光镊式光纤拉曼探针及制作方法技术

本发明专利技术提供的是一种光镊式光纤拉曼探针及制作方法。具有同轴的两个光学通道，其中环形光纤芯提供拉曼激发光通道，处于同轴中心的通道用于接收拉曼探测光；通过对同轴双波导通道光纤的纤端进行精细锥角研磨，形成旋转对称平面(或弧面)结构，该结构能够将环形芯传输的拉曼激发光进行微米尺度的汇聚，汇聚的激发光一方面具有俘获微纳尺度粒子的能力，另一方面与粒子相互作用，产生拉曼散射光汇聚的激发光所产生的后向散射拉曼光信号能够经由中间大芯径纤芯收集并传输至拉曼光谱仪中。本发明专利技术可用于实现对细胞活体微生命物质的俘获，完成细胞内部物质拉曼光谱的有效激发，并获得拉曼光谱，从而实现微量液体、活体内单细胞及其内部物质的拉曼测量。

Optical tweezers type optical fiber Raman probe and manufacturing method thereof

The invention provides an optical tweezers type fiber Raman probe and a manufacturing method thereof. Two optical channels with coaxial ring, the fiber core provides Raman excitation light channel in coaxial center channel for receiving the Raman probe; through fine grinding of the cone angle of coaxial waveguide channel optical fiber end, the formation of rotational symmetry plane (or arc) structure, the structure can be stimulated Raman transmission ring core the luminescence of the micron scale convergence, stimulate the ability of light hand capture micro nano scale particle aggregation, on the other hand, with the particle interaction, generating Raman scattering generated by excitation light light from the backward scattering Raman optical signal can be passed through the middle large core diameter fiber core collection and transmission to the Raman spectrometer. The invention can be used to achieve the capture of cells in vivo micro life material, effectively stimulate the finished material inside the cell by Raman spectroscopy, and Raman spectra, so as to realize the measurement of single cell Raman micro liquid and in vivo and its internal material.

