专利名称：光纤探测器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于光谱学上的光纤探测器。该探测器包括一根或多根光纤以及 光输入/输出耦合器，该光输入/输出耦合器分别用于将光耦合到光纤和将来自同一光纤 的光耦合输出。光耦合器设在光纤或光纤束的一端，此后称该端为近端。
背景技术：
用于光谱学的光纤探测器在该领域内被广泛公知。通常这样的光纤探测器包 括第一光纤或第一光纤束以将光从探测器近端导向探测器远端，以及用于将光导向回探 测器近端的第二光纤或第二光纤束。光感测元件如衰减全反射感测元件或透射/反射 (Trans-Reflex)元件设在光纤探测器的远端。为了确定样品的光谱特性，光感测元件通常 设为与样品相互作用的方式，这样进入到光感测元件的光被样品改变并将其反射回到光纤 束的光纤中，所以它最终从光纤或光纤束的近端发射出来，能够通过分析检测器元件如基 于衍射光栅的光谱计、傅里叶变换干涉仪或具有相关光电管的光谱过滤器，或检测器的阵 列来分析它们。这种探测器的实例公开于US 5，754，722。
发明内容
本发明的目的是提供一种改进的光谱探测器，其具有高效率，小直径及高度灵活 性。根据本发明，该目的通过具有光输入/输出耦合器的双向光导纤维光谱探测器达 到。该探测器包括单一光纤或光纤束，每个光纤具有近端、远端以及数值孔径NA = sin θ。 该数值孔径NA描述了光纤的近端能够接收或发射光的角度范围。该数值孔径取决于纤维 芯的折射率η并且由NA = η * sin θ给定。θ为受光角被定义为光纤在其近端的接受锥 角的半角。光耦合器是一种输入/输出耦合器，它设在与近端相邻或接近处，用于将光耦合 到所述近端并聚集来自光纤或光纤束的所述近端的光。双向光导纤维光谱探测器还包括设 在与光纤探测器的所述远端相邻或接近处的光感测元件。该光感测元件适于检测待与所述 感测元件接触或接近的样品的光谱性质。输入/输出耦合器用于将高阶模式的光线耦合到光纤的近端并使低阶模式的光 线传给分析感测元件。光输入/输出耦合器包括输入耦合装置，它用于以介于θ和θ/χ 之间的入射角将光耦合到所述光纤或所述光纤束的所述近端，其中Χ在1到10之间的范围 内。该光输入/输出耦合器还包括输出耦合装置，它用于聚集来自光纤或光纤束的近端的 角度小于θ/χ的光。因此，该输入/输出光耦合器用于将较高阶模式的光耦合到所述光纤 或光纤束并聚集来自所述光纤或所述光纤束的所述近端的相对低阶模式的光。光纤或光纤束的每根光纤用做于转换器，它将沿光纤传播光的光模式从相对较高 阶模式转换为相对较低阶模式。θΛ是输入/输出分离角。每根光纤能够被看作是空间滤
4波器，当光沿所述光纤传播并从远端和所述光感测元件反射时，它使所述相对较高阶模式 的光衰减至并至少部分地将其功率重定向至所述相对低阶模式的光。换句话说，要求保护的发明利用了当光沿光纤传播时，光纤能够集中较高阶模式 的光并将较高阶模式的光转换为较低阶模式的光的作用。这使得耦合入具有相对高能的较 高阶模式的光以及重新获得具有较低阶光模式的高能量信号成为可能。利用空间滤波器的 特性使更多的光并且因此更高的光能输入耦合到所述光纤成为可能同时受益于单一光纤 的优点，它用于将光传给光感测元件及此后反射回到探测器的近端。总而言之，至少，不需 要如在通常的探测器中使用两根光纤-一根光纤传输光而另一根聚集从感测元件返回的 光-就能够改善信噪比。