本發(fā)明專利技術(shù)公開了一種自由空間微腔拉曼激光傳感裝置及其傳感方法。本發(fā)明專利技術(shù)的傳感裝置包括：激光光源、第一聚焦物鏡、光學(xué)微腔、第二聚焦物鏡、第一準(zhǔn)直透鏡、第二準(zhǔn)直透鏡、第一光電探測器、示波器、濾波片、第三聚焦物鏡、第二光電探測器和基礎(chǔ)頻譜分析儀。本發(fā)明專利技術(shù)通過自由空間可調(diào)頻激光激發(fā)光學(xué)微腔的拉曼激光，通過觀測拉曼激光的拍頻頻率，得出吸附在光學(xué)微腔表面的納米級尺寸粒子的信息；在自由空間拉曼激光傳感技術(shù)中，回音壁模式和拉曼激光通過可調(diào)頻激光器在由自由空間直接激發(fā)，通過規(guī)避由于光纖錐的引入而帶來的技術(shù)問題，提高了裝置的靈活性，降低了信噪比，從而提高了傳感裝置的靈敏度，降低了檢測極限。
【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】
本專利技術(shù)涉及拉曼激光傳感技術(shù)，尤其涉及。
技術(shù)介紹
現(xiàn)有的光學(xué)微腔拉曼激光傳感技術(shù)通過光纖錐將倏逝波耦合到光學(xué)微腔中激發(fā)回音壁模式，如圖1所示，回音壁模式激發(fā)拉曼激光，當(dāng)有納米級尺寸粒子吸附到光學(xué)微腔的表面時(shí)，拉曼激光拍頻的頻率產(chǎn)生變化，從這種變化中解讀出納米級尺寸粒子的信息。光纖錐由普通光纖拉制而成，首先普通光纖的保護(hù)層被去除，并轉(zhuǎn)移到可移動(dòng)平臺(tái)上，通過氫氧焰融化光纖，進(jìn)而拉制出直徑為百納米級的光纖錐。光纖錐中注入可調(diào)頻激光，并慢慢靠近光學(xué)微腔的邊緣，當(dāng)兩者之間的距離進(jìn)入倏逝波場，并且倏逝波與回音壁模式的波長相同時(shí)，光纖錐中的倏逝波將耦合進(jìn)光學(xué)微腔激發(fā)回音壁模式，由于光學(xué)微腔的高品質(zhì)因子，回音壁模式可以激發(fā)低閾值拉曼激光。沿相反方向傳播的拉曼激光耦合產(chǎn)生拍頻，當(dāng)納米級尺寸粒子吸附在光學(xué)微腔的表面時(shí)，拍頻的頻率發(fā)生變化，通過監(jiān)測這種變化，形成測量納米級尺寸粒子的數(shù)量和尺寸的傳感機(jī)制。在通過光纖錐的倏逝波激發(fā)光學(xué)微腔的回音壁模式，從而實(shí)現(xiàn)拉曼激光的傳感技術(shù)中，主要有三個(gè)技術(shù)問題無法避免:首先，為了保證光纖錐和光學(xué)微腔的耦合效率，需要嚴(yán)格控制兩者之間的距離，而光纖錐的納米級尺寸使得其極易受周圍環(huán)境的影響，比如空氣流動(dòng)，溫度變化等，使得光纖錐和光學(xué)微腔間的耦合條件發(fā)生變化，進(jìn)入輸出信號(hào)(拉曼拍頻)降低信噪比，甚至導(dǎo)致對納米級尺寸粒子信息的錯(cuò)誤解讀；其次，百納米級尺寸的光纖錐易斷，增加了技術(shù)的操作難度；最后，由于回音壁模式的產(chǎn)生依賴于光纖錐，增加了該技術(shù)運(yùn)用到集成芯片工藝中的難度。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
針對以上現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，本專利技術(shù)提出了，通過自由空間可調(diào)頻激光激發(fā)光學(xué)微腔的拉曼激光，進(jìn)而觀測拉曼激光的拍頻頻率，得出吸附在光學(xué)微腔表面的納米級尺寸粒子的信息。本專利技術(shù)的一個(gè)目的在于提供一種自由空間光學(xué)微腔拉曼激光傳感裝置。本專利技術(shù)的得到回音壁模式的波長范圍與分析拉曼激光拍頻可以采用收集同一個(gè)出射光方向的出射光，也可以米用收集不同的出射光方向的出射光。