基于空芯波导的拉曼系统和方法技术方案

本发明专利技术的实施例包括用于感测同核双原子分子、如氮的系统。其它实施例包括一种用于感测同核双原子分子的方法。该系统可包括：光源；空芯波导装置，在预定工作光频率呈现低衰减，并且与光源进行光通信；气体引入系统，用于在光源与空芯波导装置之间引入气体介质；以及检测器，与空芯波导装置进行光通信。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
一般来说，本专利技术涉及气体感测系统和方法，更具体来说，涉及基于空芯波导的拉 曼系统和方法。
技术介绍
同核双原子分子一般难以检测和测量。例如，如氮和氢之类的分子在标准压力和 温度条件下不吸收光。因此，它们即使不是不可能，也是难以采用基于光吸收的技术来检测 和定量的。此外，氧具有难以用于可靠定量测量的弱禁止吸收带。最常见的分析方法基于 低温气相色谱法。存在极少已知用于这类分子的高准确度和精度检测及定量的可靠技术。由于这类 分子的对称性，所以它们是拉曼活性的，从而使得有可能根据其拉曼光谱峰值以高选择性 来识别这些分子。拉曼感测广泛应用于检测各种化学化合物和生物材料。拉曼光谱法测量来自分子 与单色光之间的交互作用的非弹性散射光的频率变化和强度。拉曼散射的光谱位移可与输 入光子和分子的交互作用相关联。光子损失或者获得能量，与分子的特定振动、旋转或电子 能态进行交互作用。因此有可能从其拉曼峰值位置来识别分子，拉曼峰值位置指示各种分 子能级。拉曼散射是入射光功率(Itl)、入射光的波长(λ)的四次方的倒数、光束中的材料 的浓度(C)以及分子的散射截面(J)的函数。另外，任何实验设置和/或样本具有它自己 对收集和分析光的仪器的能力的限制。这个因数通常称作仪器因数(K)。因此，所观测的拉 曼散射的简化等式可表达如下R= IQc JK/λ4 等式(1)显然，如果实验条件受到控制，则拉曼光谱法应当能够进行定量分析，即，拉曼信 号的强度与分子的分压或浓度成比例。拉曼截面与浓度因数相乘。对于许多拉曼样本，该 因数本质上是固体或液体的因数。对于气体样本，该因数近似为4. 5Χ10—5。因此，例如气 体等低密度介质的拉曼感测是一大难题。通常采用大约瓦特级的强激光功率以及从50至 100个大气压的高气压。另外，混合物中的气体成分的浓度的定量要求强信号，特别是在低 浓度。因此，要求增强技术从气体混合物产生和收集拉曼散射光子。拉曼信号固有地很弱，大致比荧光要小10至16个数量级。为实现较低检测限制， 表面增强拉曼(SERQ和/或共振拉曼已经用于改进某些化学品的拉曼信号。SERS要求将 目标分子吸收到粗糙金属表面上。共振拉曼要求振动与电子级之间的强耦合；因此它们不 是通用的。用于增加拉曼信号的强度的一种已知方法是相干反斯托克斯拉曼光谱法(CARS)， 它是一种使用两个或更多强光束来生成反斯托克斯蓝移拉曼信号的非线性光学方法。CARS 实验不是常规的，并且极为依赖昂贵激光器的性能的再现性。参见例如Begley R. F.等人 的“相干反斯托克斯拉曼光谱法”(Applied Physics Letters，25，387 (1974))。因此着重强 调改进光与气体分析物之间的交互作用，这通常涉及多通布置，其中照射激光束从各种方向聚焦到样本体积。10至100的增益大概是从这种方式可能得到的全部。但是，这种方式 本身的限制在于，光镜易受到污染。功率的损耗与对于反射次数的幂的反射率成反比。甚 至对于适度有效的，反射次数可在25与100之间，因此甚至非常轻微的污染也可对细胞效 率具有破坏性影响。光子带隙光纤是已知的，并且某些范围中的商业产品是可获得的。参见www. crystal-fibre. com0这些光纤采用由蜂巢结构围绕的中心空芯。与依靠折射率差来引导 光的传统光纤相反，光子带隙光纤根据气孔的周期性结构所创建的带隙来引导光。95%以 上的光通过中心的芯来引导。参见 G. Humbert、J. C. Knight、G. Bouwmans, P. S. J. Russell、 D. P. Williams, P. J. Roberts和B. J. Mangan的“用于光束传输的空芯光子晶体光纤”， Opt. Express 12,1477-1484(2004) ；Russell P.