán)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(jié)構(gòu)示意圖，圖3a為旋轉(zhuǎn)對稱平面錐臺結(jié)構(gòu)；圖3b為優(yōu)化后的旋轉(zhuǎn)對稱弧面錐臺結(jié)構(gòu)。

圖4是弧面優(yōu)化的方法示意圖。

圖5是旋轉(zhuǎn)對稱平面錐臺結(jié)構(gòu)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(yōu)化弧面曲率半徑R變化的關系曲線圖。

圖7優(yōu)化弧面曲率半徑為R＝100μm的旋轉(zhuǎn)對稱弧面結(jié)構(gòu)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(huán)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(jié)合附圖舉例對本發(fā)明做更詳細的描述：

結(jié)合圖1，本發(fā)明的纖維集成透射吸收式光譜探針1是通過對環(huán)形芯光纖端面進行精細研磨，形成一個旋轉(zhuǎn)對稱，底角為45°的錐臺1-3，然后對錐臺進行弧面優(yōu)化，形成旋轉(zhuǎn)對稱弧面錐臺結(jié)構(gòu)，接著在研磨好的結(jié)構(gòu)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(zhì)的凹槽1-2。所述環(huán)形芯光纖探針1端面旋轉(zhuǎn)對稱結(jié)構(gòu)1-3能夠?qū)Νh(huán)形芯1-1傳輸?shù)膶捵V光1-4進行反射并強聚焦于盛放在凹槽1-2內(nèi)的物質(zhì)4上，并與之充分相互作用，透過物質(zhì)4的光再經(jīng)由旋轉(zhuǎn)對稱結(jié)構(gòu)1-3反射，回到環(huán)形芯1-1中反向傳輸。這時候環(huán)形芯1-1反向傳輸?shù)膭t是與物質(zhì)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(qū)7，耦合進多模光纖2中，經(jīng)由環(huán)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(huán)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(zhì)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(zhuǎn)對稱反射光學結(jié)構(gòu)1-3的形式有如下兩種，1)旋轉(zhuǎn)對稱平面反射匯聚結(jié)構(gòu)；2)旋轉(zhuǎn)對稱弧面反射聚焦結(jié)構(gòu)。

1)旋轉(zhuǎn)對稱平面反射匯聚結(jié)構(gòu)：其結(jié)構(gòu)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?qū)Νh(huán)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(zhì)4充分相互作用，相互作用后的透射光1-5將會再次經(jīng)由錐臺形端面1-3反射進環(huán)形芯1-1內(nèi)反向傳輸。

2)旋轉(zhuǎn)對稱弧面反射聚焦結(jié)構(gòu)：其結(jié)構(gòu)與1)的不同之處在于其反射面是曲率半徑為R的旋轉(zhuǎn)對稱弧面圓錐臺。這樣的旋轉(zhuǎn)對稱弧面結(jié)構(gòu)能使寬譜光在凹槽內(nèi)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(zhì)的相互作用更加充分。

本發(fā)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(zhì)，精細研磨而成的旋轉(zhuǎn)對稱錐臺結(jié)構(gòu)能將環(huán)形芯傳輸?shù)募ぐl(fā)光聚焦于凹槽中的物質(zhì)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(zhì)充分相互作用，作用效率很高，得到較為完整的物質(zhì)相關吸收譜信息。與物質(zhì)相互作用后的透射光又能從錐臺結(jié)構(gòu)反射回環(huán)形芯，經(jīng)環(huán)形芯傳輸至拉錐耦合區(qū)7，經(jīng)過環(huán)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(huán)形芯光纖放置于光纖端研磨臺9的光纖夾具8上，調(diào)整環(huán)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(zhuǎn)對稱結(jié)構(gòu)圓臺的研磨，將錐臺的底角粗磨至45°附近。