采用收集同一個(gè)出射光方向的出射光，本專利技術(shù)的自由空間光學(xué)微腔拉曼激光傳感裝置包括:激光光源、第一聚焦物鏡、光學(xué)微腔、第二聚焦物鏡、第一準(zhǔn)直透鏡、光纖分束器、第一光電探測器、示波器、第二準(zhǔn)直透鏡、濾波片、第三聚焦物鏡、第二光電探測器和基礎(chǔ)頻譜分析儀；其中，在光學(xué)微腔的表面附著有納米級尺寸粒子；光學(xué)微腔為非旋轉(zhuǎn)對稱的介質(zhì)實(shí)心體，具有高品質(zhì)因子的回音壁模式，并且實(shí)現(xiàn)激光定向性出射；激光光源提供寬帶掃頻激光，經(jīng)過第一聚焦物鏡將激光耦合進(jìn)光學(xué)微腔，激發(fā)光學(xué)微腔的回音壁模式；由設(shè)置在出射光方向的第二聚焦物鏡收集，經(jīng)過第一準(zhǔn)直透鏡進(jìn)入光纖分束器，一部分光信號(hào)通過第一光電探測器轉(zhuǎn)化成電信號(hào)，進(jìn)入示波器進(jìn)行分析，得到回音壁模式的波長范圍；激光光源發(fā)射回音壁模式的波長范圍內(nèi)的高功率激光，經(jīng)過第一聚焦物鏡將激光耦合進(jìn)光學(xué)微腔，激發(fā)光學(xué)微腔的回音壁模式；回音壁模式激發(fā)附著有納米級尺寸粒子的光學(xué)微腔的拉曼激光；在出射光方向設(shè)置第二聚焦物鏡，收集出射光，出射光包括激光、回音壁模式和拉曼激光；出射光經(jīng)過第一準(zhǔn)直透鏡進(jìn)入光纖分束器，一部分光信號(hào)通過第二準(zhǔn)直透鏡，由濾波片濾掉激光和回音壁模式，由第三聚焦物鏡收集進(jìn)入第二光電探測器轉(zhuǎn)化成電信號(hào)，進(jìn)入基礎(chǔ)頻譜分析儀，分析拉曼激光拍頻的頻率信息，從頻率信息解讀吸附在光學(xué)微腔表面的納米級尺寸粒子信息。采用收集不同出射光方向的出射光，本專利技術(shù)的自由空間光學(xué)微腔拉曼激光傳感裝置包括:激光光源、第一聚焦物鏡、光學(xué)微腔、第二聚焦物鏡、第一準(zhǔn)直透鏡、第二準(zhǔn)直透鏡、第一光電探測器、示波器、濾波片、第三聚焦物鏡、第二光電探測器和基礎(chǔ)頻譜分析儀；其中，在光學(xué)微腔的表面附著有納米級尺寸粒子；光學(xué)微腔為非旋轉(zhuǎn)對稱的介質(zhì)實(shí)心體，具有高品質(zhì)因子的回音壁模式，并且實(shí)現(xiàn)激光定向性出射；激光光源提供寬帶掃頻激光，經(jīng)過第一聚焦物鏡將激光耦合進(jìn)光學(xué)微腔，激發(fā)光學(xué)微腔的回音壁模式；由設(shè)置在一個(gè)出射光方向的聚焦物鏡收集，經(jīng)過第二準(zhǔn)直透鏡后，通過第一光電探測器轉(zhuǎn)化成電信號(hào)，進(jìn)入示波器進(jìn)行分析，得到回音壁模式的波長范圍；激光光源發(fā)射回音壁模式的波長范圍內(nèi)的高功率激光，經(jīng)過第一聚焦物鏡將激光耦合進(jìn)光學(xué)微腔，激發(fā)光學(xué)微腔的回音壁模式；回音壁模式激發(fā)附著有納米級尺寸粒子的光學(xué)微腔的拉曼激光；在另一個(gè)出射光方向設(shè)置第二聚焦物鏡，收集出射光，出射光包括激光、回音壁模式和拉曼激光；出射光經(jīng)過第一準(zhǔn)直透鏡后，由濾波片濾掉激光和回音壁模式，由第三聚焦物鏡收集進(jìn)入第二光電探測器轉(zhuǎn)化成電信號(hào)，進(jìn)入基礎(chǔ)頻譜分析儀，分析拉曼激光拍頻的頻率信息，從頻率信息解讀吸附在光學(xué)微腔表面的納米級尺寸粒子信息。光學(xué)微腔采用非旋轉(zhuǎn)對稱的介質(zhì)實(shí)心體，比如變形微芯圓環(huán)或變形球腔等，支持高品質(zhì)因子的回音壁模式，可以實(shí)現(xiàn)激光定向性出射，介質(zhì)光學(xué)微腔具有一個(gè)或者多個(gè)入射光方向和出射光方向。濾波片采用能夠?yàn)V去可調(diào)頻激發(fā)激光和回音壁模式的濾波片。激光光源包括寬帶可調(diào)頻激光器、高功率激光器、光路切換裝置和光闌；其中，寬帶可調(diào)頻激光器在寬帶范圍內(nèi)進(jìn)行掃頻，找到光學(xué)微腔的回音壁模式的波長范圍；高功率激光器發(fā)射在回音壁模式的波長范圍內(nèi)的高功率激光，耦合進(jìn)光學(xué)微腔激發(fā)回音壁模式；寬帶可調(diào)頻激光器和高功率激光器發(fā)射的激光由光路切換裝置進(jìn)行光路轉(zhuǎn)換；在光路切換裝置前設(shè)置光闌，從而保證經(jīng)過光路切換裝置后，寬帶可調(diào)頻激光器和高功率激光器發(fā)射的激光光路相同。