Viện Quang học và Máy móc chính xác Thượng Hải (SIPM) đạt được tiến bộ trong đầu dò Raman sợi lõi rỗng chống cộng hưởng với tiếng ồn nền thấp

Gần đây, một nhóm nghiên cứu từ Trung tâm nghiên cứu sợi và thủy tinh đặc biệt, Khoa vật liệu chức năng quang điện tử và laser tiên tiến, Viện quang học và máy móc chính xác Thượng Hải, Viện Hàn lâm khoa học Trung Quốc (SIPM) đã đạt được tiến bộ trong lĩnh vực đầu dò Raman cho nhiễu nền thấp bằng cách sử dụng hai loại sợi lõi rỗng chống cộng hưởng kép (AR-HCF) do chính họ phát triển, được thiết kế và chế tạo tại chỗ. sợi lõi (AR-HCF) và các mô-đun quang học bên ngoài để mở rộng chức năng của máy quang phổ Raman kính hiển vi cộng hưởng Renishaw Invia thương mại và bổ sung thêm chức năng phát hiện tại chỗ. Kết quả được tóm tắt là "Đầu dò Raman không có nền tại chỗ sử dụng sợi lõi rỗng chống cộng hưởng kép". Kết quả đã được công bố trên Biomedical Optics Express với tiêu đề "Đầu dò Raman không có nền tại chỗ sử dụng sợi lõi rỗng chống cộng hưởng kép".
Sợi quang lõi rắn thạch anh thông thường được sử dụng rộng rãi làm đầu dò để phát hiện Raman vì chúng là môi trường lý tưởng cho tín hiệu quang do có độ suy hao thấp và cửa sổ truyền rộng. Ứng dụng của nó, mặc dù có thể không bị hạn chế về hình dạng, kích thước và vị trí mẫu, nhưng vật liệu thủy tinh thạch anh của nó tương tác với tia laser bơm để tạo ra tín hiệu nhiễu nền rất mạnh, có xu hướng che giấu thông tin phổ Raman của mẫu cần thử nghiệm. Trong các báo cáo nghiên cứu trước đây, giải pháp chính thống là sử dụng đầu dò đa sợi, sử dụng các sợi khác nhau để dẫn ánh sáng kích thích và thu thập ánh sáng tín hiệu. Tuy nhiên, giải pháp này cũng yêu cầu bổ sung các thành phần quang học như bộ lọc ở đầu xa của sợi quang, điều này không chỉ làm giảm hiệu suất thu thập tín hiệu mà còn làm tăng kích thước của đầu dò.
Các nhà nghiên cứu đã chế tạo hai AR-HCF hai lớp bọc khác nhau bằng phương pháp xếp chồng và kéo, mặt cắt ngang của chúng được thể hiện trong Hình 1. Cả hai đều có thể giới hạn ánh sáng laser được dẫn chủ yếu trong lõi rỗng, giúp giảm đáng kể sự chồng lấn của trường ánh sáng với vật liệu thạch anh của chính sợi, do đó giảm đáng kể tiếng ồn nền thạch anh. Sau khi thử nghiệm hiệu suất, hai đầu dò sợi có thể đạt được khoảng hai cấp độ lớn về khả năng giảm tiếng ồn nền thạch anh so với các sợi thạch anh lõi rắn truyền thống. Cả hai AR-HCF đều được thiết kế đặc biệt để đạt được mức suy hao thấp trong các dải khả kiến ​​và gần hồng ngoại và có khẩu độ số lớn (khẩu độ số, NA) của lớp bọc ngoài (NA của lớp bọc ngoài lớn hơn 0.2, gấp khoảng mười lần so với lõi sợi). Công trình này được đặc trưng bởi việc chỉ sử dụng một sợi quang làm đầu dò để phát hiện Raman và sử dụng mô-đun đường dẫn quang học bên ngoài được thiết kế đặc biệt để thực hiện đầu dò kết hợp với máy quang phổ micro-Raman confocal Renishaw Invia có bán trên thị trường, như thể hiện trong Hình 2. Mô-đun được kết nối với giao diện thấu kính vật kính ban đầu của máy quang phổ, có thể ghép ánh sáng kích thích phát ra bên trong vào AR-HCF và cũng có thể truyền tín hiệu Raman thu được bởi đầu dò sợi quang trở lại máy quang phổ để phát hiện và phân tích. Nó cũng có thể mở rộng chức năng phát hiện tại chỗ trong khi vẫn phát huy được các đặc tính độ chính xác phát hiện cao của thiết bị. Tính khả thi của sơ đồ cũng được xác minh bằng cách phát hiện một số mẫu rắn và lỏng bằng đầu dò, chẳng hạn như phát hiện tại chỗ nhựa ABS, như thể hiện trong Hình 3. Kết quả dự kiến ​​sẽ có triển vọng ứng dụng rộng rãi hơn trong giám sát môi trường, y sinh và các lĩnh vực khác.

Hình 1. Ảnh mặt đầu của hai sợi quang lõi rỗng chống cộng hưởng được chụp bằng kính hiển vi điện tử lần lượt được hiển thị ở (a) và (b), trong khi (c) và (d) hiển thị ảnh của hai sợi được chụp bằng đèn nền của kính hiển vi quang học.

Hình 2. Sơ đồ đường dẫn quang của sơ đồ cảm biến Raman.

Hình 3 Hình (a) và (b) cho thấy kết quả phổ Raman của hai loại sợi quang lõi rỗng chống cộng hưởng được sử dụng làm đầu dò để phát hiện nhựa ABS, trong đó đường cong màu cam thu được từ mẫu được đo bằng đầu dò, đường cong màu xanh là tín hiệu nền của chính đầu dò và đường cong màu vàng là phổ thu được từ mẫu được đo trực tiếp bằng máy quang phổ Raman kính hiển vi cộng hưởng Renishaw Invia.