因此，排除了在混合光纤束中两根或多根光纤的需要及使用大尺 寸光学元件(像昂贵的金刚石衰减全反射元件)的需要。结果基本上能够减小探测器的直 径及价格，同时探测器将会更加柔韧并且能够用于微反应器，用于人体内镜检查术甚至血 管内部。因此，改进了探测器的信噪比中的效率同时基本上改进了其它所有的探测器参数。由于仅使用单一光纤传播光并聚集来自单通道光谱计的远端检测器元件的光的 能力而产生了其它优点。本发明也可应用于多通道光谱计其中每个光纤如上所描述被使 用。在优选的实施方式中，光纤光谱探测器包括单一光纤用于将耦合到所述单一光纤 的所述近端的光导向在所述单一光纤的远端的所述光感测元件并从所述光感测元件返回 到所述单一光纤的所述近端。单一光纤用作为将从较高阶光模式转换较低阶光模式的传播 光模式转换器，因此通过光耦合器，将耦合入所述光纤的光从出自所述光纤的光中分离出 来。耦合到所述光纤中的光来自于光源。来自所述光纤的光已通过在光纤的远端的感测元 件。因此，光纤探测器的典型输出耦合效率能够超过在光纤近端使用分束器或Y-光纤分路 器时所能达到效率，其在最佳案例中提供不超过50%的最大效率(参阅DE 10034220A1的 图5)。更加优选地，光导光谱探测器包括两根或多根光纤，其中一根光纤用于记录参考 谱而另一根光纤用于信号谱登记以用来谱对比，两根或多根光纤中的每一个也用于如上所 述的导向。在参考谱或背景谱可能变化时及需要对比信号谱和背景谱时优选这种设置。至 少两根光纤中的二者双向运行，首先，双通道光谱计排除了测量背景谱的需要，只要测量信 号谱——它经常需要计算这些光谱比，然后，具有两个或多个双向光纤的双(或多)通道光 谱计探测器使任何在相同的条件和相同时间测量背景谱和信号谱的过程的�？氐奈ㄒ豢� 能性成为可能，防止任何控制重要过程参数中的漂移和伪像。更加优选地，光输入/输出耦合器包括光导向元件或光导引元件，它用于使来自 所述光纤的所述近端的光以介于0到θ/x间的角度直接传向分析检测器，并将来自光源的 光直接耦合到所述光纤，由此它以介于0到θ /χ的角度进入到光纤的近端。输入/输出耦合器的一种优选实施方式包括光导向元件，其用于使光纤的近端发 射的光直接传给分析检测元件，使光源发射出的光改变方向，以使它直射到光纤的所述近 端。换而言之，分析检测器元件可设在与光纤在其近端成一直线处，光源设在偏离直射到光 纤近端处的光路，因此为了最后到达光纤近端它需要改变方向。光导向元件可包括一个反 射镜或由反射镜组成。这样的设置使光纤近端发射的所有低阶光模式能够传播到分析检测 元件由此避免不必要的损失。因此尽可能多的被样品改变的光被利用。另一方面，由于普通光源能够容易地提供额外的光，可降低输入耦合效率。此外，通过使用设计用于聚集来自 大尺寸光点的光的输入耦合光纤束或光纤锥束，可提供用于聚集更多来自大尺寸光源的光 并将光输入耦合到光纤的装置，如在图6和图7的更加详细地叙述的那样。一个光导向元件或多个光导向元件或一个光导引元件或多个光导引元件优选地 包括反射镜、透镜或光纤或它们的组合。在特别优选的实施方式中，光输入/输出耦合器包括两个或多个反射镜。可选地， 光导向的输入/输出耦合器包括一个或多个透镜以及至少一个反射镜。在其它的可选的实 施方式中，光导向的光输入/输出耦合器包括两个或多个反射镜以及一根或多根光纤。光输入/输出耦合器的其它优选的实施方式公开于以下典型的实施方式中。
