상하이 광학 및 정밀 기계 연구소(SIPM), 낮은 배경 노이즈를 갖춘 반공진 홀로 코어 파이버 라만 프로브에서 진전

최근 중국과학원(SIPM) 상하이 광학 및 정밀기계 연구소 고급 레이저 및 광전자 기능성 재료부 특수 유리 및 섬유 연구 센터의 연구팀은 자체적으로 설계 및 제작한 두 가지 유형의 이중 클래딩 반공진 중공 코어 파이버(AR-HCF)와 외부 광학 모듈을 사용하여 상업용 Renishaw Invia 공초점 현미경 라만 분광기의 기능을 확장하고 현장 검출을 추가하여 낮은 배경 잡음을 위한 라만 프로브 분야에서 진전을 이루었습니다. 결과는 "이중 클래딩 반공진 중공 코어 파이버를 사용한 현장 배경 없는 라만 프로브"로 요약됩니다. 결과는 Biomedical Optics Express에 "이중 클래딩 반공진 중공 코어 파이버를 사용한 현장 배경 없는 라만 프로브"라는 제목으로 게재되었습니다.
기존의 석영 솔리드 코어 광섬유는 손실이 적고 투과 창이 넓어 광 신호에 이상적인 매체이기 때문에 라만 검출용 프로브로 널리 사용됩니다. 샘플 모양, 크기 및 위치의 제한에서 자유로울 수 있지만, 자체 석영 유리 재료가 펌프 레이저와 상호 작용하여 매우 강한 배경 잡음 신호를 생성하여 테스트할 샘플의 라만 스펙트럼 정보를 가리는 경향이 있습니다. 과거 연구 보고서에서 주류 솔루션은 다중 섬유 프로브를 사용하는 것이었습니다. 이는 다른 섬유를 사용하여 여기 광을 전도하고 신호 광을 수집합니다. 그러나 이 솔루션은 광섬유의 원위 단부에 필터와 같은 광학 구성 요소를 추가해야 하며, 이는 신호의 수집 효율을 감소시킬 뿐만 아니라 프로브의 크기도 증가시킵니다.
연구자들은 스택 앤 드로우 방법을 사용하여 두 개의 서로 다른 이중 클래딩 AR-HCF를 제작했으며, 그 단면은 그림 1에 나와 있습니다. 두 가지 모두 레이저 광이 주로 중공 코어에서 전도되도록 제한할 수 있어 광섬유 자체의 석영 재료와 빛 필드의 중첩을 크게 줄여 석영 배경 잡음을 크게 억제합니다. 성능 테스트 후, 두 광섬유 프로브는 기존의 솔리드 코어 석영 광섬유와 비교하여 약 두 자릿수의 석영 배경 잡음 억제를 달성할 수 있습니다. 두 AR-HCF 모두 가시광선 및 근적외선 대역에서 낮은 손실을 달성하도록 특별히 설계되었으며 외부 클래딩의 큰 수치 개구부(수치 개구부, NA)를 갖습니다(외부 클래딩의 NA는 0.2보다 크며 이는 광섬유 코어의 약 10배입니다). 이 작업은 라만 검출을 위한 프로브로 단 하나의 광섬유를 사용하고, 그림 2에 표시된 대로 상업적으로 이용 가능한 Renishaw Invia 공초점 마이크로 라만 분광기와 함께 프로브를 실현하기 위해 특별히 설계된 외부 광 경로 모듈을 사용하는 것이 특징입니다. 이 모듈은 분광기의 원래 대물 렌즈 인터페이스에 연결되어 내부에서 방출된 여기 광을 AR-HCF에 결합할 수 있으며, 광섬유 프로브에서 수집한 라만 신호를 검출 및 분석을 위해 분광기로 다시 전송할 수도 있습니다. 또한 계측기의 높은 검출 정확도 특성을 활용하면서 현장 검출 기능을 확장할 수도 있습니다. 이 계획의 실행 가능성은 그림 3에 표시된 대로 ABS 플라스틱의 현장 검출과 같이 프로브를 사용하여 일부 고체 및 액체 샘플을 검출함으로써 검증되었습니다. 이 결과는 환경 모니터링, 생물 의학 및 기타 분야에서 더 광범위한 응용 가능성이 있을 것으로 기대됩니다.

그림 1 (a)와 (b)는 각각 두 개의 반공진 중공 코어 광섬유의 전자 현미경 단면 사진을 나타내고, (c)와 (d)는 각각 광학 현미경의 백라이트로 촬영한 두 광섬유의 사진을 나타낸다.

그림 2 라만 센싱 방식의 광학 경로의 개략도.

그림 3 그림 (a) 및 (b)는 각각 ABS 플라스틱을 검출하기 위한 프로브로 사용된 두 종류의 반공진 중공 코어 광섬유의 라만 스펙트럼 결과를 보여줍니다. 주황색 ​​곡선은 프로브로 측정한 샘플에서 얻은 것이고, 파란색 곡선은 프로브 자체의 배경 신호이며, 노란색 곡선은 Renishaw Invia 공초점 현미경 라만 분광기로 직접 측정한 샘플에서 얻은 스펙트럼입니다.