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超强激光科学卓越创新简报

(第五百零四期)

2024年4月8日

上海光机所在低背景噪声的反谐振空芯光纤拉曼探针方面取得进展

近期，中国科学院上海光学精密机械研究所先进激光与光电功能材料部特种玻璃与光纤研究中心研究团队，针对原位检测拉曼信号的需求，利用自主设计制备的两款双包层反谐振空芯光纤(anti-resonant hollow-core fibers, AR-HCFs)与外接的光路模块对实验室商用Renishaw Invia共聚焦显微拉曼光谱仪进行了功能拓展，增加了原位检测功能。相关成果以“In-situ background-free Raman probe using double-cladding anti-resonant hollow-core fibers”为题发表在Biomedical Optics Express上。

传统石英实芯光纤因为损耗低、传输窗口宽，是光信号的理想媒介，因此被广泛用于拉曼检测的探针。其在应用时，虽然可以摆脱样品形状、大小和位置的限制，但本身的石英玻璃材料与泵浦激光相互作用后，会产生非常强烈的背景噪声信号，该信号往往会掩盖待测样品的拉曼光谱信息。在过去的研究报道中，主流解决方案是采用多光纤探针，利用不同的光纤来传导激发光和收集信号光。但此方案还需要在光纤远端增加滤光片等光学元件，这不仅会降低对信号的收集效率，而且也会增大探针的体积。

研究人员利用堆积-拉制法（stack-and-draw）制造了两款不同的双包层AR-HCFs，截面如图1所示。它们均能将激光主要约束在空芯中传导，使得光场与光纤本身石英材料的交叠大大减少，从而能极大抑制石英背景噪声，经过性能测试，两款光纤探针对比传统实芯石英光纤，能实现约两个数量级的石英背景噪声抑制。两款AR-HCFs均经过特殊设计，实现了在可见和近红外波段低损，且具备较大数值孔径（numerical aperture, NA）的外包（外包层的NA均大于0.2，约为纤芯的十倍）。此工作的特点是，仅使用一根光纤作为拉曼检测的探针，并且利用专门设计的外接光路模块，实现探针与商用的Renishaw Invia共聚焦显微拉曼光谱仪的结合，如图2所示。模块连接在光谱仪原物镜接口上，可以将内部发出的激发光耦合到AR-HCFs中，也能将光纤探针收集到的拉曼信号回传给光谱仪进行检测分析。在发挥仪器高检测精度特点的同时也能拓展其原位检测的功能。利用探针对一些固体、液体样品的检测也验证了方案的可行性，例如对ABS塑料进行原位检测，如图3所示。研究结果有望在环境监测、生物医疗等领域具备更广阔的应用前景。

原文链接

图1 两款反谐振空芯光纤的电子显微镜端面照片分别展示在(a)和(b)中，而(c)和(d)分别展示的是二者由光学显微镜背面打光拍摄的照片。

图2 拉曼传感方案光路示意图。

图3 图（a）（b）分别展示两种反谐振空芯光纤作为探针检测ABS塑料的拉曼光谱结果，其中橙色曲线由探针测量样品得到，蓝色曲线是探针自身的背景信号，黄色曲线是Renishaw Invia共聚焦显微拉曼光谱仪直接测量样品得到的光谱。

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