现基于图中所描述的典型实施方式来描述本发明。图中示出了图1示出了本发明原理的图解；图2示出了根据本发明使用反射镜的光输入/输出耦合器的第一典型实施方式；图3使用反射镜的光输入/输出耦合器的另一种实施方式；图4示出了使用反射镜与透镜结合的光输入/输出耦合器的实施方式；图5示出了使用透镜和反射镜结合的另一种设置的光输入/输出耦合器；图6a示出了使用反射镜和光纤结合的光输入/输出耦合器；图6b示出了使用光纤和反射镜的光输入/输出耦合器的另一种实施方式；图6c/6d示出了与图6b相似的使用光纤的实施方式，该光纤的近端具有锥形覆 层；图7a示出了使用透镜和光纤结合的光输入/输出耦合器；而且图7b示出了使用透镜和光纤结合的光输入/输出耦合器的另一种实施方式。
具体实施例方式图1说明了本发明的基本原理。光纤10具有受光角θ。由于全反射从而不能聚 集由θ定义的锥形区域外的任何光。根据本发明，光应该以大于θ/2χ的角度耦合进入光 纤10的近端12。光沿光纤10的长度方向传播至其远端14。在该远端14处，设有光谱感 测元件16。该光谱感测元件16可以是晶体，它用于对进入到晶体中的光线和对由晶体反射 回到光纤10的光线进行衰减全反射。晶体中反射光的衰减取决于紧邻于晶体的介质。在已经经过光谱感测元件16之后，光沿光纤10传回到其近端。光纤10包括周围用覆层包围的中心部分，覆层具有相对高的折射率。典型的中 心部分/覆层的直径可能是，例如，600μπι(中心部分)及700 μ m(中心部分包括覆层)或 900/1000 μ m,数值孔径(NA = nsin * θ，θ 受光角及η 折射率)可能是介于0. 22和0. 3 之间，但是不限于这些参数。光纤10作为空间滤波器或模转换器将较高阶光模式转换为较低阶光模式的作用 于沿光纤10传播的光上。较低阶光模式相应于关于光纤10中心轴的较小传播角。由于光 纤10的模式转换作用，耦合进入光纤10的具有相对高的倾角的光的大部分最终以相对小 的倾角从光纤10的近端12射出。
图1中的简图a到f示出了光纤10内的光传播角的分布，以及，更特别地，示出了 在光纤的长度上-从其输入端到具有反射感测元件的输出端及返回到输入端-光纤中的辐 射传播的相应强度曲线的变化。图la)到If)中的分布曲线图示出了在这种情况下的分布 曲线光纤10近端的输入辐射曲线的是环形曲线(但是在光纤数值孔径内)，而输出辐射 被重分配成具有较小输出角的主功率的曲线。图la)是在其近端进入到光纤10的光的传播角的分布图。图lb)示出了从近端 传到远端14距离远端14接近一半时，光传播角的分布。图Ic)是光在其远端14离开光纤 时，光传播角的分布。图Id)是光在已经经过光谱感测元件16后在其远端14再次进入到 光纤10时，光传播角的分布。图Ie)示出了光从远端14传回到近端12距离远端14接近 一半的位置时，光传播角的分布。图If)最后示出了光从近端12射出时，光传播角的分布。 每个简图的中心相应于关于光纤中心轴线为0的传播角。从图1中这是显而易见的相对高能的光能够以关于光纤中心轴的相对高的倾角 耦合进入光纤10，同时还能够将大部分的从光纤10远端14出射的光聚集在相对小的倾角 内。在与较高阶光模式相应的较高倾角下的耦合效率并不如在与较低阶光模式相应的较低 倾角下的耦合效率好，这不是严重的缺点，因为能够容易地提供多余的进入到光纤的光能 而不影响探测器的效率和信噪比。为了达到图1说明的效果，光输入/输出耦合器设在光纤10的近端12(图1中未 示出)。