【技术实现步骤摘要】
光镊式光纤拉曼探针及制作方法
本专利技术涉及的是一种光镊式光纤拉曼探针。本专利技术也涉及一种光镊式光纤拉曼探针的制作方法。
技术介绍
拉曼光谱技术是通过光与物质相互作用后，产生拉曼散射光谱来反映物质内部结构和分子振动信息的一门技术。它在生物医学，环境检测，食品安全等领域应用广泛。而拉曼探针的设计与制作是拉曼光谱技术发展的关键技术之一。为了精确地实现活体细胞拉曼光谱诊断的准确性，使活体细胞和在体细胞拉曼光谱的研究提升到单细胞内部的分子水平的程度，在技术上必须解决的两个问题是：(1)由于细胞的大小在微米尺度，因而拉曼散射光斑只有处于该微纳尺度区域，才能实现空间的高精度分辨；(2)需要构造尺寸更加小巧、便于实现活体组织的在体介入光学探头结构，从而实现活体的在体单细胞拉曼光谱测量。光纤技术应用于拉曼光谱的探测具有方便、小巧、灵活的特点，由光纤制作成光纤拉曼探针将会是解决活体细胞和在体细胞拉曼光谱的研究提升到单细胞内部的分子水平的程度的重要手段之一。A.M.Janse等人报道了采用双光纤技术开展拉曼谱技术研究(PhotochemistryandPhotobiology,1998,68(3):427-431)，为了提高后向散射拉曼光谱信号的收集效率，J.T.Motz等人采用的激发光纤芯径为200μm(100mW激发功率)，聚焦系统的焦斑约为100μm，围绕光激发光纤增加了一圈芯径同样为200μm的大芯径光纤作为后向散射拉曼光信号的接收光纤，这使得探头的尺寸较大，使用的光纤束探头，直径达到了2mm，难于实现细胞尺度的探测(ApplOpt,2004，43(3)：542-554)。为了实现微米级单细胞拉曼谱的测量，2008年，J.W.Chan等人将传统光镊技术与拉曼光谱探测相结合，实现了单细胞拉曼光谱的测量(AnalyticalChemistry,2008,80(6):2180)。但是传统光镊是基于较庞大的显微镜系统得以实现的，所以其使用的灵活性较差，不能介入活体组织，难于实现活体组织内部的拉曼测量。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种适用于微生物或细胞等微小粒子定位俘获，并高效激发获得其拉曼光谱的光镊式光纤拉曼探针。本专利技术的目的还在于提供一种光镊式光纤拉曼探针的制作方法。本专利技术的光镊式光纤拉曼探针包括同轴双波导通道光纤、拉曼激发光传输单模光纤和用于后向拉曼散射光传输的模场匹配大芯径多模光纤，所述同轴双波导通道光纤包括中间大芯径纤芯和同轴分布的环形芯，同轴双波导通道光纤的端面经过精细研磨形成旋转对称反射光学结构，所述拉曼激发光传输单模光纤与同轴双波导通道光纤经过侧面抛磨后彼此耦合，所述用于后向拉曼散射光传输的模场匹配大芯径多模光纤与同轴双波导通道光纤连接。本专利技术的光镊式光纤拉曼探针还可以包括：1、所述旋转对称反射光学结构为旋转对称锥面反射汇聚结构，同轴双波导通道光纤的端面由精细研磨形成底角为α的锥形圆台，α≥arcsin(n3/n1)，n3为被测物质环境折射率、n1为环形芯的折射率。2、所述旋转对称反射光学结构为旋转对称弧面反射聚焦结构，同轴双波导通道光纤的端面由精细研磨形成反射面是曲率半径为R的旋转对称弧面锥台，R＝300～500μm。3、拉曼激发光传输单模光纤与激光器连接将激发光从激光器引出，通过侧向拋磨耦合将激发光耦合进同轴双波导通道光纤的环形芯；激发光在同轴双波导通道光纤端面的旋转对称反射光学结构处被完全内反射而汇聚，聚焦的激发光形成可俘获微小粒子的光镊且与俘获的粒子相互作用产生拉曼散射光，同轴双波导通道光纤的中间大芯径纤芯收集后向拉曼散射光，用于后向拉曼散射光传输的模场匹配大芯径多模光纤使收集到的后向拉曼散射光传输到拉曼光谱仪中进行分析。本专利技术的光镊式光纤拉曼探针的制作方法为：步骤一：光路耦合将同轴双波导通道光纤和单模光纤分别侧抛，并彼此耦合，使得单模光纤内传输的激发光耦合进同轴双波导通道光纤的环形芯内；再将同轴双波导通道光纤的一端与模场匹配大芯径多模光纤焊接，使得拉曼信号光由同轴双波导通道光纤的中间芯进入模场匹配大芯径多模光纤中传输。步骤二：锥体研磨将同轴双波导通道光纤放置于光纤端研磨台的夹具上，开启研磨机，进行光纤端平面旋转对称结构圆台的研磨；在得到平面旋转对称圆台结构的基础上，在研磨的同时调节同轴双波导通道光纤的俯仰角，对旋转对称平面结构进行弧面优化，使其研磨至具有最佳弧度的旋转对称弧面反射聚焦结构；步骤三：锥体抛光将研磨好的锥体进行火焰抛光，然后放在超声清洗槽中清洗、烘干备用。本专利技术的主要特点是：1、该光纤拉曼探针具有同轴两个光学波导通道，其中环形芯1-1提供拉曼激发光1-4，处于同轴中心的通道1-2用于接收拉曼探测光1-5；2、该光纤拉曼探针通过同轴双波导通道光纤1的纤端进行精细锥角研磨，形成旋转对称平面(或弧面)结构1-3，该结构能够将环形芯传输的拉曼激发光进行微米尺度的汇聚，汇聚的激发光一方面具有俘获微纳尺度粒子的能力，另一方面与粒子相互作用，产生拉曼散射光；3、该光纤拉曼探针汇聚的激发光所产生的后向散射拉曼光信号能够经由中间纤芯1-2收集并传输至拉曼光谱仪6中。此外，本专利技术提供的光纤拉曼探针还具有尺寸小、空间分辨率高、在液体中能同时实现微小粒子的俘获和拉曼光激发与探测的功能。可用于实现对细胞活体微生命物质的俘获，完成细胞内部物质拉曼光谱的有效激发，并获得拉曼光谱，从而实现活体组织的在体细胞及其内部物质的拉曼测量。这种光纤拉曼探针光纤端的旋转对称的反射光学结构，其形式有如下两种：1)旋转对称平面反射汇聚结构；2)旋转对称弧面反射聚焦结构。1)旋转对称平面反射汇聚结构：其结构由精细研磨光纤端面而形成的底角为α的锥形圆台(α≥arcsin(n3/n2)，n3为被测物质环境折射率，n1为环形芯的折射率)，其能够对环形芯输出的激发光进行完全内反射并形成强聚焦光场，汇聚的拉曼激发光除了能与物质粒子充分相互作用生成拉曼散射光外，还可形成光阱，具有捕获物质粒子的作用，从而使测量过程更稳定。2)旋转对称弧面反射聚焦结构：其结构与1)的不同之处在于其反射面是曲率半径为R的旋转对称弧面锥台1-3。这样的旋转对称弧面结构能使拉曼激发光的聚焦效果更好，从而达到更高的拉曼激发效率。这种光纤拉曼探针的拉曼激发光1-4是通过单模光纤2从激光光源5引出后，与同轴双波导通道光纤1经过侧面抛磨后彼此耦合注入大拉曼光纤探针的环形芯1-1。这种光纤拉曼探针的后向拉曼散射光1-5通过中间大芯径纤芯1-2与一段纤芯模场匹配的多模光纤3相互连接后经过一个滤波器7，滤去激发光，再被导入拉曼光谱仪6。本专利技术使用了新型的同轴双波导通道光纤来制作即适合活体组织介入，又可用于单个微生物或细胞等微纳级别粒子拉曼光谱探测的拉曼探针，该光纤探针将激发光通道与探测光通道微缩集成在一根直径在125μm的同轴双波导通道光纤中，通过光纤端的圆形锥台加工技术，可以将来自环形光纤芯的激发光斑聚焦在微米尺度内。后向拉曼散射光信号通过中心同轴的大数值孔径、大纤芯直径的光纤芯来收集。本专利技术通过光纤端锥体加工技术，极大地增强了光与单细胞物质相互作用的效率，可以使得激发光总功率得以降低，减少了由于激光的能流密度过高对活体组织的损伤和影响，在总功率尽可能低的激发光功率情况下本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种光镊式光纤拉曼探针，包括同轴双波导通道光纤、拉曼激发光传输单模光纤和用于后向拉曼散射光传输的模场匹配大芯径多模光纤，其特征是：所述同轴双波导通道光纤包括中间大芯径纤芯和同轴分布的环形芯，同轴双波导通道光纤的端面经过精细研磨形成旋转对称反射光学结构，所述拉曼激发光传输单模光纤与同轴双波导通道光纤经过侧面抛磨后彼此耦合，所述用于后向拉曼散射光传输的模场匹配大芯径多模光纤与同轴双波导通道光纤连接。

