近期，中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所先進(jìn)激光與光電功能材料部特種玻璃與光纖研究中心研究團(tuán)隊(duì)，針對(duì)原位檢測(cè)拉曼信號(hào)的需求，利用自主設(shè)計(jì)制備的兩款雙包層反諧振空芯光纖(anti-resonant hollow-core fibers, AR-HCFs)與外接的光路模塊對(duì)實(shí)驗(yàn)室商用Renishaw Invia共聚焦顯微拉曼光譜儀進(jìn)行了功能拓展，增加了原位檢測(cè)功能。相關(guān)成果以“In-situ background-free Raman probe using double-cladding anti-resonant hollow-core fibers”為題發(fā)表在Biomedical Optics Express上。

傳統(tǒng)石英實(shí)芯光纖因?yàn)閾p耗低、傳輸窗口寬，是光信號(hào)的理想媒介，因此被廣泛用于拉曼檢測(cè)的探針。其在應(yīng)用時(shí)，雖然可以擺脫樣品形狀、大小和位置的限制，但本身的石英玻璃材料與泵浦激光相互作用后，會(huì)產(chǎn)生非常強(qiáng)烈的背景噪聲信號(hào)，該信號(hào)往往會(huì)掩蓋待測(cè)樣品的拉曼光譜信息。在過(guò)去的研究報(bào)道中，主流解決方案是采用多光纖探針，利用不同的光纖來(lái)傳導(dǎo)激發(fā)光和收集信號(hào)光。但此方案還需要在光纖遠(yuǎn)端增加濾光片等光學(xué)元件，這不僅會(huì)降低對(duì)信號(hào)的收集效率，而且也會(huì)增大探針的體積。

研究人員利用堆積-拉制法（stack-and-draw）制造了兩款不同的雙包層AR-HCFs，截面如圖1所示。它們均能將激光主要約束在空芯中傳導(dǎo)，使得光場(chǎng)與光纖本身石英材料的交疊大大減少，從而能極大抑制石英背景噪聲，經(jīng)過(guò)性能測(cè)試，兩款光纖探針對(duì)比傳統(tǒng)實(shí)芯石英光纖，能實(shí)現(xiàn)約兩個(gè)數(shù)量級(jí)的石英背景噪聲抑制。兩款AR-HCFs均經(jīng)過(guò)特殊設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了在可見(jiàn)和近紅外波段低損，且具備較大數(shù)值孔徑（numerical aperture, NA）的外包（外包層的NA均大于0.2，約為纖芯的十倍）。此工作的特點(diǎn)是，僅使用一根光纖作為拉曼檢測(cè)的探針，并且利用專門設(shè)計(jì)的外接光路模塊，實(shí)現(xiàn)探針與商用的Renishaw Invia共聚焦顯微拉曼光譜儀的結(jié)合，如圖2所示。模塊連接在光譜儀原物鏡接口上，可以將內(nèi)部發(fā)出的激發(fā)光耦合到AR-HCFs中，也能將光纖探針收集到的拉曼信號(hào)回傳給光譜儀進(jìn)行檢測(cè)分析。在發(fā)揮儀器高檢測(cè)精度特點(diǎn)的同時(shí)也能拓展其原位檢測(cè)的功能。利用探針對(duì)一些固體、液體樣品的檢測(cè)也驗(yàn)證了方案的可行性，例如對(duì)ABS塑料進(jìn)行原位檢測(cè)，如圖3所示。研究結(jié)果有望在環(huán)境監(jiān)測(cè)、生物醫(yī)療等領(lǐng)域具備更廣闊的應(yīng)用前景。

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圖1 兩款反諧振空芯光纖的電子顯微鏡端面照片分別展示在(a)和(b)中，而(c)和(d)分別展示的是二者由光學(xué)顯微鏡背面打光拍攝的照片。

圖2 拉曼傳感方案光路示意圖。

圖3 圖（a）（b）分別展示兩種反諧振空芯光纖作為探針檢測(cè)ABS塑料的拉曼光譜結(jié)果，其中橙色曲線由探針測(cè)量樣品得到，藍(lán)色曲線是探針自身的背景信號(hào)，黃色曲線是Renishaw Invia共聚焦顯微拉曼光譜儀直接測(cè)量樣品得到的光譜。