CN104949958A - 一种基于光纤分束器的新型拉曼探头 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于光纤分束器的新型拉曼探头，它涉及光学设备技术领域；激发光从输入光纤进入探头，经过准直透镜变为平行光，然后依次通过窄带通滤光片、双色镜、会聚透镜和保护窗口，会聚透镜将激发光聚焦于被测样品，被测样品产生的拉曼散射光连同瑞利散射光一起反方向透过保护窗口进入探头，由会聚透镜收集并准直，再依次经过双色镜和反射镜的两次90度光束转折后通过长波通滤光片滤除瑞利散射光，所剩的拉曼散射光由耦合透镜会聚进入收集光纤，经过分束器平均分配到输出光纤束中，输出光纤束的末端在密排模块上排列成直线后与光谱仪的狭缝进行对接；本发明采用光纤分束器有效提高了探头到光谱仪的能量耦合效率，且结构简单，易于小型化。

Description

一种基于光纤分束器的新型拉曼探头

技术领域

本发明涉及光学设备技术领域，具体涉及一种基于光纤分束器的新型拉曼探头。

背景技术

拉曼效应由印度物理学家拉曼发现，指光波在被散射后频率发生变化的现象。光照射到物质上发生弹性散射和非弹性散射，弹性散射的散射光是与激发光波长相同的成分（瑞利散射光），非弹性散射的散射光（拉曼散射光）有比激发光波长的成分，也有比激发光波短的成分，拉曼光谱分析方法是对与激发光频率不同的散射光谱进行分析，以得到分子振动、转动方面的信息，并应用于分子结构研究的一种分析方法，散射光频率的变化取决于散射物质的特性，不同原子团振动的方式是唯一的，因此可以产生特定频率的散射光，其光谱就称为“指纹光谱”，可以照此原理鉴别出组成物质的分子种类。因此，拉曼光谱分析被广泛应用于生物、矿物、化学物质的鉴定与检测。基于拉曼光谱分析技术的拉曼光谱仪在食品安全、生物医药、公共安全、材料科学、珠宝鉴定、地质探矿、环境检测等领域具有良好的应用前景。

拉曼探头是拉曼光谱仪的关键器件，用于传导激发光束、收集拉曼光谱。由于物质的拉曼散射信号很弱，其信号强度是瑞利散射信号强度的百万分之一。因此，为提高拉曼光谱检测的精度和灵敏度，拉曼探头一方面需要尽可能阻止瑞利散射光进入光谱仪，另一方面需要尽可能的提高拉曼散射信号的收集、利用效率。目前，减小瑞利散射的影响主要依靠高品质的滤光片。对于如何有效提高拉曼光谱的收集、利用效率，较常见的方法是在输出端用由多根光纤捆绑组成的光纤束，代替单根光纤来增大收集面积，或是采用多个收集通道，通过多角度、多通道来提高拉曼散射的收集效率。以上两种方法在与光谱仪的狭缝对接时，通过将多根光纤排列成与光谱仪狭缝对应的直线，比单独采用一根接收光纤直接对接光谱仪的狭缝，可以显著提高拉曼信号的利用效率，从而提高拉曼检测的灵敏度，但是想要获得较大的收集面积，需要将被测样品的激发区域放大，与之相应的会聚透镜和耦合透镜的焦距都要随之增大，必将会增大整个探头的体积，而多通道多角度的收集方式明显也不利于系统的小型化，其装配调试也更加复杂。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的缺陷和不足，提供一种结构简单、设计合理、使用方便的一种基于光纤分束器的新型拉曼探头。