【技术特征摘要】
1.一种光镊式光纤拉曼探针，包括同轴双波导通道光纤、拉曼激发光传输单模光纤和用于后向拉曼散射光传输的模场匹配大芯径多模光纤，其特征是：所述同轴双波导通道光纤包括中间大芯径纤芯和同轴分布的环形芯，同轴双波导通道光纤的端面经过精细研磨形成旋转对称反射光学结构，所述拉曼激发光传输单模光纤与同轴双波导通道光纤经过侧面抛磨后彼此耦合，所述用于后向拉曼散射光传输的模场匹配大芯径多模光纤与同轴双波导通道光纤连接。2.根据权利要求1所述的光镊式光纤拉曼探针，其特征是：所述旋转对称反射光学结构为旋转对称锥面反射汇聚结构，同轴双波导通道光纤的端面由精细研磨形成底角为α的锥形圆台，α≥arcsin(n3/n1)，n3为被测物质环境折射率、n1为环形芯的折射率。3.根据权利要求1所述的光镊式光纤拉曼探针，其特征是：所述旋转对称反射光学结构为旋转对称弧面反射聚焦结构，同轴双波导通道光纤的端面由精细研磨形成反射面是曲率半径为R的旋转对称弧面锥台，R＝300～500μm。4.根据权利要求1、2或3所述的光镊式光纤拉曼探针，其特征是：拉曼激发光传输单模光纤与激光器连接将激发光从激光器引出，通过侧向拋磨耦合将激发光耦合进同轴双波导...

【专利技术属性】
技术研发人员：苑立波，杨世泰，
申请(专利权)人：哈尔滨工程大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江,23