微纳结构光纤光谱学 
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1 引言
激光光谱学在生物化学、环境监测、医疗诊断、燃烧等多个领域有着重要应用。典型的光谱学系统由光源、样品池、信号探测和处理单元等组成,如
2 微纳结构光纤
微纳结构光纤通常由单一材料(石英)制成,包含沿光纤轴向延伸的空气通道[3]。
图 2. 几种可作为气体或液体样品池的微纳结构光纤。(a)光子带隙空芯光纤;(b)反谐振空芯光纤;(c)微纳光纤;(d)悬挂芯光纤
Fig. 2. Different types of micro/nano-structured optical fibers that can be used for gas or liquid sample cells. (a) PBG-HCF; (b) AR-HCF; (c) NF; (d) SCF
2.1 光子带隙空芯光纤
PBG-HCF的纤芯为空气,包层为折射率呈周期性变化的石英-空气二维微结构,如
图 3. PBG-HCF的传输特性。(a)三种PBG-HCF的损耗谱;(b) HC-1550光纤的基模场强度分布
Fig. 3. Transmission properties of PBG-HCF. (a) Loss spectra of three types of PBG-HCF; (b) fundamental mode field intensity distribution of the HC-1550 fiber
2.2 反谐振空芯光纤
在AR-HCF中,光的传输主要依赖环绕空气芯的薄壁毛细管。这些毛细管互不接触,镶嵌在一个孔径较大的石英玻璃管的内壁上,形成光纤的内包层,如
纤芯模式和毛细管壁厚度方向模式之间的耦合可用介质薄膜-空气界面形成的法布里-珀罗腔来说明,如
由于毛细管的周长比波长要大得多,因此毛细管壁的环向模式沿角度方向呈多次振荡形式,而且振荡次数较多,或者说角向模序数较大。纤芯基模或低阶模式的角向模序数为零或较小,和管壁环形模场的角模序数不匹配,在横截面上的重叠积分几乎为零,因此它们之间的耦合可以忽略不计[10]。毛细管的直径比空气纤芯的尺寸要小,因此毛细管内的空气模式和纤芯基模的相位也不匹配,不会发生耦合。毛细管相对纤芯方向的负曲率特性,使得纤芯模场和管壁模场及毛细管内空气模场的重叠很小,进一步降低了传输损耗。进行合理参数设计,可以使纤芯的二阶模式(LP11)与毛细管的基模发生谐振,从而加速纤芯二阶模式的泄露,实现准单模传输[11]。AR-HCF一般有多个传输窗口,光谱传输范围比PBG-HCF要宽。
图 4. AR-HCF导光特性。(a)薄膜法布里-珀罗腔中光的反射与折射;(b)d=370 nm,n=1.45的石英薄膜在θ=87°时,反射率随波长的变化;(c)三种AR-HCF的损耗谱,插图是紫外传输AR-HCF的截面图[12]
Fig. 4. Waveguiding in AR-HCF. (a) Reflection and refraction of light in thin-film Fabry-Perot cavity; (b) variation of reflectivity with wavelength for a silica thin film with d=370 nm and n=1.45 at θ=87°; (c) loss spectra of three types of AR-HCF, and inset is the cross-sectional image of the AR-HCF that has transmission window in the ultraviolet[12]
2.3 微纳光纤
NF是指直径在几百nm到几μm之间的固体光纤。石英NF可由标准单模光纤通过加热-拉锥的方法来制作,如
图 5. 微纳光纤导光特性[14]。(a)石英NF模式折射率随D/λ的变化;(b) λ=1.55 μm时,基模场能量在石英纤芯中的比例(1-γ,γ为在空气中的比例)、模场面积A、光纤表面最大光强I随直径的变化;(c) D=0.5 μm的石英NF在λ=1.55 μm时的光强分布