为了解决背景技术所存在的问题，本发明的一种基于光纤分束器的新型拉曼探头，它包括输入光纤、准直透镜、窄带通滤光片、双色镜、会聚透镜、保护窗口、反射镜、长波通滤光片、耦合透镜、收集光纤、分束器、输出光纤束、密排模块；激光器的输出光纤与输入光纤对接，输入光纤的右侧依次设置有准直透镜、窄带通滤光片、双色镜、会聚透镜、保护窗口，保护窗口的一侧设置有被测样品，双色镜的下侧设置有反射镜，反射镜的左侧依次设置有长波通滤光片、耦合透镜、收集光纤，收集光纤与分束器连接，分束器通过输出光纤束与密排模块连接，密排模块与光谱仪配合；激发光从输入光纤进入探头，经过准直透镜变为平行光，然后依次通过窄带通滤光片、双色镜、会聚透镜和保护窗口，会聚透镜将激发光聚焦于被测样品，被测样品被激发光激发后发生拉曼散射，所产生的拉曼散射光连同瑞利散射光一起反方向透过保护窗口进入探头，由会聚透镜收集并准直，再依次经过双色镜和反射镜的两次90度光束转折后通过长波通滤光片滤除瑞利散射光，所剩的拉曼散射光由耦合透镜会聚进入收集光纤，经过分束器平均分配到输出光纤束中，输出光纤束的末端在密排模块上排列成直线后与光谱仪的狭缝进行对接。

作为优选，所述的准直透镜、窄带通滤光片、双色镜、会聚透镜、保护窗口共轴放置构成激发光路；反射镜、长波通滤光片、耦合透镜共轴放置构成收集光路；激发光路与收集光路平行设置；双色镜与激发光路成45度夹角设置，反射镜与收集光路成45度夹角设置，且双色镜与反射镜垂直对应。

作为优选，所述的输入光纤可以是单根光纤，也可以是由多根光纤组成的光纤束。

作为优选，所述的准直透镜、会聚透镜和耦合透镜可以是球面透镜、非球面透镜、球透镜、自由曲面透镜、自聚焦透镜，或是由多种透镜组成的镜组。

作为优选，所述的窄带通滤光片对激发光具有高透过率，对输入光纤产生的拉曼散射光以及被测样品产生的拉曼散射光具有低的透过率。

作为优选，所述的双色镜对激发光具有高透过率，对被测样品产生的拉曼散射光具有高反射率。

作为优选，所述的保护窗口对探头光路进行密封和保护，并镀有对激发光和被测样品产生的拉曼散射光都具有高透过率的增透膜。

作为优选，所述的反射镜对被测样品产生的拉曼散射光具有高反射率，对激发光具有低反射率。

作为优选，所述的长波通滤光片对被测样品产生的拉曼散射光具有高透过率，对激发光具有低透过率。

作为优选，所述的分束器用于将收集光纤中的拉曼散射光平均分配到输出光纤束中，输出光纤束中光纤的芯径和数值孔径小于收集光纤的芯径和数值孔径。

作为优选，所述的密排模块由刻有微槽的底板和盖板组成，用于将输出光纤束准确地排列成一直线。

作为优选，所述的输出光纤束在排列前，光纤端面的涂覆层被剥离，只保留纤芯和包层，且镀有对被测样品产生的拉曼散射光具有高透过率的增透膜。

本发明的有益效果是：直接用单根光纤收集拉曼散射光信号，再通过光纤分束器平均分配到光纤束中，然后将光纤束在密排模块上排列成一条直线与光谱仪的狭缝对接，这样不需要额外增加拉曼散射光的收集面积，使探头的体积小巧，便于集成，同时，作为输出端的光纤束的芯径和数值孔径均要比收集光纤的芯径和数值孔径小，对比仅使用单根同规格收集光纤对接光谱仪狭缝的方法，可以有效提高探头到光谱仪的能量耦合效率，并且，光纤分束器是一种成熟器件，在光通讯领域、大功率泵浦光合束、测量用的仪器仪表中都有着广泛的应用，在市场上容易取得。

附图说明

图1为本发明的光路原理示意图。

图2为本发明中密排模块的结构示意图。

图3为本发明中光谱仪狭缝切割光纤纤芯截面示意图。

附图标记说明：101-激光器；102-输入光纤；103-准直透镜；104-窄带通滤光片；105-双色镜；106-会聚透镜；107-保护窗口；108-被测样品；109-反射镜；110-长波通滤光片；111-耦合透镜；112-收集光纤；113-分束器；114-输出光纤束；115-密排模块；116-光谱仪。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施方式，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施方式仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1-2所示，本具体实施方式采用如下技术方案：它包括输入光纤102、准直透镜103、窄带通滤光片104、双色镜105、会聚透镜106、保护窗口107、反射镜109、长波通滤光片110、耦合透镜111、收集光纤112、分束器113、输出光纤束114、密排模块115；

