[发明专利]基于双锥形光纤渐逝波耦合的光纤拉曼传感检测装置

说明书

技术领域：

本发明涉及一种基于熔融双锥形光纤渐逝波耦合效应的光纤拉曼传感检测装置，属光学纤维及传感器技术领域。

背景技术：

同已有的检测技术相比，拉曼光谱技术的主要优势在于；无需对待测物质进行任何方式取样预处理，就能得到丰富的有关分子振动以及分子结构的信息。但在通常情况下，由于分子或原子的拉曼光散射强度较小，仅为入射光的10^-10，同时与本质上更强的荧光信号重叠，从而限制了其潜在的应用。直到1974年，Fleischmann等人首次发现了表面增强拉曼散射(Surface-enhanced Raman scattering，SERS)效应。1977年Jeanmaire和Van Duyne对该现象的本质进行了研究，指出这是一种与粗糙表面相关的表面增强效应。表面增强拉曼散射效应的发现使得人们可以从金属表面，尤其是诸如金、银、铜等金属表面，获得巨大的拉曼散射增强信号，从而可轻而易举地获取高质量的表面分子拉曼信号，在生物、医药、工业、纳米材料、国防科技等领域大大拓宽了其应用范围，并扮演着越来越重要的角色。

近年来，随着激光器、光纤和频谱扫描技术的发展，为了实现实时，在线，抗电磁干扰、远距离多点网络化、低浓度、高精度等的监测需求，将表面增强拉曼光谱技术、纳米合成技术以及光纤传输技术相结合的光纤表面增强拉曼光谱技术孕育而生。目前已有的光纤SERS探针主要有纳米结构蜂巢方案、空心波导方案、D型光纤方案、以及活性液芯方案等，它们都通过光纤实芯内的全反射传输光，纳米金属颗粒附着在光纤端面或者纤芯表面，利用传输光能量获取光纤端面或者纤芯表面的拉曼散射信号。

发明内容

本发明的目的在于针对已有技术存在的缺陷，提供一种基于双锥形光纤渐逝波耦合的光纤拉曼传感检测装置。该装置具有结构简单，制造方便，成本低，无需预处理等优点，适用于需要实时、远距离、高精度、低浓度物质检测等场合。

为达到上述目的，本发明的构思是：

为了充分体现拉曼光谱对于物质组成及结构表征和光纤技术远距离、在线检测技术的优势，本发明将表面增强拉曼散射与熔融拉锥光纤相结合，构成用于液体或者气体分子检测的光纤拉曼传感器。拉曼光谱由于本身的低强度，需要一种增强技术以改善检测的难度。表面增强拉曼散射技术主要是依靠表面粗糙化的金、银或者铜等金属溶胶的纳米特性，以极大地增强吸附在金属纳米粒子表面的待测分子的拉曼散射截面，从而极大地增强该待测分子的拉曼散射光强度。光纤熔融拉锥是一种技术上比较成熟的传感技术，它基于光纤渐逝波及其耦合理论。采用熔融拉锥光纤作为传感头，得到具有耦合效应的渐逝波能量。当将熔锥光纤置于待测液体或者气体中时，部分待测液体或者气体分子将吸附在熔锥光纤表面的金属纳米粒子层上。该金属纳米粒子层通过化学合成方法获得，合成方法简单经济。通过离心、化学清洗和筛选，获得符合要求的金属纳米粒子，用APTMS等粘结剂，将金属纳米粒子均匀地固化在光纤锥区表面，从而获得具有纳米粗糙尺度的表面增强拉曼散射锥形光纤传感头。在正常使用时，首先将激发光源耦合进锥形光纤中，当光通过光纤锥区时，部分能量以渐逝波的形式透射入锥区微米量级的表面深度，激发该区域内的待测分子，得到经金属纳米粒子增强的拉曼散射信号，并随渐逝波耦合至光纤中传输，然后直接传送至拉曼光谱仪。

根据上述构思，本发明采用下述技术方案：

一种基于双锥形光纤渐逝波耦合的光纤拉曼传感检测装置，包括一个单色光源和一个高灵敏拉曼光谱仪，其特征在于：所述单色光源，先后经过一个偏振片、一个聚焦透镜、一个光纤耦合平台和一个熔融拉锥光纤连接至所述高灵敏拉曼光谱仪，所述熔融拉锥光纤置于待测溶液中；在所述的熔融拉锥光纤的锥区部分，渐逝波激发光纤表面金属纳米粒子层所吸附的待测溶液分子，使其产生拉曼光谱，并经光纤锥区耦合回光纤中，传送至所述的高灵敏拉曼光谱仪，探测所述待测溶液分子的拉曼光谱。

上述熔融拉锥光纤的结构是：由一根单模或多模光纤熔融拉锥成双锥形耦合区段，其双锥形耦合区段的长度为14mm～40mm，熔融拉锥后的双锥形光纤，其两端各有其纤芯和包层，可分别作为激发光的输入端口和拉曼散射光谱输出端口。在双锥形耦合区段外层涂敷有经化学合成、清洗及筛选的金、银或者铜等金属纳米粒子层，当所述熔融拉锥光纤置入待测溶液或者气体中时，双锥区域表面的金属纳米粒子层上就会吸附有部分待测液体或者气体的分子，当渐逝波透射到光纤表面时，就能激发这部分待测分子，产生拉曼散射。