基于光子晶体光纤的拉曼谐振增强效应研究

In photonic crystal fiber, using the method of surface-enhanced Raman scattering(SERS) can significantly enhance some samples of the Raman signla in the fiber cavity, and then achieve the sensitivity of the detection of low concentrations, which has been widely used in the field of biochemistry. However, the method of SERS does not have universal significance, because it can only measure the material of macromolecular structure. The project proposed a new method, which is used cavity technology based on photonic crystal fiber cavity to enhance Raman effect: in photonic crystal fiber, the light wave energy is limited in the core and transmits along the fiber axial in the form of membrane of guided wave, while the cavity of the photonic crystal fiber is used as the sample pool. The method effectively limits the photon scattering and the power density per unit area has been able to remain at a relatively high lever, so that the intensity of Raman sacattering is increased. Further Laser photons is repeated through the resonator which only Raman light can through by use of total reflection, causing continuous optical amplification, a significant increase in the number of photons, improving the probability of photon caontacting with the sample of cavity, which increase the Raman scattering intensity. The method has nothing to do with the composition of sample, and it can be an universal means of detection instead of all sorts of special analytical instruments.

光子晶体光纤中采用表面增强拉曼散射（SERS）方法可显著增强光子空腔中某些样品的拉曼信号，进而实现灵敏度高的低浓度检测，在生物化学领域得到广泛应用。但是，该方法只能测量一些大分子结构物质，不具有普遍意义。本课题提出一种在光子晶体光纤中用谐振腔技术增强拉曼效应的新方法：在光子晶体光纤中，将光波能量限制在纤芯中并以导波膜形式沿光纤轴向传输，同时将光子晶体光纤的空腔作为样品池使用，限制光子散射，使单位面积的功率密度一直保持在较高水平，从而提高拉曼散射的强度；再进一步通过对瑞利光实现全反射，对拉曼光可以透过的谐振腔，使瑞利光子在谐振腔中反复通过，不断进行放大，大幅度增加光子的数量，提高光子与空腔中被测样品接触的几率，进而提高拉曼散射强度。该方法与被测样品成分无关，可以成为一种通用的检测手段，取代各种繁多的专用分析仪器。

拉曼光谱检测技术是一种以拉曼散射效应为基础的非接触式光谱分析技术，能对物质成分、结构进行定性、定量分析，以非破坏、灵敏度高、检测速度快等优点，广泛应用在化工、生物、材料等领域。然而由于在气体介质中拉曼散射截面小，拉曼散射光强度弱，成为了拉曼检测应用在气体分析领域的挑战。本项目利用空心光子晶体光纤的光学特性及其特殊的微孔结构，使其作为气体检测腔，针对谐振腔结构下的气体拉曼散射增强效应展开系列研究，取得成果有：.1) 针对空心光子晶体光纤参数对气体拉曼散射强度的影响，为将某一特定波长的光束在中心空气孔芯内进行单模传输，采用平面波展开法，借助Rsoft BandSolve软件对空心光子晶体光纤的光子带隙及模场分布进行了研究及数值模拟，其分析结果确定了激光波长。.2) 设计了激光腔加测试腔的光学谐振腔结构，通过两个谐振腔之间的模式匹配来减小腔内的激光损耗，提高拉曼散射强度。激光谐振腔用带有增透膜的半导体激光二极管为光源，小孔光阑进行模式选择实现锁模；气体测试谐振腔是由两个平凹透镜所构成，并对模式匹配下的谐振腔长度进行了实验。选择氮气作为待测气体样品，实验结果表明了气体拉曼散射的增强效果。.3) 设计了光学谐振腔结构的实验平台。包括：激光腔和测试腔的双谐振腔光路系统；激光二极管驱动控制系统，实现了微调波长，通过将激光束限制在激光腔内，由于模式匹配导致激光功率增大；利用光的谐振条件及原理，设计了基于压电陶瓷的气体测试腔反馈控制系统，实现微变腔长；利用硅雪崩光电二极管组成的多像素倍增器件作为光电转换器及高速采样计数模块，实现了拉曼散射光的单光子检测系统，及控制系统界面。.本项目的研究结果，不仅对气体分析及检测有一定的科学意义和工程应用价值，其研究内容及方法对医疗、环境、食品安全等分析及测试领域也有很好的借鉴作用。