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微型結(jié)構(gòu)光纖光譜小秘密
閱讀：418 發(fā)布時(shí)間：2021-5-24
NIR-M-F1是一款極為小巧的光纖型近紅外光譜儀，具有行業(yè)通用的標(biāo)準(zhǔn)SMA905接口，可用于替代價(jià)格昂貴的傳統(tǒng)近紅外光纖光譜儀。光纖接口特別適用于各類光路搭建，用于反射、透射/吸光度及光源測(cè)量。近紅光譜儀微型光纖式模塊
直接吸收光譜技術(shù)基于比爾-朗伯定律，P = P0(v)exp[-α(v)γCL]。當(dāng)特定頻率(v)的激光通過(guò)待測(cè)物質(zhì)時(shí)，一部分光能量被吸收，造成透射光功率的降低。通過(guò)分析透射譜可以確定待測(cè)物質(zhì)的濃度(C)和種類。微納結(jié)構(gòu)光纖光模場(chǎng)與待測(cè)樣品重疊效率(γ)高, 作用距離(L)長(zhǎng)，可以增大吸收信號(hào)，提高探測(cè)靈敏度。
光熱/光聲光譜技術(shù)是一種間接測(cè)量光譜吸收的方法，通常采用泵浦-探測(cè)方案。波長(zhǎng)或功率調(diào)制的泵浦光經(jīng)樣品吸收后，產(chǎn)生溫度變化或者發(fā)射聲波，引起探測(cè)光相位變化。通過(guò)干涉解調(diào)相位的變化可以獲得待測(cè)物質(zhì)的種類和濃度。和強(qiáng)度探測(cè)相比，相位檢測(cè)靈敏度高、動(dòng)態(tài)范圍大。光熱/光聲相位調(diào)制信號(hào)正比于泵浦光功率密度和氣體吸收長(zhǎng)度。
空芯光纖中光與氣體作用距離長(zhǎng)，基模模場(chǎng)的面積比自由空間光束要小得多。對(duì)同樣的泵浦光功率，光纖中心點(diǎn)的溫度可以比自由光束的溫度要高的多。同時(shí)，空芯光纖中氣體的熱傳導(dǎo)特性使得光熱相位調(diào)制幅度在高頻部分（10-100 kHz）比空間光學(xué)系統(tǒng)大；因此在這一頻段工作， 可以提高檢測(cè)的信噪比。作者團(tuán)隊(duì)利用5-15 cm 的空芯光纖作為樣品池，實(shí)現(xiàn)了多種氣體的高靈敏度（ppb量級(jí)）檢測(cè)，包括乙炔，氨氣, 甲烷, 乙烷 , 乙烯和二氧化碳等。
拉曼光譜技術(shù)也采用泵浦-探測(cè)方案。當(dāng)泵浦光和探測(cè)光的頻率差與樣品中待測(cè)物質(zhì)的拉曼頻移相匹配時(shí)，會(huì)產(chǎn)生拉曼增益和色散, 同時(shí)放大探測(cè)光的功率和調(diào)制探測(cè)光的相位。然而，由于氣體分子的拉曼散射截面非常小，導(dǎo)致拉曼信號(hào)通常很微弱。微納結(jié)構(gòu)光纖模場(chǎng)面積小，增益距離長(zhǎng)的特點(diǎn)，可以大大提高拉曼信號(hào)激發(fā)和收集的效率。
直接吸收光譜技術(shù)基于比爾-朗伯定律，P = P0(v)exp[-α(v)γCL]。當(dāng)特定頻率(v)的激光通過(guò)待測(cè)物質(zhì)時(shí)，一部分光能量被吸收，造成透射光功率的降低。通過(guò)分析透射譜可以確定待測(cè)物質(zhì)的濃度(C)和種類。微納結(jié)構(gòu)光纖光模場(chǎng)與待測(cè)樣品重疊效率(γ)高, 作用距離(L)長(zhǎng)，可以增大吸收信號(hào)，提高探測(cè)靈敏度。
光熱/光聲光譜技術(shù)是一種間接測(cè)量光譜吸收的方法，通常采用泵浦-探測(cè)方案。波長(zhǎng)或功率調(diào)制的泵浦光經(jīng)樣品吸收后，產(chǎn)生溫度變化或者發(fā)射聲波，引起探測(cè)光相位變化。通過(guò)干涉解調(diào)相位的變化可以獲得待測(cè)物質(zhì)的種類和濃度。和強(qiáng)度探測(cè)相比，相位檢測(cè)靈敏度高、動(dòng)態(tài)范圍大。光熱/光聲相位調(diào)制信號(hào)正比于泵浦光功率密度和氣體吸收長(zhǎng)度。
空芯光纖中光與氣體作用距離長(zhǎng)，基模模場(chǎng)的面積比自由空間光束要小得多。對(duì)同樣的泵浦光功率，光纖中心點(diǎn)的溫度可以比自由光束的溫度要高的多。同時(shí)，空芯光纖中氣體的熱傳導(dǎo)特性使得光熱相位調(diào)制幅度在高頻部分（10-100 kHz）比空間光學(xué)系統(tǒng)大；因此在這一頻段工作， 可以提高檢測(cè)的信噪比。作者團(tuán)隊(duì)利用5-15 cm 的空芯光纖作為樣品池，實(shí)現(xiàn)了多種氣體的高靈敏度（ppb量級(jí)）檢測(cè)，包括乙炔，氨氣, 甲烷, 乙烷 , 乙烯和二氧化碳等。
拉曼光譜技術(shù)也采用泵浦-探測(cè)方案。當(dāng)泵浦光和探測(cè)光的頻率差與樣品中待測(cè)物質(zhì)的拉曼頻移相匹配時(shí)，會(huì)產(chǎn)生拉曼增益和色散, 同時(shí)放大探測(cè)光的功率和調(diào)制探測(cè)光的相位。然而，由于氣體分子的拉曼散射截面非常小，導(dǎo)致拉曼信號(hào)通常很微弱。微納結(jié)構(gòu)光纖模場(chǎng)面積小，增益距離長(zhǎng)的特點(diǎn)，可以大大提高拉曼信號(hào)激發(fā)和收集的效率。