基于内镀金属空芯光纤的增强拉曼检测研究

论文摘要

快速检测和识别化学物质在食品安全、药物监测、工业废水排放等很多领域都有很重要的作用,实现化学物质的现场实时检测是维护公共安全的重要保障。然而现有的很多检测方法的设备体积庞大、价格昂贵,只适合在实验室中使用,而且对环境要求很高,如色谱法、质谱法、红外光谱法等等。所以本文选用了被认为是物质的“指纹谱”的拉曼光谱检测方法,该方法可以实现物质光谱的快速检测,不需要对样品进行预处理,不会损坏样品,且水的拉曼信号很弱,非常适合用于液体样品的检测。然而拉曼信号本身是非常微弱的,这一缺点限制了拉曼检测的应用,前人采用表面增强拉曼光谱、针尖增强拉曼光谱等方法增强拉曼信号,但是这些方法不适合快速检测,而且不能进行多次检测,会导致样品的交叉污染,任何杂质的存在都会严重影响拉曼散射信号。内镀金属空芯光纤很好地解决了上述问题,该光纤的空芯孔径较大,可以实现样品的快速切换,还可以同时传输激励光和样品,增大光物相互作用的体积,提高拉曼信号的收集效率。而空芯光子晶体光纤的的空芯孔径较小,只有几微米,需要很大的压强才能将样品注入空芯孔内,而且样品的折射率与空气不同,会影响光在空芯光子晶体光纤内的传输。本文首先基于空芯光纤提出了体增强拉曼散射的概念,即当样品对光的吸收率很低时,低损耗的空芯光纤可以将激励光传输至较远距离,光路也是液路,因此被光激励的样品体积增大了。样品各成分的拉曼信号强度和其在样品中的体积比成正比,所以切换样品时可能会有的交叉污染也不会严重影响检测结果。然后从理论上分析了对比拉曼探头直接检测的方式,内镀金属空芯光纤的拉曼信号收集的增强效果,并研究了内镀金属空芯光纤的导光原理,发现金属金和银对785nm的激励光及其拉曼光具有较高的反射比,所以本文选用了内镀银空芯光纤,也提出了制备内镀金空芯光纤的方式。其次我们设计了基于内镀银空芯光纤的Sagnac环和金膜反射型拉曼检测结构。Sagnac环型结构是将两根大芯径光纤的一端分别插入空芯光纤的两端,另一端端面平齐与拉曼探头耦合,该结构可以同时接收透射和反射拉曼光,但是拉曼探头与两根光纤的耦合损耗较大。金膜反射型结构是在空芯光纤的一端插入大芯径光纤与拉曼探头耦合,另一端插入端面镀金膜的玻璃光纤,金膜可以同时反射激励光和拉曼光,提高光物相互作用的体积,从而提高拉曼光的接收效率。在实验中,我们搭建了光纤切割、插入的平台,并将插入的结构封装在三通阀内以实现样品的快速切换和整体装置的稳定性,还设计了便携式的光纤与拉曼探头的耦合结构,以满足现场检测的需求。这两种结构的实验结果充分证明了光纤插入光耦合方式的高效性和金膜反射的效率,为谐振腔增强拉曼检测的实验做准备。最后我们设计了基于内镀金属空芯光纤的谐振腔增强拉曼检测装置,金膜和滤光膜分别插入空芯光纤的两端,形成谐振腔的两面高反射镜。在实验中,我们搭建了光纤边腐蚀边观测平台以实现精确腐蚀激励光纤至30μm,将激励光从金膜的小孔中传输至谐振腔内,并验证了滤光膜对激励光的高反射率和对拉曼光的高透过率。激励光在谐振腔内来回反射以进一步提高光物相互作用的体积,从而提高收集到的拉曼信号。实验结果证明了对比非谐振腔结构,该结构可以将拉曼信号提高4.83倍,且拉曼信号与样品浓度呈线性关系,也实验验证了体增强拉曼散射的概念。本文从理论和实验两方面研究了基于内镀金属空芯光纤的增强拉曼检测系统,包括Sagnac环型、金膜反射型和谐振腔型,并设计了便携式的封装方法。由于我们的装置可以快速切换样品且无残留,检测速度快,灵敏度高,精确度高,所以这些装置在现场的在线式快速拉曼检测具有非常广泛的应用前景。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
•   1.1 研究背景
•   1.2 痕量检测方法
•     1.2.1 质谱法
•     1.2.2 色谱法
•     1.2.3 光谱法
•   1.3 拉曼光谱增强方法
•     1.3.1 共振拉曼光谱
•     1.3.2 相干反斯托克斯拉曼散射
•     1.3.3 腔增强拉曼光谱
•     1.3.4 表面增强拉曼光谱
•     1.3.5 针尖增强拉曼光谱
•   1.4 光纤增强拉曼光谱
•     1.4.1 空芯光子晶体光纤
•     1.4.2 内镀金属空芯光纤
•   1.5 研究意义和主要内容
•     1.5.1 研究意义
•     1.5.2 主要内容
• 第二章 内镀金属空芯光纤的体增强拉曼检测的基本原理和方法
•   2.1 本章引言
•   2.2 内镀金属空芯光纤对光的束缚能力
•   2.3 内镀金属空芯光纤内的拉曼光强理论计算
•   2.4 体增强拉曼散射
•   2.5 实验方法
•     2.5.1 高真空电阻蒸发镀膜方法
•     2.5.2 内镀金空芯光纤的制备
•     2.5.3 光纤腐蚀方法
•     2.5.4 光纤切割方法
•     2.5.5 光纤插入方法
•   2.6 拉曼光谱处理算法
•     2.6.1 自适应迭代重加权惩罚最小二乘法
•     2.6.2 小波变换背景扣除算法
•   2.7 本章小结
• 第三章 全光纤增强拉曼检测系统及实验研究
•   3.1 本章引言
•   3.2 Sagnac环型增强拉曼检测系统
•     3.2.1 拉曼信号收集增强理论分析
•     3.2.2 Sagnac环型实验装置搭建
•     3.2.3 系统体增强实验结果
•     3.2.4 液体浓度检测
•   3.3 金膜反射增强拉曼检测系统
•     3.3.1 拉曼信号增强理论分析
•     3.3.2 金膜反射型实验装置搭建
•     3.3.3 系统体增强实验结果
•     3.3.4 抗生素浓度检测
•   3.4 本章小结
• 第四章 全光纤谐振腔增强拉曼检测系统及实验研究
•   4.1 本章引言
•   4.2 全光纤的谐振腔结构设计
•   4.3 谐振腔拉曼信号增强理论分析
•   4.4 谐振腔型实验装置搭建
•     4.4.1 滤光膜性能
•     4.4.2 腐蚀后的激励光纤性能
•   4.5 谐振腔拉曼检测系统体增强效果
•   4.6 本章小结
• 第五章 总结与展望
•   5.1 总结
•   5.2 展望
• 参考文献
• 攻读硕士期间学术成果
• 致谢

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 储倩

导师: 王光辉

关键词: 内镀金属空芯光纤,体增强拉曼散射,增强拉曼检测,环型,金膜反射型,谐振腔型

来源: 南京大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅰ辑,信息科技

专业: 物理学,化学,无线电电子学

单位: 南京大学

分类号: O657.37;TN253

总页数: 82

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