Fig. 5. Waveguiding properties of NF[14]. (a) Variation of refractive index of a silica NF mode with D/λ; (b) fraction of fundamental mode field energy in silica core (1-γ, γ is the fraction in air), the mode field area A, and the maximum intensity I on optical fiber surface as functions of fiber diameter at λ=1.55 μm; (c) light intensity distribution of silica NF with D=0.5 μm at λ=1.55 μm
3 样品池设计
用微纳结构光纤作为样品池,首先要考虑样品填充对其传输特性的影响。气体折射率和空气非常接近,近似为n=1,因此可以认为气体填充对微纳结构光纤的传输特性影响不大。而液体折射率大于1而且变化范围较大,这会对微纳结构光纤的传导特性产生较大的影响,因此需要根据具体情况对液体填充后光纤的传输特性进行分析。此外,光与样品之间的相互作用是在直径为μm量级的狭长通道中进行的,如何快速均匀地将样品填充到这些通道中而又不影响激光和光纤的耦合,也是需要考虑的问题。
3.1 空芯光纤气室
无论是PBG-HCF还是AR-HCF,都可以通过空间光耦合或者光纤-光纤耦合的方式形成气体样品池(气室)。
图 6. 空芯光纤(HCF)气室。(a)空间耦合;(b)光纤之间机械连接
Fig. 6. HCF gas cells. (a) Free-space coupling; (b) fiber-to-fiber mechanical splicing
图 7. HCF气室的侧面微通道。(a)气室和供气体充放用的微通道示意图;(b)在一段2.3 m长的PBG-HCF上加工不同数目微通道后的传输光谱[22]
Fig. 7. Microchannels on the side of the HCF. (a) Schematic of gas cell and microchannels for gas charging and discharging; (b) transmission spectra for different number of microchannels fabricated on PBG-HCF with length of 2.3 m[22]
3.2 空芯光纤液体样品池
图 8. 不同折射率液体填充HC-1550-02光纤中的所有气孔时,计算所得的损耗谱[23]
Fig. 8. Calculated loss spectra when the all holes of HC-1550-02 fiber are filled with liquid of different refractive index[23]
另一种选择是只填充纤芯,而保留包层中的空气孔结构,称为液芯光纤。电弧放电等方法可使空芯光纤的包层气孔塌陷而封闭,纤芯气孔则仍然对外开放,这样可以使液体样品只进入纤芯空气孔[24]。对于不同的液体折射率和工作波长,液芯光纤的导光机理可能不同,可以是光子带隙导光,也可以是折射率导引导光[25-26]。
图 9. 石英-空气微结构包层的光子带隙色散图,插图为包层微结构及参数[27]
Fig. 9. Photonic band-gap dispersion diagram of air-silica microstructure cladding, and inset is the cladding microstructure and its parameters[27]
图 10. AR-HCF填充不同折射率液体时,计算所得的损耗谱图,插图是AR-HCF的横截面和导模场的分布[28]
Fig. 10. Calculated loss spectra of AR-HCF filled with liquid of different refractive index, and inset is cross-sectional image of the AR-HCF and its fundamental mode field intensity profile[28]
图 11. 填充水溶液的AR-HCF及微流通道示意图[29]
Fig. 11. Schematic of a water-filled AR-HCF and microfluid channel[29]
AR-HCF纤芯的尺寸和周围毛细管的直径都比较大,方便同时对所有气孔进行填充。
3.3 微纳光纤气室和液体池
NF可以封装形成如