步驟二：錐體優(yōu)化精磨。在步驟一粗磨的基礎上，在研磨的同時調(diào)節(jié)光纖的俯仰角，對步驟一中粗磨的旋轉(zhuǎn)對稱平面結(jié)構(gòu)進行弧面優(yōu)化，使其研磨至具有最佳弧度的旋轉(zhuǎn)對稱弧面反射聚焦結(jié)構(gòu)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(cè)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(huán)形芯光纖，其中圖2a是環(huán)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(fā)明在此種光纖纖端進行微結(jié)構(gòu)加工，得到如圖3所示的探針結(jié)構(gòu)。本發(fā)明對環(huán)形芯的纖端進行精細研磨，形成一個底角為45°的旋轉(zhuǎn)對稱圓錐臺結(jié)構(gòu)1-3，然后在其錐臺結(jié)構(gòu)1-3的側(cè)面鍍上一層反射膜1-6；在環(huán)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(zhì)4。

結(jié)合圖1，本發(fā)明的工作原理為：使用一個三端口環(huán)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(huán)形芯光纖探針1相連接，其中與環(huán)形芯光纖探針1連接點處采用拉錐耦合7的方式，實現(xiàn)普通單芯多模光纖2與環(huán)形芯光纖探針1的光路耦合。寬譜光1-4經(jīng)普通多模光纖2從寬譜光源5引出，經(jīng)過三端口環(huán)形器3傳輸并耦合進環(huán)形芯光纖探針1中傳輸，寬譜光1-4傳輸至旋轉(zhuǎn)對稱錐臺結(jié)構(gòu)1-3的鍍膜反射面1-6上，發(fā)生反射，反射光將從各個方向匯聚于凹槽1-2內(nèi)的物質(zhì)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(zhì)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(jīng)由旋轉(zhuǎn)對稱錐臺結(jié)構(gòu)1-3反射回環(huán)形芯1-1，經(jīng)由環(huán)形芯1-1反向傳輸。透射光經(jīng)過耦合區(qū)7和環(huán)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(zhuǎn)對稱平面反射匯聚結(jié)構(gòu)示意圖。這里利用comsol軟件對該反射結(jié)構(gòu)建立了平均功率分布模型(即環(huán)形芯內(nèi)的能量滿足軸對稱徑向高斯分布)。計算結(jié)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?qū)崿F(xiàn)光與物質(zhì)的充分相互作用。圖3b是弧面優(yōu)化后的纖維集成透射吸收式光譜儀探針的旋轉(zhuǎn)對稱弧面錐臺反射匯聚結(jié)構(gòu)示意圖，其優(yōu)化方法如圖4所示：先將環(huán)形芯光纖的纖端研磨至底角為45°的旋轉(zhuǎn)對稱平面圓錐臺結(jié)構(gòu)，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(yōu)化研磨。同樣，本發(fā)明利用comsol對優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)進行了計算分析，其中優(yōu)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(yōu)化的曲率半徑的變化關系圖(圖6)，由圖6可以看出，優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)具有更好的聚焦效果，其中曲率半徑為R＝100μm時優(yōu)化效果最好，聚焦光斑相比較旋轉(zhuǎn)對稱平面結(jié)構(gòu)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(zhì)吸收光譜的測量。

圖8表示的是環(huán)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(nèi)注光，然后再在焊接區(qū)熔融拉錐，當環(huán)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(xiàn)環(huán)形芯和多模光纖中的光的耦合。

下面舉一例說明本發(fā)明的制作過程：

圖9展示的是本發(fā)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(zhuǎn)動，光纖夾具8除了能沿其軸轉(zhuǎn)動外，還可以調(diào)整其俯仰角度，用于錐臺的弧面優(yōu)化。本發(fā)明首先對環(huán)形芯光纖進行端面切割，接著將其放置在光纖夾具8上，調(diào)整至適當?shù)奈恢?，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(diào)節(jié)光纖的俯仰角，以對光纖端進行錐體優(yōu)化精磨。等完成優(yōu)化精磨后，對其進行拋光、清洗并在其旋轉(zhuǎn)對稱錐臺結(jié)構(gòu)1-3側(cè)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(zhì)的凹槽1-2。這樣便制得了本發(fā)明所述的纖維集成透射吸收光譜探針。