基于高非线性光子晶体光纤拉曼激光器增强装置及方法

摘要

本发明提供基于高非线性光子晶体光纤拉曼激光器增强装置及方法，其结构由掺镱光纤激光器、法拉第隔离、光纤合束器、偏振控制器、单模光纤SM1、单模光纤SM2、高非线性的光子晶体光纤(HNL‑PCF)、布拉格光栅FBG1、FBG2，FBG3、FBG4、光子晶体光纤、T型连接器1、T型连接器2、光谱分析仪、计算机处理系统构成。

说明书

技术领域

本发明属于光电技术领域，涉及一种基于高非线性光子晶体光纤拉曼激光器增强装置及增强方法，用于拉曼光谱仪在线检测时对拉曼效应进行增强，从而实现对低浓度气体的定性定量分析。

背景技术

拉曼光谱是一种散射光谱，通过与入射光频率不同的散射光谱进行分析以得到分子振动、转动方面信息，并应用于分子结构研究的一种分析方法，它可以实现对物质的定性、定量分析。同时，它是一种非接触式检测方法，可以对物质进行无损检测。它的检测原理直接，响应速度较快，流程简单且适用面广，拉曼光谱检测法在各种应用场景得到了广泛的应用，也是在线检测技术发展的一个重要技术基础。但是拉曼散射是一种弱效应，相对于吸收光谱法，其光强一般只有入射光的10

拉曼光谱分析法要想成为成为一种广泛应用的检测技术，就必须增强拉曼效应。随着科技的进步，已出现了越来越多的拉曼增强技术例如：表面增强拉曼光谱、共振拉曼光谱、显微拉曼技术、傅立叶拉曼技术、光纤拉曼技术。但是它们都有各自优点与局限性，不能成为工业现场的通用方法。

综上所述，解决拉曼的弱效应问题使之成为一种通用分析检测手段至关重要。本发明是基于拉曼检测光源的改进，在基于光子晶体谐振腔的拉曼光谱增强方法基础上，设计了一种基于基于高非线性光子晶体光纤拉曼激光器的拉曼光谱增强装置及增强方法。它可以形成超功率连续波，极大的增强了入射光，从而达到增强拉曼效应。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于高非线性光子晶体光纤拉曼激光器增强装置及方法，旨在增强拉曼信号，实现对低浓度气体的定性定量检测。

为解决上述技术问题，本发明提供以下技术方案：

本发明的一方面提供一种基于高非线性光子晶体光纤拉曼激光器增强装置，其结构在于由掺镱光纤激光器、法拉第隔离、光纤合束器、偏振控制器、、布拉格光栅FBG1、高非线性的光子晶体光纤、布拉格光栅FBG2，T型连接器1、布拉格光栅FBG3、光子晶体光纤、布拉格光栅FBG4、T型连接器2、光谱分析仪、计算机处理系统依次串接构成。

本发明的另一方面提供一种基于高非线性光子晶体光纤拉曼激光器增强装置的增强方法，包括如下步骤：

1)为了防止反射光对光源造成影响，将掺镱光纤激光器的光源通过法拉第隔离器，通过光纤合束器进入光纤中。调整偏振控制器使得入射光偏振方向光纤与高非线性光子晶体光纤的一个双折射轴相匹配，激光能量在写入的布拉格光栅的高非线性光子晶体光纤不断积累，使得输出功率不断增强。

2)将待测样品注入气室，气体样品充满整个纤芯时关闭阀门，使两个气室和光子晶体光纤三个部分构成一个密闭的空间；接着将所得到拉曼光源放在指定位置，打开拉曼光源进行气体的检测；

3)通过滤波片对光源频率进行筛选得到所需的拉曼光，在进行拉曼信号的收集，使用拉曼光谱分析仪获得增强后拉曼光谱图，使用计算机系统进行处理得到最终图谱。

本发明的优点：

1)基于高非线性的拉曼光纤激光器它具有时间一致性好、光谱平坦、相干特性优异，不仅可以产生超连续稳定激光光源，还可以使激光光束能量增大，从而使光功率增大。

2)该装置增强效果明显，入射光拉曼增益系数高达到10W

3)使用光子晶体光纤、FBG3和FBG4构成光子晶体光纤谐振腔，既增强了拉曼光同时减少杂散光对拉曼光谱的影响，进一步提高检测的灵敏性。

附图说明

图1为本发明实施例提供的基于高非线性光子晶体光纤拉曼激光器增强装置示意图。

具体实施方式

如图1所示，基于高非线性光子晶体光纤拉曼激光器增强装置，其结构在于由掺镱光纤激光器、法拉第隔离、光纤合束器、偏振控制器、、布拉格光栅FBG1、高非线性的光子晶体光纤、布拉格光栅FBG2，T型连接器1、布拉格光栅FBG3、光子晶体光纤、布拉格光栅FBG4、T型连接器2、光谱分析仪、计算机处理系统依次串接构成。

所述的高非线性光子晶体光纤，在于在光子晶体光纤中掺杂大量的非线性物质，使光子晶体光纤成为高非线性的增益介质，以此来提高拉曼增益系数。

所述的高非线性的光子晶体光纤两端，是写进高非线性光子晶体内的布拉格光栅FBG1、FBG2。为了高效将布拉格光栅写进高非线性晶体光纤,限制氢气的扩散，使用单模光纤SM2连接高非线性光子晶体光纤将其两端拼接到具有兼容模式的传统光纤SM1。为了减少拼接损耗，再用光纤熔接机单模光纤SM1和SM2熔接起来。随后，在高非线性光子晶体光纤中加氢增强光敏性，一旦氢气从包层扩散到纤芯，就可以在低温中用连续紫外激光光源进行FBG写入。激光经在光栅FBG1和FBG2中不断的来回反射，产生驻波，形成激光谐振腔，使光功率得以增大。