图 12. NF样品池及其导光特性。(a) 封装的NF样品池;(b)直径为1.2 μm的石英NF在空气包层和折射率为1.36的酒精包层中的模场分布对比。(c)直径为1.2 μm的石英NF在λ=1.55 μm时,液体样品中模场能量的比例、模场面积、光纤表面最大光强随包层液体折射率的变化
Fig. 12. NF sample cell and its waveguiding properties. (a) Encapsulated NF sample cell; (b) comparison between mode field distributions of silica NF with diameter of 1.2 μm in air cladding and alcohol (refractive index is 1.36) cladding; (c) variation of fraction of mode field energy in liquid sample, the mode field area, and the maximum intensity on optical fiber surface with refractive index of liquid cladding for a silica NF with diameter of 1.2 μm at λ=1.55 μm
4 空芯光纤气体光谱检测技术
4.1 吸收光谱技术
吸收光谱测量的基础是比尔-朗伯定律[30],表达式为
式中:入射光频率ν=ω/2π;α为气体分子的吸收系数;C为分子浓度;L为光和样品相互作用的距离;
图 13. 基于激光吸收光谱的HCF气体探测系统[31]。(a)基于PBG-HCF气室和光谱吸收的乙炔测量系统;(b)当泵浦光波长扫描过乙炔吸收线时,系统的二次谐波输出信号
Fig. 13. HCF gas detection system based on laser absorption spectroscopy[31]. (a) Measurement setup for acetylene based on PBG-HCF gas cell and direct absorption spectroscopy; (b) second harmonic output as the pump wavelength is scanned across an acetylene absorption line
4.2 光热干涉光谱技术
光热干涉光谱技术是一种间接测量光谱吸收的方法,通常采用泵浦-探测方案[36]。气体分子吸收泵浦光后,跃迁到高能受激态,以弛豫的方式将吸收的能量转换成热能,导致气体介质局部温度和密度分布发生变化,引起折射率的改变。调制泵浦光的波长或强度,可以使吸收引起的折射率呈周期性变化,从而在频域上区分气体吸收和环境温度变化引起的折射率变化。如果一束探测光和泵浦光沿同一路径传输,探测光的相位会被周期性调制,调制的幅度[36-37]可表示为
式中:Ppump为泵浦光功率;k为一个系数,对自由空间光束,它与泵浦光及探测光的模场分布、气体的热力学参数、泵浦光的调制频率等有关。对空芯光纤,k还与纤芯的尺寸、包层的结构参数有关。采用空芯光纤气室,可以实现较长的作用距离L,从而提高灵敏度,还可以方便地与光纤耦合器等元器件进行连接而形成灵活的光纤干涉仪,用于检测相位调制,促进光热干涉技术的小型化和实用化。根据光热效应,热产生的速率正比于泵浦光的强度,因此气体的温度分布由泵浦光的强度来决定,呈高斯分布。由于光纤基模场的面积比自由空间光束的模斑面积要小得多,对同样的泵浦光功率,光纤中心点的温度变化比自由光束的温度变化要大得多。但这并不一定意味着相位调制的幅度一定会大,其他因素如纤芯的尺寸、气体的热传导特性及分子热释放的时间、泵浦光与探测光的模场交叠、泵浦光调制的频率等都会影响相位调制的幅度[38-39]。
Jin等[37]研究了PBG-HCF(HC-1550-02)中气体的光热效应,并用
图 14. 基于光纤Mach-Zehnder干涉仪的光热气体检测系统[37]
Fig. 14. Photothermal gas detection system based on optical fiber Mach-Zehnder interferometer[37]
图 15. HCF光热干涉气体测量结果[37]。(a)不同乙炔体积分数对应的二次谐波输出信号;(b)二次谐波输出信号峰峰值随乙炔体积分数的变化