本專利技術(shù)的另一個(gè)目的在于提供一種自由空間光學(xué)微腔拉曼激光傳感方法。本專利技術(shù)的得到回音壁模式的波長范圍與分析拉曼激光拍頻可以采用收集同一個(gè)出射光方向的出射光，也可以米用收集不同的出射光方向的出射光。采用收集同一個(gè)出射光方向的出射光，本專利技術(shù)的自由空間光學(xué)微腔拉曼激光傳感方法，包括以下步驟:I)激光光源提供寬帶掃頻激光，經(jīng)過第一聚焦物鏡將激光耦合進(jìn)光學(xué)微腔，激發(fā)光學(xué)微腔的回音壁模式；2)在出射光方向設(shè)置第二聚焦物鏡，收集出射光，出射光包括激光和回音壁模式；3)經(jīng)過第一準(zhǔn)直透鏡進(jìn)入光纖分束器，一部分光通過第一光電探測器轉(zhuǎn)化成電信號(hào)，進(jìn)入示波器進(jìn)行分析，得到回音壁模式的波長范圍；4)激光光源發(fā)射回音壁模式的波長范圍內(nèi)的高功率激光，經(jīng)過第一聚焦物鏡將激光耦合進(jìn)光學(xué)微腔，激發(fā)光學(xué)微腔的回音壁模式，在光學(xué)微腔的表面附著有納米級尺寸粒子，光學(xué)微腔為非旋轉(zhuǎn)對稱介質(zhì)實(shí)心體，且支持高品質(zhì)因子的回音壁模式，并且實(shí)現(xiàn)激光定向性出射；5)回音壁模式激發(fā)附著有納米級尺寸粒子的光學(xué)微腔的拉曼激光；6)在出射光方向設(shè)置第二聚焦物鏡，收集出射光，出射光包括激光、回音壁模式和拉曼激光；7)出射光經(jīng)過第一準(zhǔn)直透鏡進(jìn)入光纖分束器，一部分光通過第二準(zhǔn)直透鏡，由濾波片濾掉激光和回音壁模式；8)拉曼激光由第三聚焦物鏡收集進(jìn)入第二光電探測器轉(zhuǎn)化成電信號(hào)；9)電信號(hào)進(jìn)入當(dāng)前第1頁1 2 3 本文檔來自技高網(wǎng)...
【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
一種自由空間光學(xué)微腔拉曼激光傳感裝置，其特征在于，所述傳感裝置包括：激光光源、第一聚焦物鏡、光學(xué)微腔、第二聚焦物鏡、第一準(zhǔn)直透鏡、光纖分束器、第一光電探測器、示波器、第二準(zhǔn)直透鏡、濾波片、第三聚焦物鏡、第二光電探測器和基礎(chǔ)頻譜分析儀；其中，在所述光學(xué)微腔的表面附著有納米級尺寸粒子；所述光學(xué)微腔為非旋轉(zhuǎn)對稱的介質(zhì)實(shí)心體，具有高品質(zhì)因子的回音壁模式，并且實(shí)現(xiàn)激光定向性出射；所述激光光源提供寬帶掃頻激光，經(jīng)過第一聚焦物鏡將激光耦合進(jìn)光學(xué)微腔，激發(fā)光學(xué)微腔的回音壁模式；由設(shè)置在出射光方向的第二聚焦物鏡收集，經(jīng)過第一準(zhǔn)直透鏡進(jìn)入光纖分束器，一部分光信號(hào)通過第一光電探測器轉(zhuǎn)化成電信號(hào)，進(jìn)入示波器進(jìn)行分析，得到回音壁模式的波長范圍；所述激光光源發(fā)射回音壁模式的波長范圍內(nèi)的高功率激光，經(jīng)過第一聚焦物鏡將激光耦合進(jìn)光學(xué)微腔，激發(fā)光學(xué)微腔的回音壁模式；所述回音壁模式激發(fā)附著有納米級尺寸粒子的光學(xué)微腔的拉曼激光；在出射光方向設(shè)置第二聚焦物鏡，收集出射光，出射光包括激光、回音壁模式和拉曼激光；出射光經(jīng)過第一準(zhǔn)直透鏡進(jìn)入光纖分束器，一部分光信號(hào)通過第二準(zhǔn)直透鏡，由濾波片濾掉激光和回音壁模式，由第三聚焦物鏡收集進(jìn)入第二光電探測器轉(zhuǎn)化成電信號(hào)，進(jìn)入基礎(chǔ)頻譜分析儀，分析拉曼激光拍頻的頻率信息，從頻率信息解讀吸附在光學(xué)微腔表面的納米級尺寸粒子信息。...
【技術(shù)特征摘要】
【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：肖云峰，郅燕燕，龔旗煌，
申請(專利權(quán))人：北京大學(xué)，
類型：發(fā)明
國別省市：北京;11
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