上海光機所在低背景噪聲的反諧振空芯光纖拉曼探針方面獲得進展

中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機械研究所先進激光與光電功能材料部特種玻璃與光纖研究中心研究團隊，針對原位檢測拉曼信號的需求，利用自主設(shè)計制備的兩款雙包層反諧振空芯光纖(anti-resonant hollow-core fibers, AR-HCFs)與外接的光路模塊對實驗室商用Renishaw Invia共聚焦顯微拉曼光譜儀進行了功能拓展，增加了原位檢測功能。相關(guān)成果以“In-situ background-free Raman probe using double-cladding anti-resonant hollow-core fibers”為題發(fā)表在Biomedical Optics Express上。

傳統(tǒng)石英實芯光纖因為損耗低、傳輸窗口寬，是光信號的理想媒介，因此被廣泛用于拉曼檢測的探針。其在應(yīng)用時，雖然可以擺脫樣品形狀、大小和位置的限制，但本身的石英玻璃材料與泵浦激光相互作用后，會產(chǎn)生非常強烈的背景噪聲信號，該信號往往會掩蓋待測樣品的拉曼光譜信息。在過去的研究報道中，主流解決方案是采用多光纖探針，利用不同的光纖來傳導(dǎo)激發(fā)光和收集信號光。但此方案還需要在光纖遠端增加濾光片等光學(xué)元件，這不僅會降低對信號的收集效率，而且也會增大探針的體積。

研究人員利用堆積-拉制法（stack-and-draw）制造了兩款不同的雙包層AR-HCFs，截面如圖1所示。它們均能將激光主要約束在空芯中傳導(dǎo)，使得光場與光纖本身石英材料的交疊大大減少，從而能極大抑制石英背景噪聲，經(jīng)過性能測試，兩款光纖探針對比傳統(tǒng)實芯石英光纖，能實現(xiàn)約兩個數(shù)量級的石英背景噪聲抑制。兩款A(yù)R-HCFs均經(jīng)過特殊設(shè)計，實現(xiàn)了在可見和近紅外波段低損，且具備較大數(shù)值孔徑（numerical aperture, NA）的外包（外包層的NA均大于0.2，約為纖芯的十倍）。此工作的特點是，僅使用一根光纖作為拉曼檢測的探針，并且利用專門設(shè)計的外接光路模塊，實現(xiàn)探針與商用的Renishaw Invia共聚焦顯微拉曼光譜儀的結(jié)合，如圖2所示。模塊連接在光譜儀原物鏡接口上，可以將內(nèi)部發(fā)出的激發(fā)光耦合到AR-HCFs中，也能將光纖探針收集到的拉曼信號回傳給光譜儀進行檢測分析。在發(fā)揮儀器高檢測精度特點的同時也能拓展其原位檢測的功能。利用探針對一些固體、液體樣品的檢測也驗證了方案的可行性，例如對ABS塑料進行原位檢測，如圖3所示。研究結(jié)果有望在環(huán)境監(jiān)測、生物醫(yī)療等領(lǐng)域具備更廣闊的應(yīng)用前景。

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圖1.兩款反諧振空芯光纖的電子顯微鏡端面照片分別展示在(a)和(b)中，而(c)和(d)分別展示的是二者由光學(xué)顯微鏡背面打光拍攝的照片。

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圖2.拉曼傳感方案光路示意圖。

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圖3.圖（a）（b）分別展示兩種反諧振空芯光纖作為探針檢測ABS塑料的拉曼光譜結(jié)果，其中橙色曲線由探針測量樣品得到，藍色曲線是探針自身的背景信號，黃色曲線是Renishaw Invia共聚焦顯微拉曼光譜儀直接測量樣品得到的光譜。

相關(guān)鏈接：https://doi.org/10.1364/BOE.517625