Fig. 15. Results of gas detection with HCF photothermal interferometry[37]. (a) Second harmonic output corresponding to different acetylene volume fractions; (b) variation of peak-peak value of second harmonic output with acetylene volume fractions
Lin等[38-41]进一步研究了光热相位调制的动态过程,并采用不同结构的空芯光纤和不同的光纤干涉仪对乙炔等气体进行了测量。
图 16. 填充乙炔和氮气混合气体的PBG-HCF和AR-HCF中光热相位调制的频响特性[40]
Fig. 16. Frequency responses of photothermal phase modulation in PBG-HCF and AR-HCF filled with acetylene and nitrogen gas mixture[40]
图 17. 基于空芯光纤法布里-珀罗干涉仪的光热干涉气体测量原理示意图[41]
Fig. 17. Schematic of photothermal interferometry gas detection based on hollow fiber Fabry-Perot interferometer[41]
4.3 模式相位差光热干涉光谱技术
Zhao等[42]利用光纤特有的模式传导特性,演示了一种基于模式相位差测量的光热干涉光谱气体检测技术。
式中:k*为一个系数。然而,由于光纤的直径非常小,外界温度、压力等变化只会引起空芯区域折射率的均匀变化,对LP01和LP11模式的相位影响相似,因此模式之间的相位差对环境扰动不敏感,降低了探测噪声,提高了信噪比。搭建如
图 18. 模式相位差光热干涉光谱技术原理[42]。 (a) 双模AR-HCF的扫描电镜图;(b)(c) AR-HCF的LP01和LP11模式近场强度图;(d)激发生成的LP01模式;(e) 气体吸收泵浦光产生的温度(折射率)分布及探测光两个模式(LP01和LP11)的光强分布;(f)双模干涉仪
Fig. 18. Principle of mode-phase-difference photothermal spectroscopy technology[42]. (a) Scanning electron microscope image of the two-mode AR-HCF; (b)(c) near field intensity profiles of LP01 and LP11 modes of the AR-HCF; (d) pump LP01 mode; (e) temperature(refractive index) distribution due to gas absorption of pump and intensity distribution of LP01 and LP11 modes of the probe light; (f) a dual-mo
4.4 光声干涉光谱技术
气体吸收泵浦光导致气体介质局部温度及压力分布发生变化,从而产生声压波,其频率由泵浦光的调制频率决定。空心微结构光纤本身是一个复杂的声学谐振结构,包括空芯区域内气体的谐振和光纤内石英微结构的谐振。当声波与微结构光纤发生共振时,声波、光纤内气体、光纤微结构的相互作用加强,探测光模式的有效折射率和相位调制也增大。相位调制的幅度与气体浓度、泵浦光功率、空芯光纤长度的关系也可用(2)式描述,但光声相位调制的频率比光热相位调制的频率要高,在MHz波段。在1.2 m长的AR-HCF中填充了10个大气压的乙炔和氮气混合气体,采用脉冲泵浦激光对准乙炔在1532.83 nm处的P(13)吸收线,产生相位调制,采用类似于
图 19. 空芯AR-HCF中填充10个大气压、100×10-6 (100 ppm) 乙炔和氮气混合气体时的光热和光声信号,插图是所用AR-HCF的横截面图
Fig. 19. Photothermal and photoacoustic signals in AR-HCF filled with 10 bar acetylene and nitrogen gas mixture with 100×10-6 (100 ppm), inset is a cross-sectional image of the AR-HCF
4.5 拉曼光谱技术
