CN104390952A - 一种线形聚焦拉曼散射探测头 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种线形聚焦拉曼散射探测头，包括激光传导光纤2、线形柱面镜透镜组3、散射光收集透镜组5、窄带阻高通滤光片6、平行光会聚透镜组7和散射光传导光纤8，激光传导光纤2将激光耦合到线形柱面镜透镜组3经线形柱面镜透镜组形成平行线形激光，线形激光经反射或会聚到样品上后产生拉曼散射光，散射光收集透镜组5收集来自样品表面的散射光，散射光经窄带阻高通滤光片6进入到平行光会聚透镜组7耦合到散射光传导光纤中。本发明将拉曼光谱导入到光谱仪狭缝前，形成线状散射光照射到光谱仪的入射狭缝上并与入射狭缝重合，大大地增加了拉曼光谱的入射效率，提高了便携式拉曼光谱仪的灵敏度。

Description

一种线形聚焦拉曼散射探测头

技术领域

本发明涉及一种光学设备，可为便携式或手持式拉曼光谱仪提供高效的激光拉曼散射探测头。

背景技术

拉曼散射是单频入射光与物质互相作用后产生的一种非弹性光散射现象。拉曼光谱是具有分子指纹信息的振动光谱，用它可以快速、准确地分析和鉴别物质(或分子)种类。它已经广泛应用于物理、化学、材料、生物、医学、食品、考古和刑侦等领域。拉曼光谱技术以光为探针，它具有非接触性、非破坏性、现场实时、原样原位和样品用量极少等检测特点外，还有空间分辨率高和光谱分辨率高的优点。另外，拉曼光谱技术可以在常规的环境条件特别是水溶液环境下进行探测，与红外光谱技术相比具有突出的优点。自1928年拉曼散射发现以来，拉曼光谱技术一直受到科学界的广泛重视，近十年来，拉曼光谱仪由科研院所等研究型单位逐步迈入检验检测结构、工厂质监部门等机构，而成为提高我国科研水平、人民生活质量与保障社会安全不可缺少的实验研究方法或常规的鉴定手段。

现代先进制造包括光源、分光与光电探测在内的技术发展，为制造体积小型化，技术集成化与检测现场化的便携式拉曼光谱仪提供了技术支撑。如今，诸如B&WTEK、Ocean Optics、Thermo Scientific、DeltaNu等公司，已经推出了性能与功能不同的携式拉曼光谱仪，这些设备主要应用于教学、现场测试，及少量科研，并占据着我们拉曼光谱仪需求市场。国内一些科研院校和高校也开展对小型拉曼光谱仪的研制工作，但未做到市场化规模。

便携式拉曼光谱仪的一个主要特点是采用光导纤维将光信号引出,并且光信号接收部分采用微型光纤光谱仪。便携式拉曼光谱仪由激光光源,拉曼探测头和光谱分析检测单元、CCD探测器和数据采集/人机界面组成。构造原理见图1。

拉曼光纤探测头是便携式拉曼光谱仪的主要组成元件之一。拉曼光纤探测头的功能包含激光传导、拉曼散射光收集以及滤波作用。激光器输出的激光由拉曼光纤探测头导入并聚焦在样品上，使之作用于样品。同时，拉曼光纤探测头收集拉曼信号，滤除包括激光与杂散光在内的非拉曼信号,并将其导入后端光谱仪。拉曼光纤探测头由小于200μm直径的激光输入光纤和小于100μm直径的散射光输出光纤(也称传导光纤)、平行透镜、带阻(陷波)或高透滤光片、单向反射棱镜等构成。小于100μm直径的传导光纤做成FC或SMA905标准接头,或做成形状与光谱仪入射狭缝匹配的接头。另外，拉曼光纤探头具有远距离实时检测、及其极端条件下(真空，低温/高温/高压等)非接触的原位检测功能。拉曼光纤探头的诞生，也极大的推动了拉曼光谱仪的研究与应用领域。