的“光子晶体光纤”，Science, 299, 358462.2003。芯和蜂巢的尺寸可经过定制，从而产生特别调谐到特定波长的光纤。在空 芯中引导光具有以前不可能的许多应用。它已经用于弱吸收气体的IR吸收测量。参见 T. Ritari、J. Tuominen、H. Ludvigsen、J. Petersen、Τ.S0rensen、Τ. Hansen 禾口 H. Simonsen 的“使用空气引导光子带隙光纤的气体感测”，OpticsExpress, Vol. 12，Issue 17，第 4080-4087页。特别是对于拉曼光谱法，空芯提供气体与激光之间的长交互作用长度，同时 保持激光束紧紧地限定在单个模式中。空芯内部的光子强度因微米尺寸的空间而非常大。 这具有极大地增强氮或者任何其它所包含气体的气相光谱的潜力。例如，参见美国专利公 布2006/0193583。此外，拉曼装置中的光子带隙的使用也是已知的。参见例如美国专利 No. 7283712 (以下称作“Smw专利”)。Smw专利公开一种气体填充的空芯硫族化物光子带 隙光纤拉曼装置。Siaw专利的特定拉曼装置设计用于红外光。此外，Shaw专利的特定拉曼 装置包括掺杂部分。一种同核双原子分子、即氮是存在于天然气中的关键成分。实现氮的直接测量的 方法的开发在开发用于天然气工业的推理能量计的过程中是关键的。因此，开发对同核双 原子分子进行检测和定量的新方法是有利的。
技术实现思路
本文所述的专利技术的一个实施例针对一种用于感测氮的系统。该系统包括光源以及 在预定工作光频率呈现低衰减的空芯波导装置。空芯波导装置与光源进行光通信。该系统 还包括用于在光源与空芯波导装置之间引入气体介质的气体引入系统以及与空芯波导装 置进行光通信的检测器。本专利技术的另一个实施例针对一种用于感测同核双原子分子的系统。该系统包括光 源、与光源进行光通信的未掺杂空芯波导装置、定位在光源与未掺杂空芯波导装置之间的 透镜以及用于在光源与空芯波导装置之间引入气体介质的气体引入系统。该系统还包括与 空芯波导装置进行光通信的检测器以及定位在未掺杂空芯波导装置与检测器之间的滤波ο本专利技术的另一个实施例针对一种用于感测同核双原子分子的系统。该系统包括光 源以及与光源进行光通信的空芯波导装置。该系统还包括用于在光源与空芯波导装置之间 引入气体介质的气体引入系统以及与所述空芯波导装置进行光通信的检测器。空芯波导装 置配置成在光谱的可见光范围进行传输。本专利技术的另一个实施例是一种用于感测同核双原子分子的方法。该方法包括通 过在预定工作光频率呈现低衰减的空芯波导装置传输来自光源的光；在光源与空芯波导装 置之间引入气体介质；以及检测气体内的同核双原子分子。本专利技术的另一个实施例是一种用于样本中的至少一种分析物的光学测量的方法。 该方法包括在控制二次辐射的非分析物相关发射的激发条件下将光激发到光子晶体光纤 中。通过以下结合附图提供的本专利技术的优选实施例的详细描述，这些及其它优点和特 征将更易于理解。附图说明图1是根据本专利技术的一个实施例构造的感测系统的示意图。图2是根据本专利技术的一个实施例构造的另一个感测系统的示意图。图3是根据本专利技术的一个实施例构造的另一个感测系统的示意图。图4A和4B是示出图1-3的感测系统中使用的光子晶体光纤的视图。图5示出在一个大气压的空气的拉曼光谱。图6示出氮本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于感测氮的系统，包括：　　光源；　　在预定工作光频率呈现低衰减的空芯波导装置，所述空芯波导装置与所述光源进行光通信；　　气体引入系统，用于在所述光源与所述空芯波导装置之间引入气体介质；以及　　与所述空芯波导装置进行光通信的检测器。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈睿，
申请(专利权)人：通用电气公司，
类型：发明
国别省市：US