利用空芯光纤损耗小、模场面积小、数值孔径大等特点,可以增强拉曼信号的产生和收集效率,实现高灵敏的拉曼光谱探测[43-46]。采用泵浦-探测方案,研究了基于受激拉曼光谱的气体检测技术。当泵浦光和探测光的频率差(Δωdiff=ωpump-ωprobe)与待测气体分子的拉曼频移
式中:g0为待测气体的拉曼增益系数;v为光速;ΓR/2π为拉曼增益谱的半峰全宽;Ipump为泵浦光的强度。在受激拉曼散射的过程中,泵浦光能量转移到探测光(Stokes光),产生受激拉曼增益,其大小和nR虚部成正比;同时还伴随着气体折射率改变,即受激拉曼色散,其大小与nR的实部成正比。
由(4)式可知,受激拉曼增益和色散都正比于气体分子浓度,同时正比于泵浦光的强度。由于空芯光纤的模场直径通常在μm量级,比典型的空间光束直径小1~2个数量级,因此模场面积要小2~4个数量级。这意味着在相同的泵浦功率下,空芯光纤的纤芯中能够获得更高的功率密度(光强),大大增强了受激拉曼信号,增强的倍数可用自由光束模场面积(A0)与光纤模场面积(A)之比A0/A来计算。受激拉曼增益和色散可以通过探测光沿空芯光纤传播一定距离L后的光信号增益和相位变化来测量,相应的气体检测技术分别称为受激拉曼增益光谱技术和受激拉曼色散光谱技术。
Yang 等[48]基于受激拉曼增益光谱技术,用15 m长的PBG-HCF气室进行了氢气检测,实验系统如
Bao等[49]用7 m长的PBG-HCF气室和与如
图 20. 基于受激拉曼增益光谱技术的HCF气体探测系统[48]。(a)基于受激拉曼增益的全光纤氢气检测系统;(b)在不同泵浦光功率下,系统的二次谐波输出信号
Fig. 20. HCF gas detection system with stimulated Raman gain spectroscopy[48]. (a) All fiber hydrogen detection system based on stimulated Raman gain; (b) second harmonic output signal for different pump power level
图 21. 在不同氢气浓度下,拉曼色散引起的二次谐波输出信号[49]
Fig. 21. Second harmonic output due to Raman dispersion for different hydrogen concentration[49]
5 微纳光纤气体光谱检测技术
5.1 光热光谱技术
Tai等[50]用熔融-拉锥石英光纤的方法,制备了直径为1.8 μm、长度约1 cm的NF,并利用甲烷分子在3.392 μm处的吸收线,演示了基于直接光谱吸收的甲烷测量。但是,由于有效作用长度Leff=γL有限,甲烷体积分数的测量下限仅为1%,进一步提高探测灵敏度有困难。
然而,基于NF的光热干涉光谱技术可以实现非常灵敏的气体探测。
图 22. 微纳光纤光热光谱技术的原理 [51]。(a)NF光热相位调制原理,左边为泵浦光的倏逝场分布,右边为不同波长的探测光的模场分布;(b)不同直径的NF基模的光热相位调制效率
Fig. 22. Principle of photothermal spectroscopy with a NF[51]. (a) Principle of photothermal phase modulation in NF, left is the evanescent field distribution of pump, and right is the mode field distribution of probe with different wavelength; (b) photothermal phase modulation efficiency of fundamental modes for NF with different diameters
5.2 光声光谱技术
气体吸收NF的倏逝场,产生的热梯度会在空气中激发声压波。声波的频率和泵浦光的调制频率一致,振幅与气体的浓度、吸收系数、泵浦光功率成正比。
图 23. 基于NF和QTF的光声气体探测原理[52]
Fig. 23. Principle of photoacoustic gas detection based on the NF and QTF[52]
5.3 拉曼光谱技术
由
图 24. NF受激拉曼光谱技术氢气检测原理[54]。(a)不同直径NF的拉曼散射效率及其与商用PBG-HCF(HC-1550-02、HC-1060-02、HC-800-02、HC-580-02及HC-440-02)的比较。(b)基于NF倏逝场和受激拉曼增益的氢气测量原理