所述的光子晶体光纤两端均熔接T型连接器，一端为样品进气口，一端为样品出气口，可通过对光子晶体光纤的内部进行调节，达到符合的内压。

工作时，把掺镱光纤激光器作为泵浦源，因为光纤激光器光束质量好、可调范围大，结构灵活紧凑。为了获得纯净的单向光，并且避免反射回来的杂散光将掺镱光纤激光器发射的光源通过法拉第隔离器。

通过偏振控制器旋转入射光的方向，使得入射场的偏振方向与高非线性光子晶体光纤的一个双折射轴相匹配，使得输出端的光发生线性偏振，增加稳定性。

当光经过高非线性光子晶体光纤时，它是一种很有前途的增益介质，将光限制在核心内，可以通过掺杂物质增强它的非线性来提高拉曼增益。高非线性光子晶体拉曼增益系数可达到传统光纤增益系数10倍左右。布拉格光栅可实现波长选择，并且能够形成一个宽带宽。激光在光栅两端来回反射形成驻波，最终获得高功率的激光输出。

高压将测样品注入气室，气体样品充满整个纤芯时关闭阀门，使两个气室和光子晶体光纤三个部分构成一个密闭的空间；接着将所得到拉曼光源放在指定位置，打开拉曼光源进行气体的检测，光与待测样品分子相互作用产生拉曼散射，此时由于光子带隙效应，产生的光被强烈的束缚在光纤中心内,避免了泄露损耗，同时杂散光因不符合带隙效应而穿过包层消失在传输过程中，同时因光子晶体光纤空芯面积直径微小使得光与样品分子的作用集中在微米级面积上，因此增大了散射截面,使得拉曼光得到增强。最后对所检测的气体样品通过光谱分析仪进行分析。

参见图1，选取1064nm,线宽1.3nm,最大连续输出功率为20W的掺镱光纤激光器作为泵浦源。通过法拉第隔离器，偏振控制器进入高非线性光子晶体光纤。

为了增强光子晶体的非线性，在光子晶体中掺杂锗元素。制成高非线性光子晶体光纤。将光栅写进高非线性光子晶体光纤中，涉及一系列复杂的问题。直接采用Draka公司生产的34m长的双折射基于光栅写入高非线性晶体光纤。纤芯中锗含量约为25Wt％,纤芯直径约为2.5μm。为了减少拼接损耗单模光纤SM1采用的是HI1060，单模光纤SM2采用的是UHNA23，光子晶体光纤为玻璃空心光子晶体光纤。

拉曼光公式R＝I

由拉曼光公式可知，当K(λ)、λ一定时，提高入射光功率和提高散射截面积可有效增强拉曼效应。

高非线性光子晶体光纤和布拉格光栅，使入射的光在腔内不停的来回反射形成驻波，产生高功率激光，用来提高入射光功率,以此来增强拉曼光强。

当入射光进入如图1所示光子晶体光纤谐振腔后，光与待测样品分子相互作用产生拉曼散射。此时由于光子带隙效应，产生的光被强烈的束缚在光纤中心内，避免了泄露损耗，同时杂散光因不符合带隙效应而穿过包层消失在传输过程中，同时因光子晶体光纤空芯面积直径微小使得光与样品分子的作用集中在微米级面积上，因此增大了散射截面J(λ),使得拉曼光得到增强。

基于高非线性光子晶体光纤拉曼激光器的拉曼光谱增强装置及增强方法，将将掺镱激光器发射的光经过法拉第隔离器来防止各种原因产生的后向光对光源稳定性以及光路稳定性的影响，通过偏振控制器旋转入射光的方向，使得入射光的偏振方向与高非线性光子晶体光纤双折射轴的一端对齐，使得输出端的光发生线性偏振，增加稳定性。当光经过写有布拉格光栅的高非线性光子晶体光纤时，入射光在布拉格光栅两端来回反射形成驻波，最终获得高功率的激光输出。高压将测样品注入气室，气体样品充满整个纤芯时关闭阀门，使两个气室和光子晶体光纤三个部分构成一个密闭的空间；接着将所得到激光光源放在指定位置，打开激光光源光源进行气体的检测，光与待测样品分子相互作用产生拉曼散射，送至光谱分析仪进行分析。

所述的高非线性光子晶体光纤，就是在光子晶体光纤中掺杂了锗元素，增强其非线性而制成的高非线性光子晶体光纤。

所述的T型连接器将光子晶体光纤和传输单模光纤行耦合连接，调整两者的端面部分，尽可能使其在同一条直线上，以此来降低光传输的耦合损耗；同时它是一个三端口通道，作为待测气体的进气口和出气口。

本实施例成功实验了以氮气为背景气，氧气的定性定量分析。本发明具有高灵敏性、稳定性好、系统易于构建、应用范围广、易于扩充。利用高非线性光子晶体光纤和布拉格光栅对特定波长的光进行增强，光子晶体光纤的特性增大了光与样品的接触面积并减少了传播过程中产生的损耗，增大了散射截面积，因此都达到了拉曼效应增强的目的。

需要说明的是，在本文中，诸如术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。