[发明专利]一种自由空间光学微腔拉曼激光传感装置及其传感方法

说明书

本发明公开了一种自由空间微腔拉曼激光传感装置及其传感方法。本发明的传感装置包括：激光光源、第一聚焦物镜、光学微腔、第二聚焦物镜、第一准直透镜、第二准直透镜、第一光电探测器、示波器、滤波片、第三聚焦物镜、第二光电探测器和基础频谱分析仪。本发明通过自由空间可调频激光激发光学微腔的拉曼激光，通过观测拉曼激光的拍频频率，得出吸附在光学微腔表面的纳米级尺寸粒子的信息；在自由空间拉曼激光传感技术中，回音壁模式和拉曼激光通过可调频激光器在由自由空间直接激发，通过规避由于光纤锥的引入而带来的技术问题，提高了装置的灵活性，降低了信噪比，从而提高了传感装置的灵敏度，降低了检测极限。

技术领域

本发明涉及拉曼激光传感技术，尤其涉及一种自由空间光学微腔拉曼激光传感装置及其传感方法。

背景技术

现有的光学微腔拉曼激光传感技术通过光纤锥将倏逝波耦合到光学微腔中激发回音壁模式，如图1所示，回音壁模式激发拉曼激光，当有纳米级尺寸粒子吸附到光学微腔的表面时，拉曼激光拍频的频率产生变化，从这种变化中解读出纳米级尺寸粒子的信息。光纤锥由普通光纤拉制而成，首先普通光纤的保护层被去除，并转移到可移动平台上，通过氢氧焰融化光纤，进而拉制出直径为百纳米级的光纤锥。光纤锥中注入可调频激光，并慢慢靠近光学微腔的边缘，当两者之间的距离进入倏逝波场，并且倏逝波与回音壁模式的波长相同时，光纤锥中的倏逝波将耦合进光学微腔激发回音壁模式，由于光学微腔的高品质因子，回音壁模式可以激发低阈值拉曼激光。沿相反方向传播的拉曼激光耦合产生拍频，当纳米级尺寸粒子吸附在光学微腔的表面时，拍频的频率发生变化，通过监测这种变化，形成测量纳米级尺寸粒子的数量和尺寸的传感机制。

在通过光纤锥的倏逝波激发光学微腔的回音壁模式，从而实现拉曼激光的传感技术中，主要有三个技术问题无法避免：首先，为了保证光纤锥和光学微腔的耦合效率，需要严格控制两者之间的距离，而光纤锥的纳米级尺寸使得其极易受周围环境的影响，比如空气流动，温度变化等，使得光纤锥和光学微腔间的耦合条件发生变化，进入输出信号(拉曼拍频)降低信噪比，甚至导致对纳米级尺寸粒子信息的错误解读；其次，百纳米级尺寸的光纤锥易断，增加了技术的操作难度；最后，由于回音壁模式的产生依赖于光纤锥，增加了该技术运用到集成芯片工艺中的难度。

发明内容

针对以上现有技术中存在的问题，本发明提出了一种自由空间光学微腔拉曼激光传感装置及其传感方法，通过自由空间可调频激光激发光学微腔的拉曼激光，进而观测拉曼激光的拍频频率，得出吸附在光学微腔表面的纳米级尺寸粒子的信息。

本发明的一个目的在于提供一种自由空间光学微腔拉曼激光传感装置。

本发明的得到回音壁模式的波长范围与分析拉曼激光拍频可以采用收集同一个出射光方向的出射光，也可以采用收集不同的出射光方向的出射光。

采用收集同一个出射光方向的出射光，本发明的自由空间光学微腔拉曼激光传感装置包括：激光光源、第一聚焦物镜、光学微腔、第二聚焦物镜、第一准直透镜、光纤分束器、第一光电探测器、示波器、第二准直透镜、滤波片、第三聚焦物镜、第二光电探测器和基础频谱分析仪；其中，在光学微腔的表面附着有纳米级尺寸粒子；光学微腔为非旋转对称的介质实心体，具有高品质因子的回音壁模式，并且实现激光定向性出射；激光光源提供宽带扫频激光，经过第一聚焦物镜将激光耦合进光学微腔，激发光学微腔的回音壁模式；由设置在出射光方向的第二聚焦物镜收集，经过第一准直透镜进入光纤分束器，一部分光信号通过第一光电探测器转化成电信号，进入示波器进行分析，得到回音壁模式的波长范围；激光光源发射回音壁模式的波长范围内的高功率激光，经过第一聚焦物镜将激光耦合进光学微腔，激发光学微腔的回音壁模式；回音壁模式激发附着有纳米级尺寸粒子的光学微腔的拉曼激光；在出射光方向设置第二聚焦物镜，收集出射光，出射光包括激光、回音壁模式和拉曼激光；出射光经过第一准直透镜进入光纤分束器，一部分光信号通过第二准直透镜，由滤波片滤掉激光和回音壁模式，由第三聚焦物镜收集进入第二光电探测器转化成电信号，进入基础频谱分析仪，分析拉曼激光拍频的频率信息，从频率信息解读吸附在光学微腔表面的纳米级尺寸粒子信息。