Fig. 24. Principle of hydrogen detection based on stimulated Raman spectroscopy with a NF[54]. (a) Comparison of Raman scattering efficiency between NF with different diameters and selected commercial PBG-HCF(HC-1550-02, HC-1060-02, HC-800-02, HC-580-02, and HC-440-02); (b) hydrogen measurement principle based on NF evanescent field and stimulated Raman gain
Qi等[54]演示了基于受激拉曼增益的NF氢气传感器,原理如
6 液体光谱检测技术
采用微纳结构光纤作为液体样品池,需要对液体填充后光纤的导光特性进行详细评估。首先要保证光纤在所需工作波长范围内能够有效导光;对一些高精度应用,还要对其模式特性进行分析,尽可能保证光纤的单模传输或少模传输,从而降低模式噪声对测量的影响。对激光诱导荧光或拉曼光谱进行测量时,要同时保证激发(泵浦)光、荧光或拉曼散射光都在光纤的低损耗传输窗口内。液芯光纤中模场能量和样品交叠率较高,作用长度较长,但不易保证单模传输。由标准单模光纤拉锥而成的微纳芯液体包层光纤可以实现很好的单模传输,也容易与其他元器件通过光纤连接形成光纤系统,但作用长度有限。然而,和自由空间光学系统相比,微纳结构空芯光纤和NF对传播光场的束缚都比较强,提高了受激拉曼等非线性效应的激发和收集的效率,为高灵敏度液体光谱学测量奠定了基础。
6.1 吸收光谱技术
Jensen等[55]将Cy5标记的DNA Oligo水溶液注入到一根PBG-HCF的所有气孔中,对其透射谱进行了测量。
图 25. PBG-HCF灌注Cy5标记的DNA水溶液(实线)和纯净水溶液(虚线)后的透射谱,插图为Cy5标记的DNA水溶液的吸收谱[55]
Fig. 25. Transmission spectra of PBG-HCF filled with Cy5-labeled DNA solution (solid curve) and pure water (dashed curve), respectively, and inset is absorption spectrum of the Cy5-labeled DNA solution[55]
Smolka等[57]将含有罗丹明6G(R6G)的乙二醇溶液注入到10 cm长的PBG-HCF(HC-532-01)的空气纤芯中,在530 nm波长附近测量了其吸收光谱,如
图 26. 粗线是在PBG-HCF(HC-532-01)中填充浓度为5×10-7mol/L R6G溶液的吸收谱和填充1×10-9 mol/L R6G溶液的荧光谱。细线是用自由空间光学系统测得的浓度为1.7×10-6 mol/L R6G溶液的吸收谱和荧光谱[57]
Fig. 26. Thick lines are absorption and fluorescence spectra of the PBG-HCF (HC-532-01) filled with R6G solution with concentrations of 5×10-7 mol/L and 1×10-9 mol/L, respectively. Thin lines are absorption and fluorescence spectra of R6G solution with concentration of 1.7×10-6 mol/L measured by free space optical system[57]
6.2 荧光光谱技术
微纳结构光纤样品池的长度L、激发(泵浦)光模场在样品中的比例γ、荧光信号和光纤导模之间的耦合效率η都影响激光诱导荧光光谱的探测性能。Afshar等[58]对微纳SCF填充染料溶液后的荧光激发和收集效率进行了研究,发现纤芯表面局域化的高强度倏逝场(近似和模场面积A成反比)可以增强荧光与光纤导模之间的耦合,提高了荧光捕获效率η。光纤输出端荧光信号的大小与γ成正比,与A成反比,因此可以通过优化光纤参数,提高总体探测效率。微纳纤芯表面高强度的倏逝场源自纤芯材料和样品界面处电场的不连续性,应用高折射率的材料(如氧化铋)和亚波长的纤芯尺寸,可以使荧光收集效率比石英NF高1~2个数量级。这一发现为基于纤芯表面荧光材料涂敷的高灵敏化学传感和生物传感奠定了基础。然而,由于SCF很细,光源和纤芯模场失配较大,因此耦合损耗较大,可以通过使用中间过渡光纤的方法来降低耦合损耗[21]。
