[发明专利]光纤探测器

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于光谱学上的光纤探测器。该探测器包括一根或多根光纤以及光输入/输出耦合器，该光输入/输出耦合器分别用于将光耦合到光纤和将来自同一光纤的光耦合输出。光耦合器设在光纤或光纤束的一端，此后称该端为近端。

背景技术

用于光谱学的光纤探测器在该领域内被广泛公知。通常这样的光纤探测器包括第一光纤或第一光纤束以将光从探测器近端导向探测器远端，以及用于将光导向回探测器近端的第二光纤或第二光纤束。光感测元件如衰减全反射感测元件或透射/反射(Trans-Reflex)元件设在光纤探测器的远端。为了确定样品的光谱特性，光感测元件通常设为与样品相互作用的方式，这样进入到光感测元件的光被样品改变并将其反射回到光纤束的光纤中，所以它最终从光纤或光纤束的近端发射出来，能够通过分析检测器元件如基于衍射光栅的光谱计、傅里叶变换干涉仪或具有相关光电管的光谱过滤器，或检测器的阵列来分析它们。

这种探测器的实例公开于US 5,754,722。

发明内容

本发明的目的是提供一种改进的光谱探测器，其具有高效率，小直径及高度灵活性。

根据本发明，该目的通过具有光输入/输出耦合器的双向光导纤维光谱探测器达到。该探测器包括单一光纤或光纤束，每个光纤具有近端、远端以及数值孔径NA＝sinθ。该数值孔径NA描述了光纤的近端能够接收或发射光的角度范围。该数值孔径取决于纤维芯的折射率n并且由NA＝n＊sinθ给定。θ为受光角被定义为光纤在其近端的接受锥角的半角。

光耦合器是一种输入/输出耦合器，它设在与近端相邻或接近处，用于将光耦合到所述近端并聚集来自光纤或光纤束的所述近端的光。双向光导纤维光谱探测器还包括设在与光纤探测器的所述远端相邻或接近处的光感测元件。该光感测元件适于检测待与所述感测元件接触或接近的样品的光谱性质。

输入/输出耦合器用于将高阶模式的光线耦合到光纤的近端并使低阶模式的光线传给分析感测元件。光输入/输出耦合器包括输入耦合装置，它用于以介于θ和θ/x之间的入射角将光耦合到所述光纤或所述光纤束的所述近端，其中x在1到10之间的范围内。该光输入/输出耦合器还包括输出耦合装置，它用于聚集来自光纤或光纤束的近端的角度小于θ/x的光。因此，该输入/输出光耦合器用于将较高阶模式的光耦合到所述光纤或光纤束并聚集来自所述光纤或所述光纤束的所述近端的相对低阶模式的光。

光纤或光纤束的每根光纤用做于转换器，它将沿光纤传播光的光模式从相对较高阶模式转换为相对较低阶模式。θ/x是输入/输出分离角。每根光纤能够被看作是空间滤波器，当光沿所述光纤传播并从远端和所述光感测元件反射时，它使所述相对较高阶模式的光衰减至并至少部分地将其功率重定向至所述相对低阶模式的光。

换句话说，要求保护的发明利用了当光沿光纤传播时，光纤能够集中较高阶模式的光并将较高阶模式的光转换为较低阶模式的光的作用。这使得耦合入具有相对高能的较高阶模式的光以及重新获得具有较低阶光模式的高能量信号成为可能。利用空间滤波器的特性使更多的光并且因此更高的光能输入耦合到所述光纤成为可能同时受益于单一光纤的优点，它用于将光传给光感测元件及此后反射回到探测器的近端。总而言之，至少，不需要如在通常的探测器中使用两根光纤-一根光纤传输光而另一根聚集从感测元件返回的光-就能够改善信噪比。因此，排除了在混合光纤束中两根或多根光纤的需要及使用大尺寸光学元件(像昂贵的金刚石衰减全反射元件)的需要。结果基本上能够减小探测器的直径及价格，同时探测器将会更加柔韧并且能够用于微反应器，用于人体内镜检查术甚至血管内部。因此，改进了探测器的信噪比中的效率同时基本上改进了其它所有的探测器参数。

由于仅使用单一光纤传播光并聚集来自单通道光谱计的远端检测器元件的光的能力而产生了其它优点。本发明也可应用于多通道光谱计其中每个光纤如上所描述被使用。

在优选的实施方式中，光纤光谱探测器包括单一光纤用于将耦合到所述单一光纤的所述近端的光导向在所述单一光纤的远端的所述光感测元件并从所述光感测元件返回到所述单一光纤的所述近端。单一光纤用作为将从较高阶光模式转换较低阶光模式的传播光模式转换器，因此通过光耦合器，将耦合入所述光纤的光从出自所述光纤的光中分离出来。耦合到所述光纤中的光来自于光源。来自所述光纤的光已通过在光纤的远端的感测元件。因此，光纤探测器的典型输出耦合效率能够超过在光纤近端使用分束器或Y-光纤分路器时所能达到效率，其在最佳案例中提供不超过50％的最大效率(参阅DE 10034220A1的图5)。