目前，市场上作为商品出售的光纤拉曼探测头，主要的结构大多采用双光纤共焦同轴的后散射方式，激发光与散射光具有共同的光路，通过双色镜将散射光聚焦到另一根传导光纤。传导光纤采用单股光纤,这种设计比较简单,但与光谱仪连接后,有效信号在连接处会损失近80-90％。原因是,光谱仪的入射狭缝宽度是10-20μm，而光纤的直径是100μm,与狭缝宽度不匹配,因而会损失掉。另外一种拉曼探测头采用多股光纤做传导光纤,将多股光纤由近似圆形排列转变为近似狭缝的线形排列,就会有更多散射光进入狭缝，提高光谱仪测量灵敏度数倍。依据上述原理及其市场需求，具有不同光学(路)构造的拉曼光纤探测头不断涌现。如专利号为CN102519937A的手持式拉曼探测头是一款带有自动控制激光稳定和自动采样的探头；专利号为CN203132699U的拉曼探测头是一种光测量与检测装置连用的探头，有增强拉曼信号的效果；专利号为CN201788152U的拉曼光纤探测头是采用空间偏离技术，以减少光学元件提高收集效率的探头；专利号为CN203758916U的便携式拉曼光纤探测头是一款焦距可调节，探测普适性较强。但是这些专利技术都是针对将激光聚焦成点而设计的光纤拉曼探测头。点聚焦光路也有其缺点。聚焦越小，虽能提高光谱分辨率，但光与物质互相作用的体积越小，就会降低拉曼散射的信号强度，影响光谱仪的检测灵敏度。为激发更多的拉曼信号强度，就必然需要更大的激光功率来激发。激光功率的增加必然导致样品表面温度增加，甚至损伤样品，而造成样品的拉曼信号失真。因此，如何进一步提高拉曼收集效率，仍然是光路设计的一大问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种线形聚焦拉曼散射探测头。本发明在线形聚焦模式下，通过增大光照的面积，增加了拉曼散射体积，实现增加收集拉曼信号效率。

本发明的目的是通过这样的技术方案实现的，一种线形聚焦拉曼散射探测头，包括光传导光纤2、线形柱面镜透镜组3、散射光收集透镜组5、窄带阻高通滤光片6、平行光会聚透镜组7和散射光传导光纤8，激光传导光纤2将激光耦合到线形面镜透镜组3经线形面镜透镜组形成平行线形激光，线形激光经样品表面散射后形拉曼光，散射光收集透镜组5收集来自样品表面的散射光，散射光经窄带阻高通滤光片6进入到平行光会聚透镜组7耦合到散射光传导光纤中。

进一步，所述线形柱面镜透镜组3包括平行光管、轴心相互垂直的柱面镜和会聚透镜，平行光管将激光传导光纤2导入的激光转变成方形光斑的平行光，平行光经过轴心相互垂直的柱面镜形成窄带线宽的线形激光；所述会聚透镜焦点与柱面镜焦点重合，将窄带线宽的线形激光整形成平行线形激光。

进一步，所述拉曼散射探测头还包括平行线形激光传导装置，所述平行线形激光传导装置用于将平行线形激光传导至样品的表面。

进一步，所述平行线形激光传导装置为散射光收集透镜组5的一部分；或所述平行线形激光传导装置为全反射透镜组9。

由于采用上述技术方案，本发明具有如下的优点：

1、线聚焦相对于点聚焦，散射面积增大，拉曼效应显著增强；

2、线聚焦相对于点聚焦，相同功率的入射激光照射到样品上，样品上的光功率谱密度要低的多。相对应的在线聚焦模式下，样品承载的激光功率更大，能有效防止激光对样品的损伤；

3、线聚焦相对于点聚焦，点状光斑的焦点远远大于光谱仪的入射狭缝，大部分的散射光被阻挡在光谱仪之外，而线聚焦与光谱仪入射狭缝重合，可大大提高光谱仪的通光效率。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步的详细描述，其中：

图1为便携式拉曼光谱仪构造原理图；

图2透镜聚焦探头系统示意图；

图3反射镜聚焦探头系统示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步的详细描述。

实施例一

如图2所示，线形聚焦拉曼散射探测头，包括激光光源1、激光传导光纤2、线形柱面镜透镜组3、散射光收集透镜组5、窄带阻高通滤光片6、平行光会聚透镜组7和散射光传导光纤8。

所述线形柱面镜透镜组3包括平行光管、轴心相互垂直的柱面镜和会聚透镜，

激光光源1发射的激光耦合到激光传导光纤2，经激光传导光纤2传导耦合到线形柱面镜透镜组3形成平行线形激光，线形柱面镜透镜组形成平行线形激光的具体过程为：

平行光管将激光器发出的呈高斯分布的圆形光斑激光转变成为方形光斑的平行光，经平行光管传导后的平行光经过轴心相互垂直的柱面镜形成为窄带线宽的线形激光，会聚透镜焦点与柱面镜焦点重合，将窄带线宽的线形激光整形成平行线形激光。