图2到图7中示出了该光输入/输出耦合器的多种实施方式。在图2中，示出了由反射镜组成的光输入/输出耦合器20。该输入/输出耦合器 20是建立在以下基础上的输入光束(平行)由离轴(off-axe)抛物柱面反射镜22以相 对于光纤纵轴的一个角度聚焦至光纤近端并且通过离轴椭圆镜24将出来的光束再聚焦到 检测器。因此，第一抛物柱面反射镜22将来自于光源(未示出)的光导向光纤10的近端 12所以光以介于θ和θ/χ之间的角度进入光纤10。椭圆镜24将来自于远端14的、角度 介于0到θ/χ之间的光导入光谱检测元件26。光源(未示出)可能是具有或不具有傅里叶变换干涉仪的红外线加热的黑体(碳 硅棒)。或者，光源可以是灯，例如，钨丝电灯泡、等离子体灯泡或是其它类型的灯。光源也 可以是激光，用于引起荧光或拉曼散射信号，输入/输出耦合器从光纤的近端收集该信号 用于光谱分析。光源的其它可能的实施方式是可调谐激光器或发光二极管(LED)。光谱检测元件可能是高温检测器(pyrodetector =PDA)的阵列、光电二极管、电荷 耦合器件(CCD)或类似元件。光谱检测元件可设有衍射光栅。此外，光谱检测元件可能是 傅里叶变换干涉仪的一部分。在图3中示出了一种由反射镜组成的光输入/输出耦合器20’的不同实施方式， 其特征在于具有用于提供平行进入光束的轴锥体30，用于将该光束聚焦到光纤近端上的球 面环状反射镜32以及用于将射出的光束再聚焦到检测器上的离轴椭圆镜34。因此，根据 图3所示的光输入/输出耦合器20’包括设在光纤10的近端12周围的轴锥体反射镜30， 该反射镜用于将来自光源(未示出)的光反射到第一球面环状反射镜32，第一球面环状反 射镜32又将来自光源的光反射到光纤10的近端。该球面环状反射镜32具有中心开口，以 使来自光纤10的近端12的光能够传给离轴椭圆镜34，椭圆镜34将来自光纤10的近端12
7的光导向光谱感测元件26’。该球面环状反射镜32的中心开口的直径等于由角度θ/χ定 义的圆锥体的宽度。该球面环状反射镜32的总直径(外径)相应于由θ定义的圆锥体的 外径。图4示出了与图3所示设计相似的光输入/输出耦合器20”，其输入耦合光路与图 3相同，但是使用再聚焦透镜而不是离轴椭圆镜。输入耦合光路包括设在光纤10的近端12 周围的轴锥体反射镜30，它使将被耦合到光纤的光反射到球面环状反射镜32，球面环状反 射镜32将光再定向到光纤10的近端12。来自光纤10的近端12的光，然而，由透镜34收 集，透镜34优选地设在球面环状反射镜32的中心开口处。透镜34将来自光纤10的近端 12的光聚焦到光谱检测元件26。图5示出了与图4所示的光输入/输出耦合器20”在输出耦合光路部分相似的光 输入/输出耦合器20”’，它的输出耦合光路包括聚光透镜36，它将来自光纤10的近端12的 光聚焦到光谱检测元件26上。在输入耦合光路中，轴锥体反射镜由发散透镜38替代。该 发散透镜38将光源发射出的平行光导向聚光透镜36周围的球面环状反射镜32。轴锥体反射镜可以用于代替发散透镜38。如图6a)到图6d)示出了辅助光纤40如何既能用于将光传播到光纤10的近端 12(图6a)也能用于将来自光纤10的近端12的光导向光谱感测元件26。椭圆镜42、44、46 帮助改变方向及聚光。根据图6a)，设置有两个离轴反射镜和附加光纤，附加光纤具有平的光纤端或其远 端形成为微型透镜。