معهد شنغهاي للبصريات والآلات الدقيقة (SIPM) يحقق تقدمًا في مجال مسبار رامان الألياف المجوفة المضاد للرنين مع ضوضاء خلفية منخفضة

في الآونة الأخيرة، حقق فريق بحثي من مركز أبحاث الزجاج والألياف الخاص، قسم الليزر المتقدم والمواد الوظيفية البصرية الإلكترونية، معهد شنغهاي للبصريات والآلات الدقيقة، الأكاديمية الصينية للعلوم (SIPM) تقدمًا في مجال مجسات رامان للضوضاء الخلفية المنخفضة باستخدام نوعين من الألياف المجوفة ثنائية الغلاف المضادة للرنين (AR-HCF) التي تم تطويرها ذاتيًا، والتي تم تصميمها وتصنيعها داخليًا. ألياف النواة (AR-HCFs) ووحدات بصرية خارجية لتوسيع وظائف مطياف رامان المجهري البؤري التجاري Renishaw Invia وإضافة الكشف في الموقع. تم تلخيص النتائج على أنها "مسبار رامان خالٍ من الخلفية في الموقع باستخدام ألياف مجوفة مزدوجة الغلاف مضادة للرنين". نُشرت النتائج في Biomedical Optics Express تحت عنوان "مسبار رامان خالٍ من الخلفية في الموقع باستخدام ألياف مجوفة مزدوجة الغلاف مضادة للرنين".
تُستخدم الألياف الضوئية التقليدية ذات النواة الصلبة المصنوعة من الكوارتز على نطاق واسع كمجسات للكشف عن رامان لأنها وسط مثالي للإشارات الضوئية نظرًا لخسارتها المنخفضة ونافذة الإرسال الواسعة. على الرغم من أن تطبيقها يمكن أن يكون خاليًا من قيود شكل العينة وحجمها وموضعها، إلا أن مادة زجاج الكوارتز الخاصة بها تتفاعل مع ليزر المضخة لتوليد إشارة ضوضاء خلفية قوية جدًا، والتي تميل إلى إخفاء معلومات طيف رامان للعينة المراد اختبارها. في تقارير الأبحاث السابقة، كان الحل السائد هو استخدام مجس متعدد الألياف، والذي يستخدم أليافًا مختلفة لتوصيل ضوء الإثارة وجمع ضوء الإشارة. ومع ذلك، يتطلب هذا الحل أيضًا إضافة مكونات بصرية مثل المرشحات في الطرف البعيد للألياف الضوئية، مما لا يقلل فقط من كفاءة جمع الإشارة، بل يزيد أيضًا من حجم المجس.
قام الباحثون بتصنيع نوعين مختلفين من AR-HCFs مزدوجة الغلاف باستخدام طريقة التكديس والرسم، والتي تظهر مقاطعها العرضية في الشكل 1. يمكن لكل منهما حصر ضوء الليزر المراد توصيله بشكل أساسي في القلب المجوف، مما يقلل بشكل كبير من تداخل مجال الضوء مع مادة الكوارتز للألياف نفسها، وبالتالي قمع ضوضاء الخلفية الكوارتز بشكل كبير. بعد اختبار الأداء، يمكن لمسباري الألياف تحقيق حوالي مرتبتين من حيث الحجم لقمع ضوضاء الخلفية الكوارتز مقارنة بألياف الكوارتز الصلبة التقليدية. تم تصميم كل من AR-HCFs خصيصًا لتحقيق خسارة منخفضة في النطاقات المرئية والأشعة تحت الحمراء القريبة ولديهما فتحة عددية كبيرة (فتحة عددية، NA) للغطاء الخارجي (NA للغطاء الخارجي أكبر من 0.2، وهو ما يقرب من عشرة أضعاف تلك الموجودة في قلب الألياف). يتميز هذا العمل باستخدام ألياف بصرية واحدة فقط كمسبار للكشف عن رامان، واستخدام وحدة مسار بصري خارجي مصممة خصيصًا لتحقيق المسبار بالاشتراك مع مطياف رامان متناهي الصغر من Renishaw Invia المتوفر تجاريًا، كما هو موضح في الشكل 2. الوحدة متصلة بواجهة العدسة الموضوعية الأصلية للمطياف، والتي يمكنها ربط ضوء الإثارة المنبعث داخليًا في AR-HCFs، ويمكنها أيضًا إرسال إشارة رامان التي تم جمعها بواسطة مسبار الألياف البصرية مرة أخرى إلى المطياف للكشف والتحليل. يمكنه أيضًا توسيع وظيفته في الكشف في الموقع مع تشغيل خصائص دقة الكشف العالية للجهاز. يتم التحقق من جدوى المخطط أيضًا من خلال الكشف عن بعض العينات الصلبة والسائلة باستخدام المسبار، مثل الكشف في الموقع عن بلاستيك ABS، كما هو موضح في الشكل 3. ومن المتوقع أن يكون للنتائج آفاق تطبيق أوسع في مراقبة البيئة والمجالات الطبية الحيوية وغيرها.

الشكل 1 تظهر صور الواجهة النهائية للمجهر الإلكتروني لألياف بصرية مجوفة مضادة للرنين في (أ) و (ب) على التوالي، بينما تظهر (ج) و (د) صورًا للأليافين تم التقاطها بواسطة الإضاءة الخلفية للمجهر الضوئي، على التوالي.

الشكل 2 مخطط تخطيطي لمسار بصري لمخطط استشعار رامان.

الشكل 3 يوضح الشكلان (أ) و(ب) نتائج الطيف رامان لنوعين من الألياف البصرية المجوفة المضادة للرنين المستخدمة كمسبارات للكشف عن بلاستيك ABS، على التوالي، حيث يتم الحصول على المنحنى البرتقالي من العينة المقاسة بواسطة المسبار، والمنحنى الأزرق هو إشارة الخلفية للمسبار نفسه، والمنحنى الأصفر هو الأطياف التي تم الحصول عليها من العينة المقاسة بواسطة مطياف رامان المجهر البؤري Renishaw Invia مباشرة.