[發(fā)明專(zhuān)利]光纖拉曼雷達(dá)及其設(shè)計(jì)方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201410589856.7
• 申請(qǐng)日: 2014-10-28
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN104267020B
• 公開(kāi)（公告）日: 2017-07-07
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 馮勝飛;謝振威;張巖
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 首都師范大學(xué)
• 主分類(lèi)號(hào): G01N21/65
• 分類(lèi)號(hào): G01N21/65
• 代理公司: 北京億騰知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所11309
• 代理人: 陳霽

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及光學(xué)領(lǐng)域，尤其涉及一種光纖拉曼雷達(dá)及其設(shè)計(jì)方法。

背景技術(shù)

拉曼光譜是一種表征分子或者晶格的振動(dòng)或者轉(zhuǎn)動(dòng)模式的一種光譜技術(shù)。當(dāng)激光照射到透明介質(zhì)中與介質(zhì)分子發(fā)生相互作用，在分子散射的光波中會(huì)出現(xiàn)一些與入射光頻率不同的成分，其中頻率與原激發(fā)光相同的部分稱(chēng)為瑞利散射，頻率比入射光小的譜線稱(chēng)為斯托克斯線，而頻率比入射光波大的譜線稱(chēng)為反斯托克斯線，這兩種譜線通稱(chēng)為分子的拉曼散射光譜。拉曼光譜是由于分子對(duì)光波的非彈性散射引起的。對(duì)于自發(fā)的的拉曼散射，當(dāng)激發(fā)光照射到分子上時(shí)，會(huì)將分子從基態(tài)激發(fā)到一個(gè)具有較高能級(jí)的虛態(tài)上。而當(dāng)激發(fā)態(tài)的分子釋放出一個(gè)光子會(huì)躍遷到一個(gè)不同于基態(tài)的能級(jí)之上，這樣這個(gè)低能級(jí)態(tài)與基態(tài)之間存在能量差，從而導(dǎo)致釋放的光子的頻率與激發(fā)光的頻率不同。由于拉曼光譜可以反映出分子的化學(xué)鍵態(tài)及特殊的振動(dòng)模式，所以可以作為分子鑒別的重要特征。如果拉曼光譜由各向異性的晶體所產(chǎn)生，那么拉曼譜還可以反映出晶格的方向性。拉曼光譜非常適合用于一些高分子的聚合物檢測(cè)、納米材料、電化學(xué)、薄膜、礦物學(xué)、生物分子、醫(yī)學(xué)藥品，還可以用作過(guò)程監(jiān)測(cè)、定量分析等領(lǐng)域。由于拉曼散射非常弱，強(qiáng)度大約是瑞利散射的千分之一，因此為了方便探測(cè)，人們發(fā)展了多種增強(qiáng)技術(shù)。表面增強(qiáng)拉曼光譜技術(shù)(SERS)通常以金或者銀的膠體或者是附著有金銀的納米顆粒的基片，在激發(fā)光的照射下，金銀納米顆粒會(huì)引起表面等離子體的共振，從而實(shí)現(xiàn)金屬表面附近的電場(chǎng)增強(qiáng)而增強(qiáng)拉曼信號(hào)。其他還有一些共振拉曼光譜、尖端增強(qiáng)拉曼光譜技術(shù)等。

傳統(tǒng)的拉曼光譜的檢測(cè)儀器體積龐大，生產(chǎn)成本高，難以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程、實(shí)時(shí)傳感檢測(cè)，難以適用于空間狹小、有毒有害等環(huán)境下的檢測(cè)。

發(fā)明內(nèi)容

為克服現(xiàn)有技術(shù)存在的問(wèn)題，本發(fā)明提出一種光纖拉曼雷達(dá)，包括：

光纖；

拉曼雷達(dá)，設(shè)置于所述光纖的第一端面；

所述拉曼雷達(dá)包括三維光柵和拋物面；所述三維光柵和所述拋物面對(duì)拉曼激發(fā)光是共焦的；所述三維光柵用于當(dāng)所述拉曼激發(fā)光入射時(shí)，在所述三維光柵表面激發(fā)表面等離子體的共振，從而實(shí)現(xiàn)三維光柵表面附近的電場(chǎng)增強(qiáng)而產(chǎn)生增強(qiáng)的拉曼信號(hào)；所述拋物面用于對(duì)所述拉曼激發(fā)光進(jìn)行會(huì)聚和對(duì)所述三維光柵表面增強(qiáng)的拉曼信號(hào)進(jìn)行收集。

優(yōu)選地，所述光纖的第一端面是經(jīng)過(guò)拋光處理的光滑面。

優(yōu)選地，所述三維光柵包括光刻膠光柵和第一鍍膜；所述拋物面包括光刻膠拋物面和第二鍍膜；所述第一鍍膜為三層，由內(nèi)向外依次為150～200納米厚的金膜或銀膜、20納米厚的二氧化硅膜、20納米厚的金納米顆粒層；所述第二鍍膜為一層150～200納米厚的金膜或銀膜。

優(yōu)選地，所述光纖采用可見(jiàn)光波段的多模光纖，直徑為300微米。

優(yōu)選地，所述三維光柵為半球形，所述半球形的表面為仙人球結(jié)構(gòu)。

優(yōu)選地，所述光刻膠光柵的直徑為64微米，光柵周期為590納米。

優(yōu)選地，所述光刻膠拋物面的直徑為300微米，高度為75微米。

優(yōu)選地，所述拋物面的頂端設(shè)置有一通孔，所述通孔的直徑與所述三

維光柵的直徑相同。

優(yōu)選地，所述拋物面的底部設(shè)置有三個(gè)出氣孔，用于排出所述拋物面內(nèi)存留的氣體。

優(yōu)選地，所述光刻膠拋物面為兩層結(jié)構(gòu)。

優(yōu)選地，所述光刻膠光柵和光刻膠拋物面采用的光刻膠均為負(fù)膠，型號(hào)為IP-L 780。

本發(fā)明還提供了一種光纖拉曼雷達(dá)的制備方法，包括：

步驟一、選擇光纖，并對(duì)所述光纖的第一端面進(jìn)行拋光處理；

步驟二、利用3D光刻機(jī)在所述光纖的第一端面寫(xiě)出光刻膠拉曼雷達(dá)結(jié)構(gòu)并進(jìn)行顯影及固化；所述光刻膠拉曼雷達(dá)結(jié)構(gòu)包括光刻膠三維光柵結(jié)構(gòu)和光刻膠拋物面結(jié)構(gòu)；所述光刻膠三維光柵結(jié)構(gòu)和所述光刻膠拋物面結(jié)構(gòu)對(duì)所述拉曼激發(fā)光是共焦的；

步驟三、對(duì)所述固化后的光刻膠拉曼雷達(dá)鍍膜；

步驟四、將所述光刻膠三維光柵結(jié)構(gòu)最外層的鍍膜轉(zhuǎn)化為納米顆粒層，得到光纖拉曼雷達(dá)。

優(yōu)選地，所述步驟一中的所述光纖采用可見(jiàn)光波段的多模光纖，直徑

為300微米。

優(yōu)選地，所述步驟一中“對(duì)所述光纖的第一端面進(jìn)行拋光處理”的步

驟包括：

依次采用型號(hào)為800型、2400型、4000型砂紙中的其中至少一個(gè)對(duì)所述第一端面進(jìn)行研磨以提高所述第一端面的平整性；

利用顆粒直徑大約在300nm的金剛砂粉末進(jìn)行拋光以提高所述第一端面的光滑度。