用于紫外、可见光及红外范围内衰减全反射光谱应用的混合光纤探针装置的制造方法
【专利说明】用于紫外、可见光及红外范围内衰减全反射光谱应用的混合光纤探针装置
[0001]技术领域及
【背景技术】
[0002]本发明涉及通常用于光谱应用的光纤探针，并且特别地，本发明涉及一混合衰减全反射(ATR)光纤探针装置。此外，本发明涉及将一实心光纤芯端附加至中空纤维波导内的方法。
[0003]更为特别地，本发明涉及一探针装置及创新配件，所述探针装置及创新配件系与一检测系统联合使用，所述检测系统诸如但不限于一分光光度计或一光谱仪。本发明所述的探针装置尤其适合于与傅里叶变换光谱仪一起使用。所述配件利用传输光波导、辐射源、光机组件(反射器等)，以实现从利用衰减全反射(ATR)的检测器或测量系统对样品进行远程光谱分析。
[0004]本发明的目的在于提供一混合光纤探针，用于在一宽泛波长(紫外、可见光、红外)范围内具有高效率的光谱ATR应用。在某些实施例中，所述混合光纤探针直径小且具有尚柔性。
[0005]用于光谱应用的光纤探针是已习知的，所述光纤探针一直被用于测量不同形态的样品的特性。
[0006]通常，尤其是在医学应用中，这种光纤探针包括:一第一纤维或一第一纤维束，用于引导辐射由所述探针的近端至所述探针的远端；以及，一第二纤维或一第二纤维束，用于引导辐射返回至所述探针的近端。
[0007]在所述光纤探针的远端排列诸如一衰减全反射(ATR)头或端的一光学元件。所述光学元件大致是被安排并调整以与诸如生物组织的样品相互作用，以测定所述样品的光谱特性(光谱特征)。这样，由所述ATR元件射出的辐射被所述样品修改、重新进入所述ATR元件并被反射回所述光纤或光纤束内。反射光最终从所述纤维的近端发射出，并且可以被检测系统接收，所述检测系统诸如基于衍射光栅的分光计、傅里叶变换光谱仪/干涉仪，或者具有一相关光学元件或检测器阵列的光谱滤波器。
[0008]通过光纤而远程连接至检测系统(例如FTIR光谱仪)的ATR晶体被广泛使用于光谱应用中。通常使用单纤维系统(使用一输入光纤及一输出光纤的系统)，并且所述单纤维系统通常包含复杂的耦合方式以将辐射从所述光纤传输至所述ATR晶体，然后再返回。
[0009]ATR光谱法被广泛应用于临床试验、医疗诊断及实验室测试。
[0010]这种ATR光纤探针的示例公开于美国专利号5754722，7956317，6879741，6563992，4930863，6841792，5170056，6970623，5185834，5070243 中。
[0011]ART技术利用的事实是:依照斯涅尔定律(Snell’s Law)，当光束以临界角角度或大于一临界角的角度冲击第一介质和第二介质之间的界面时，临界角角度定义为Θ crit=sin-ln2/nl (其中nl、n2分别是第一介质和第二介质的折射率)，则没有折射光线并且产生隐矢波(evanescent wave)，也就是说，入射光被完全反射。“隐矢”是指“趋于消失”，该单词是合适的，是因为隐矢波的强度随着距其形成界面距离的增加而呈指数衰减。这种距离通常在1?50um范围内。因此，反射光的强度在环境介质吸收处的波长上被减弱。
[0012]在ATR光谱法中，通过使辐射穿过一光学元件(晶体)来测量样品，所述样品可以安装在一探针上。可以是例如紫外、可见光或红外的所述辐射以一入射角指向所述光学元件，这样，所有入射辐射都发生全内反射。当所述辐射发生全内反射时，一电磁辐射场(隐矢波)延伸到所述光学元件表面之外而进入所述样品。所述隐矢波的渗透深度是关于所述光学元件材料的折射率、所述样品材料的折射率、福射波前(wavefront)入射角度及福射波长的函数。在样品吸收能量的光谱区域内，所述隐矢波被衰减并且衰减的能量回传至所述光学元件。所述辐射随后离开所述光学元件并穿过光波导/光纤而撞击一检测器。所述检测器记录所述衰减的辐射，所述衰减的辐射可以被转换以产生一光谱，例如吸收光谱。
[0013]通过与样品接触的一光学晶体(元件)传输辐射并随后测定所述入射辐射在一特定波长的哪部分被所述样品衰减来产生一 ATR光谱，所述辐射可以是红外(从约?0.75um至?0.1mm)、可见光(?0.35um至?0.75)或紫外(从?0.22um至?0.35um)。
[0014]所述传输损耗的光谱是衰减全反射(ATR)光谱法的基础。