图6b)所示的实施方式与图6d)的实施方式相似，但是具有单一离轴反射镜以及 用于输出光纤的孔；图6c)所示的实施方式与图6b)的实施方式相似，但是使用由光纤覆层材料制成 的锥形接续器以增加耦合到光纤中心的光能，同时输出辐射由安装在离轴反射镜的中心孔 的透镜再聚焦。图6d)所示的实施方式与图6b)和图6c)的实施方式相似，但是具有单一光纤以 及锥形接续器，它被用于从红外光源和/或光源之后或检测器之前的傅里叶变换干涉仪聚 集并发射最大功率到光纤探测器。图7a和图7b示出了其它可替换的实施方式，其中将入射到光纤10的近端12的 光由多条辅助光纤40’导向并从多个方向入射到光纤10的近端12。该辅助光纤40’可以 是4个截面为Ixlmm的方形多晶红外线光纤。根据图7a)聚光透镜48用于将要传播到光纤10的近端12的光聚焦到所述近端 12。根据图7b)，辅助光纤40’的每个远端形成为微型透镜因此消除了如图7a)所示的实施 方式使用4个再聚焦透镜的需要。在图7a)和7b)中聚光透镜50设在输出耦合光路中，与图4和图5中的实施方式 相似，将来自光纤10的近端12的光聚焦到光谱检测元件26。图2到图7是由反射镜、透镜和/或光纤组成的光输入/输出耦合器的实例。本 领域技术人员能够容易地从中得到其它设置以达到相似的效果。
权利要求
一种双向光纤光谱探测器包括单一光纤或光纤束，每根光纤具有近端和远端并具有数值孔径NA＝n＊sinθ，其中θ是受光角，它是光纤在其近端的接收光锥区的半角；设在紧邻或接近所述近端的光输入/输出耦合器，用于将光耦合进入所述光纤或光纤束的所述近端并用于聚集出自所述近端的光，以及设在紧邻或接近所述远端的光感测元件，适于检测与所述感测元件接触或接近的样品的光谱性质；其特征在于所述输入/输出耦合器具有输入耦合装置，它用于以介于θ和θ/x之间的入射角将光耦合到所述光纤或光纤束的所述近端，其中x在1到10的范围内，以及输出耦合装置，它用于聚集来自所述光纤的所述近端的、角度小于θ/x的光，因此使光输入/输出耦合器将较高阶模式的光耦合到所述光纤或光纤束并聚集返回的来自所述光纤或光纤束的所述近端的相对较低阶模式的光，其中所述光纤适于作为将传播光的模式从相对较高阶的光模式转换为相对较低阶的光模式的转换器。
2.根据权利要求1所述的光纤光谱探测器，包括单一光纤，它用于将耦合到所述单一 光纤的所述近端的光导向位于所述单一光纤的所述远端的所述光感测元件并将光从位于 所述单一光纤的所述远端的所述光感测元件导回到所述单一光纤的所述近端，所述单一光 纤用作为将传播光模式从较高阶光模式转换为较低阶光模式的转换器，因此与光输入/输 出耦合器一起，将来自光源的耦合到所述光纤的光从通过相同光纤从感测元件返回的发射 光中分离，并且所述发射光被所述光输入/输出耦合器导弓I到检测器上。
3.根据权利要求1和2所述的光纤光谱探测器，包括两根或多根光纤，其中一根光纤 用于记录的参考谱而另一根光纤用于信号谱登记以用于谱对比，其中每根光纤都是双向运 行。
4.根据权利要求1所述的光纤光谱探测器，其中所述光输入/输出耦合器包括光导向 件，它用于使来自所述光纤的所述近端的光以0到θ /χ范围内的角度传给分析检测元件并 将来自光源的光以θ到θ/χ范围内的角度导向所述光纤的所述近端。
5.根据权利要求4所述的光纤光谱探测器，其中所述光导向的光输入/输出耦合器包 括两个或多个反射镜。
6.根据权利要求4所述的光纤光谱探测器，其中所述光导向的光输入/输出耦合器包 括一个或多个反射镜以及一个或多个透镜。