在本发明中，线形聚焦拉曼散射探测头还包括平行线形激光传导装置，该平行线形激光传导装置为散射光收集透镜组5的一部分，平行线形激光经过散射光收集透镜组5边缘再会聚在样品4上也呈线形光斑，散射光收集透镜组5同时收集从样品散射出来的拉曼光，散射出来的拉曼光经散射光收集透镜组5后成平行光，然后经过窄带阻高通滤光片6，滤除入射激光波长及以下波段的光谱，消除对所需拉曼光谱的干扰，滤光后的光经过平行光会聚透镜组7耦合到散射光传导光纤8，然后经过散射光传导光纤8导入到拉曼光谱仪狭缝，在其输出端口形成的线形散射光照射到小型光谱仪的入射狭缝上并与入射狭缝重合。

与传统的便携式拉曼探头相比，由于省略了两个单向反射镜，本发明的光路最短，用的光学元件最少，加上是线形聚焦，大大增加了拉曼散射光的收集效率，而增强了便携式拉曼光谱仪的测量灵敏度。

实施例二

如图3所示，在实施例一中，平行线形激光传导装置为散射光收集透镜组的一部分，本发明中的平行线形激光传导装置还可以为全反射透镜组9，平行线形激光经过全反射透镜组再会聚在样品4上也呈线形光斑。

与采用收集透镜组的一部分作为平行线形激光传导装置相比，本实施例采用全反射透镜组具有以下优点，由于采用了侧面入射的方法，线形激光不再经过散射光收集透镜，避免了来自样品表面的反射激光直接进入收集透镜，这样大大降低了弹性散射信号进入散射光收集透镜，不仅可降低窄带阻高通滤光片的光密度(OD)使用指标要求，而且减少了对散射光收集透镜的设计要求和难度，另外，这个光学设计也省略了两个单向反射镜，用的光学元件减少，均都起到了降低制造拉曼探测头成本的作用。这种侧面入射线形聚焦拉曼散射探测头不仅增强了便携式拉曼光谱仪的测量灵敏度，而且可以提高光谱仪的信噪比。

综上所述，本发明将拉曼光谱导入到光谱仪狭缝前，形成线状散射光照射到光谱仪的入射狭缝上并与入射狭缝重合，大大地增加了拉曼光谱的入射效率，提高了便携式拉曼光谱仪的灵敏度。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (5)

1.一种线形聚焦拉曼散射探测头，其特征在于：包括激光传导光纤(2)、线形柱面镜透镜组(3)、散射光收集透镜组(5)、窄带阻高通滤光片(6)、平行光会聚透镜组(7)和散射光传导光纤(8)，激光传导光纤(2)将激光耦合到线形面镜透镜组(3)经线形柱面镜透镜组形成平行线形激光，线形激光照射到样品表面后散射形拉曼光，散射光收集透镜组(5)收集来自样品表面的散射光，散射光经窄带阻高通滤光片(6)进入到平行光会聚透镜组(7)耦合到散射光传导光纤(8)中。

2.根据权利要求1所述的线形聚焦拉曼散射探测头，其特征在于：所述线形柱面镜透镜组(3)包括平行光管、轴心相互垂直的柱面镜和会聚透镜，平行光管将激光传导光纤(2)导入的激光转变成方形光斑的平行光，平行光经过轴心相互垂直的柱面镜形成窄带线宽的线形激光；所述会聚透镜焦点与柱面镜焦点重合，将窄带线宽的线形激光整形成平行线形激光。

3.根据权利要求1或2所述的线形聚焦拉曼散射探测头，其特征在于：所述拉曼散射探测头还包括平行线形激光传导装置，所述平行线形激光传导装置用于将平行线形激光传导至样品的表面。

4.根据权利要求3所述的线形聚焦拉曼散射探测头，其特征在于：所述平行线形激光传导装置为散射光收集透镜组(5)的一部分。

5.根据权利要求3所述的线形聚焦拉曼散射探测头，其特征在于：所述平行线形激光传导装置为全反射透镜组(9)。