激光器101选用光纤输出的窄线宽半导体激光器，将其输出光纤与拉曼探头的输入光纤102进行对接，将激发光传输到准直透镜103的焦平面上，经过准直后变为平行光，然后依次通过窄带通滤光片104、双色镜105、会聚透镜106和保护窗口107，会聚透镜106将激发光聚焦于被测样品108，被测样品108被激发光激发后发生拉曼散射，所产生的拉曼散射光连同瑞利散射光一起反方向透过保护窗口107进入探头，由会聚透镜106收集并准直，再依次经过双色镜105和反射镜109的两次90度光束转折后通过长波通滤光片110滤除瑞利散射光，所剩的拉曼散射光由耦合透镜111会聚进入收集光纤112，经过分束器113平均分配到输出光纤束114中，输出光纤束114的末端在密排模块115上排列成直线后与光谱仪116的狭缝进行对接。

进一步的，所述的准直透镜103、窄带通滤光片104、双色镜105、会聚透镜106、保护窗口107共轴放置构成激发光路；反射镜109、长波通滤光片110、耦合透镜111共轴放置构成收集光路；激发光路与收集光路平行设置；双色镜105与激发光路成45度夹角设置，反射镜109与收集光路成45度夹角设置，且双色镜105与反射镜109垂直对应，在此光路结构中，双色镜105和反射镜109将光路折叠，实现背散射的收集方式，缩小了探头尺寸，利于小型化。

进一步的，所述的输入光纤102是单根光纤，芯径为105um，包层125um，N.A为0.15。

进一步的，所述的准直透镜103、会聚透镜106和耦合透镜111是球面透镜，准直透镜103的作用是准直激发光，会聚透镜106在光路中正向将激发光聚焦在被测样品108上，反向将拉曼散射光和瑞利散射光收集并准直，耦合透镜111的作用是将拉曼散射光会聚耦合进入收集光纤112。

进一步的，所述的窄带通滤光片104对激发光具有高透过率，对输入光纤102产生的拉曼散射光以及被测样品108产生的拉曼散射光具有低透过率，可以滤除由于激发光在输入光纤102中传输而激发的拉曼散射光，同时可以阻止被测样品108产生的瑞利散射光反向进入激光器101。

进一步的，所述的双色镜105对激发光具有高透过率，对被测样品108产生的拉曼散射光具有高反射率，它在光路中正向透过激发光，背向透过瑞利散射光并反射拉曼散射光。

进一步的，所述的保护窗口107对探头光路进行密封和保护，并镀有对激发光和被测样品108产生的拉曼散射光都具有高透过率的增透膜。

进一步的，所述的反射镜109对被测样品108产生的拉曼散射光具有高反射率，对激发光具有低反射率，它在反射拉曼散射光的同时还可以滤除一部分瑞利散射光。

进一步的，所述的长波通滤光片110对被测样品108产生的拉曼散射光具有高透过率，对激发光具有低透过率，它与双色镜105、反射镜109配合满足了对瑞利散射光的阻透。

进一步的，所述的分束器113用于将收集光纤112中的拉曼散射光平均分配到输出光纤束114中，输出光纤束114中光纤的芯径和数值孔径小于收集光纤112的芯径和数值孔径，本实施例中采用的分束器113为1x7端口结构，输入光纤即收集光纤112的芯径为200um，包层242um，N.A为0.22，输出光纤束114中光纤的芯径为105um，包层125um，N.A为0.15，耦合效率高于90%，且外形尺寸小巧，便于集成。

进一步的，所述的密排模块115由刻有微槽的底板201和盖板202组成，用于将输出光纤束114准确地排列成一直线，如图2所示，底板201和盖板202的材质是玻璃或者硅，底板201上的微槽采用划片、光刻或腐蚀的工艺制作，刻槽间距为127um，刻槽的形状是V型或梯形。