7.根据权利要求4所述的光纤光谱探测器，其中所述光导向的光输入/输出耦合器包 括两个或多个反射镜以及一根或多根光纤。
8.根据权利要求4所述的光纤光谱探测器，其中所述光导向的光输入/输出耦合器包 括一个或若干组成光束的光纤以聚集更多来自光源的光并将其传给光纤探测器近端，并具 有再聚焦透镜、反射镜或为此目的在端部形成微型透镜的光纤。
9.根据权利要求4所述的光纤光谱探测器，其中所述光导向的光输入/输出耦合器包 括一个或多个锥形接续器或棱镜，其构型为最有效地聚集来自光源的光，并由光纤探测器 覆层的材料制成并光学地连接于所述光纤探测器覆层，并包括再聚焦透镜或反射镜或光纤本身，其可直接结束于检测器以将从远端感测元件返回和从探测器近端出来的光聚焦到所 述检测元件。
10.根据权利要求1所述的光纤光谱探测器，其中在光纤远端的所述光感测元件是衰 减全反射感测元件。
11.根据权利要求1所述的光纤光谱探测器，其中所述光感测元件是包括反射镜元件 的液体双通道透射单元。
12.根据权利要求11所述的光纤光谱探测器，其中所述光感测元件是具有准直透镜和 反射镜(透射_反射)的气体双通道透射单元感测元件。
13.根据权利要求10所述的光纤光谱探测器，其中所述光感测元件是具有准直透镜和 反射镜(透射_反射)组的气体多通道透射单元感测元件。
14.根据权利要求4所述的光纤光谱探测器，其中所述光源是红外线加热黑体(碳硅棒)。
15.根据权利要求14所述的光纤光谱探测器，其中所述光源包括傅里叶变换干涉仪或是其一部分。
16.根据权利要求4所述的光纤光谱探测器，其中所述光源是灯。
17.根据权利要求4所述的光纤光谱探测器，其中所述光源是用于引起荧光或拉曼散 射信号的激光，所述信号可由光纤近端的输入/输出耦合器收集以用于光谱分析。
18.根据权利要求4所述的光纤光谱探测器，其中所述光源包括可调谐激光器。
19.根据权利要求4所述的光纤光谱探测器，其中所述光源包括至少一个发光二极管。
20.根据权利要求4所述的光纤光谱探测器，其中所述光谱检测元件包括单或双高温 检测器、光电二极管或类似元件。
21.根据权利要求4所述的光纤光谱探测器，其中所述光谱检测器元件包括高温检测 器阵列、多个光电二极管、电荷耦合器件或类似元件。
22.根据权利要求20和21所述的光纤光谱探测器，其中光谱检测元件包括衍射光栅。
23.根据权利要求4所述的光纤光谱探测器，其中光谱检测元件是傅里叶变换干涉仪 的一部分。全文摘要
一种双向光纤光谱探测器，包括光纤，每个具有近端、远端、数值孔径，用于将光耦合到所述光纤的所述近端并聚集来自所述近端的光，以及设在所述远端附近的光感测元件。输入/输出耦合器具有输入耦合装置和输出耦合装置，输入耦合装置将光耦合到所述光纤的所述近端，输出耦合装置以一定角度聚集来自所述光纤的所述近端的光，以使光输入/输出耦合器将较高阶模式的光耦合到所述光纤并聚集返回的较低阶模式的来自所述光纤的所述近端的光，其中所述光纤被用作为将传播中的光的模式从所述较高阶光模式转换为所述较低阶光模式的转换器。
文档编号G01J3/28GK101900604SQ201010124819
公开日2010年12月1日 申请日期2010年2月26日 优先权日2009年2月26日
发明者维亚切斯拉夫·阿尔秋申科 申请人:维亚切斯拉夫·阿尔秋申科
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