[0015]因此，需要一种混合衰减全反射(ATR)光纤探针装置。此外，需要一种用于将一实心光纤芯端附加于中空纤维波导内的方法。
【发明内容】
[0016]本发明是一种混合衰减全反射(ATR)光纤探针装置。此外，本发明包括一种用于将一实心光纤芯端附加于中空纤维波导内的方法。
[0017]根据本发明的教导，提供一种混合衰减全反射光纤探针装置，包括:(a) —辐射源；一检测系统；一仅为芯的实心光纤探针端，具有一输入端和一输出端；一输入中空纤维波导，被配置为与所述辐射源在一第一端关联，并且与所述仅为芯的实心光纤探针端的输入端在一第二端相互连接；一输出中空纤维波导，被配置为与所述仅为芯的实心光纤探针端的输出端在一第一端相互连接，并且与所述检测系统在一第二端关联；一内锥形实心纤维输入辐射采集器元件，被配置为在一锥形端与所述输出中空纤维波导的第二端相互连接，以便从所述辐射源接收辐射；其中，所述仅为芯的实心纤维探针端的外直径与所述输入中空纤维波导及所述输出中空纤维波导的内直径是这样的:所述输入中空纤维波导及所述输出中空纤维波导与所述仅为芯的实心光纤探针端之间的相互连接是通过将所述仅为芯的实心光纤探针端的输入端插入所述输入中空纤维波导的第二端并将所述仅为芯的实心光纤探针端的输出端插入所述输出中空纤维波导的第一端的方式实现，这样，所述仅为芯的实心光纤探针端依靠摩擦力被保持在所述输入中空纤维波导及所述输出中空纤维波导中；以及，其中，所述内锥形实心纤维输入辐射采集器元件的外直径及所述输出中空纤维波导的第二端的内直径是这样的:所述内锥形实心纤维输入辐射采集器元件的锥形端依靠摩擦力被保持在所述输出中空纤维波导的第二端末端中。
[0018]根据本发明的教导，所述仅为芯的实心光纤探针端与所述输入中空纤维波导及所述输出中空纤维波导之间的相互连接是一种可释放的相互连接。
[0019]根据本发明的教导，所述仅为芯的实心光纤探针端与所述输入中空纤维波导及所述输出中空纤维波导之间的相互连接包括一贵金属层，所述贵金属层位于所述仅为芯的实心光纤探针端与所述输入中空纤维及输出中空纤维之间的接触表面区域上。
[0020]根据本发明的教导，还提供一种内锥形实心纤维输入辐射采集器元件，用于从一辐射源接收辐射，并将所述辐射传输进入一中空纤维波导，所述内锥形实心纤维输入辐射采集器元件包括:一输入面；一内锥形区域，由所述输入面延伸出；一输出连接区域，被配置为与所述中空纤维波导相互连接并具有一小于所述输入面直径的恒定直径；其中，所述连接区域的直径及所述中空纤维波导的内直径是这样的:所述内锥形实心纤维输入辐射采集器元件依靠摩擦力被保持在所述中空纤维波导的末端内。
[0021 ] 根据本发明的教导，所述输入面是平面。
[0022]根据本发明的教导，所述输入面是透镜状的。
[0023]根据本发明的教导，还提供一种用于将一实心光纤元件附加于一中空纤维波导的方法，所述方法包括:提供一实心光纤元件，所述实心光纤元件具有一输入端及一输出端中的至少一端；提供至少一中空纤维波导，所述中空纤维波导被配置为:所述中空纤维波导的一端与所述实心光纤元件的所述输入端及输出端中的一端相互连接；以及，将所述输入端及输出端中至少一端的至少部分插入所述中空纤维波导的末端中；其中，所述实心光纤元件的外直径及所述中空纤维波导的内直径是这样的:所述实心光纤元件依靠摩擦力被保持在所述中空纤维波导的末端内。
[0024]根据本发明的教导，所述实心光纤元件被实现为一仅为芯的实心光纤探针端，所述仅为芯的实心光纤探针端具有一输入端和一输出端，所述至少一中空纤维波导被实现为两个中空纤维波导，所述两个中空纤维波导被配置为一输入中空纤维波导及一输出中空纤维波导，并且，所述插入包括:将所述仅为芯的实心光纤探针端的输入端的至少部分插入所述输入中空纤维波导内，以及将所述仅为芯的实心光纤探针端的输出端的至少部分插入所述输出中空纤维波导内。
[0025]根据本发明的教导，所述实心光纤元件被实现为一内锥形实心纤维输入辐射采集器元件，具有至少一输出连接区域。
[0026]根据本发明的教导，还提供在所述实心光纤元件与所述至少一中空纤维波导之间的一接触表面区域上涂布一贵金属层。
【附图说明】
[0027]通过参考附图，以仅作为示例的方式对本发明进行描述，其中:
[0028]图1是根据本发明的教导而构建及运行的一混合衰减全反射(ATR)光纤探针装置的一优选实施例的侧视图；<