对于液体填充PBG-HCF纤芯形成的液芯光纤,模场与样品重叠率γ高,荧光捕获效率(正比于液芯光纤数值孔径的平方)高,可以实现很高的荧光激发与收集效率,而且作用长度L较长,基模场和标准单模光纤也基本匹配,因此是荧光探测的理想平台。Smolka等[57]用波长为514 nm的Ar+激光器作为激发光源,对填充R6G乙二醇溶液的10 cm长的液芯光纤的荧光光谱进行了测量,结果如
6.3 拉曼光谱技术
应用NF、SCF或空芯微结构光纤作为样品池,可以大大提高拉曼和受激拉曼效应[59-62]。与NF或SCF相比,液芯光纤光场在液体样品中的比例高,和样品的重叠好,而且受光纤材料(石英)的拉曼背景散射光影响较小。在液体纤芯中加入金属纳米颗粒,表面等离子体共振效应会进一步提高激发光的强度,提升受激拉曼的激发效率[62-63]。Han等[62]采用液芯微结构光纤进行了常规拉曼和表面增强拉曼散射(SERS)的光谱测量实验。对商用PBG-HCF(HC19-1550-01)的纤芯填充溶液,使其转换为折射率导引的宽谱传输液芯光纤。该光纤的传输窗口既覆盖了拉曼激发波长(632.8 nm),同时也覆盖了待测溶液的拉曼光谱范围。使用30 cm长的液芯光纤,对水(A)、乙醇(B)、乙醇和水的混合溶液的拉曼光谱进行了测量。水中溶解体积分数为1%的乙醇(C)的拉曼信号清晰可见,如
图 27. 不同液芯光纤中的拉曼信号[62]。(a)PBG-HCF(HC19-1550-01)的纤芯中填充纯净水(A),乙醇(B),1%乙醇水溶液(C)和玻璃皿中加入1%乙醇水溶液(D)后的常规拉曼谱;(b)纤芯中填充胶体银纳米颗粒和浓度为1.7×10-7 mol/L的SCN-溶液(A)、玻璃皿中装有同样溶液(B)的表面增强拉曼光谱,插图是银纳米颗粒的电镜照片
Fig. 27. Raman signal of different liquid-filled HCFs[62]. (a) Normal Raman spectra acquired using PBG-HCF (HC19-1550-01)filled with water (A), ethanol (B), 1% ethanol in water (C), and using a glass vial containing 1% ethanol in water (D); (b) surface enhanced Raman spectra obtained using PBG-HCF(HC19-1550-01) filled with colloidal silver nanoparticles and SCN-solution with solution of 1.7×10-7 mol/L (A), and using a glass vial fill
7 结论
采用微纳结构光纤作为样品池,可能在以下几个方面促进激光光谱学的发展。1)微纳结构光纤损耗低,可实现光和样品物质之间的长距离相互作用,提高了光谱信号的强度,提升因子为γL/L0。2)微纳结构光纤模场面积小,对于同样的激光功率,和物质作用的功率密度高,相互作用强。这一特点对非线性光谱学系统尤为重要,可以将拉曼等非线性效应提升γA0/A倍。3)微纳结构光纤样品池的样品消耗量非常小,对1 m长的光纤,只需纳升量级的样品,尤其适合对有限样品进行高灵敏分析。4)微纳结构光纤可以盘绕,可以构建小型化的样品池,同时通过光纤方便和其他光学元器件进行连接,形成柔性光纤系统,实现远程测量,推动激光光谱技术在传感及分析仪器等领域的实际应用。5)利用光纤特有的性质,如特征光学模式、声学谐振特性及光纤光路的灵活性等,可以实现新型的高性能光谱分析技术。文中所述的模式相位差光热干涉光谱技术和光声干涉光谱技术就是很好的例子。
目前已报道的微纳结构光纤光谱学系统包括基于直接吸收、光热、光声及拉曼光谱学的气体测量系统和基于吸收、拉曼及荧光光谱学的液体测量系统。这些系统在浓度探测灵敏度等方面已经达到甚至超过了一些较复杂的自由空间光学系统。今后可能的研究方向包括光热干涉液体光谱分析技术、激光腔内和外腔吸收光谱技术、非线性光谱学技术、光化学反应在线分析技术[64]及实用化光纤光谱仪器和传感系统等。
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