进一步的，所述的输出光纤束114在排列前，光纤端面的涂覆层被剥离，只保留纤芯和包层，排列时依次将光纤置入底板201上的微槽内，压紧盖板202，用胶固化，并对光纤端面进行研磨，再镀上一层对被测样品108产生的拉曼散射光具有高透过率的增透膜。

如图3所示，采用狭缝的宽度为50um，301为狭缝剖面。图中左侧是采用单根芯径200um，N.A0.22的光纤收集拉曼信号并与狭缝对接的情况，未被狭缝遮挡的部分302占整个纤芯面积的31.5%，由于多模光纤纤芯内的光信号近似呈均匀分布，并考虑采用光谱仪116的N.A为0.15，因此探头到光谱仪116的能量耦合效率约为14.6%；图中右侧是使用光纤分束器113的情况，由芯径200um，N.A0.22的光纤收集拉曼信号，再平均分配到7条芯径105um，N.A0.15的光纤中，并将其排列成一直线与狭缝对接，未被狭缝遮挡的部分303占整个纤芯面积的58.3%，再考虑到分束器113的耦合效率为90%，此方案下探头到光谱仪116的能量耦合效率约为52.4%，可提高3.5倍左右。

以上所述，仅用以说明本发明的技术方案而非限制，本领域普通技术人员对本发明的技术方案所做的其它修改或者等同替换，只要不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (5)

1.一种基于光纤分束器的新型拉曼探头，其特征在于：它包括输入光纤、准直透镜、窄带通滤光片、双色镜、会聚透镜、保护窗口、反射镜、长波通滤光片、耦合透镜、收集光纤、分束器、输出光纤束、密排模块，激光器的输出光纤与输入光纤对接，输入光纤的右侧依次设置有准直透镜、窄带通滤光片、双色镜、会聚透镜、保护窗口，保护窗口的一侧设置有被测样品，双色镜的下侧设置有反射镜，反射镜的左侧依次设置有长波通滤光片、耦合透镜、收集光纤，收集光纤与分束器连接，分束器通过输出光纤束与密排模块连接，密排模块与光谱仪配合；激发光从输入光纤进入探头，经过准直透镜变为平行光，然后依次通过窄带通滤光片、双色镜、会聚透镜和保护窗口，会聚透镜将激发光聚焦于被测样品，被测样品被激发光激发后发生拉曼散射，所产生的拉曼散射光连同瑞利散射光一起反方向透过保护窗口进入探头，由会聚透镜收集并准直，再依次经过双色镜和反射镜的两次90度光束转折后通过长波通滤光片滤除瑞利散射光，所剩的拉曼散射光由耦合透镜会聚进入收集光纤，经过分束器平均分配到输出光纤束中，输出光纤束的末端在密排模块上排列成直线后与光谱仪的狭缝进行对接。

2.根据权利要求1所述的一种基于光纤分束器的新型拉曼探头，其特征在于：所述的准直透镜、窄带通滤光片、双色镜、会聚透镜、保护窗口共轴放置构成激发光路；反射镜、长波通滤光片、耦合透镜共轴放置构成收集光路；激发光路与收集光路平行设置；双色镜与激发光路成45度夹角设置，反射镜与收集光路成45度夹角设置，且双色镜与反射镜垂直对应。

3.根据权利要求1所述的一种基于光纤分束器的新型拉曼探头，其特征在于：所述的密排模块由刻有微槽的底板和盖板组成；用于将输出光纤束准确地排列成一直线。

4.根据权利要求1所述的一种基于光纤分束器的新型拉曼探头，其特征在于：所述的分束器用于将收集光纤中的拉曼散射光平均分配到输出光纤束中，输出光纤束中光纤的芯径和数值孔径小于收集光纤的芯径和数值孔径。

5.根据权利要求1所述的一种基于光纤分束器的新型拉曼探头，其特征在于：所述的输出光纤束在排列前，光纤端面的涂覆层被剥离，只保留纤芯和包层，且镀有对被测样品产生的拉曼散射光具有高透过率的增透膜。