CN108088832A - 一种单光源 cars 光谱装置及检测拉曼活性介质的方法 - Google Patents

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Abstract

一种新型CARS激发源装置及检测系统结构，涉及激光光谱技术领域。本发明采用的是相干反斯托克斯拉曼光谱技术，采用一台激光器作为光源，利用受激拉曼后向SBS光和斯托克斯光光束质量好，两束光自动合束，满足相位匹配的特点；其次，激发池内的拉曼活性液体的拉曼频移范围包括待测物种的拉曼频移，因此不用像普通CARS光谱仪一样要调节斯托克斯光的波长，就能产生波长精确满足要求的斯托克斯光；再者，液体的拉曼阈值较低，因此能在较低能量下产生SBS光和斯托克斯光作为CARS光谱的激发源。总体上说，降低了成本，降低了光路调节难度，降低了维护难度并且提高了检测精度。

Description

一种单光源CARS光谱装置及检测拉曼活性介质的方法
技术领域
本发明涉及激光光谱技术领域，具体涉及一种CARS光谱仪的激发源装置及检测系统结构。
背景技术
CARS(相干反斯托克斯拉曼散射)光谱技术是一种三阶非线性激光光谱技术，利用分子的拉曼活性共振获取气态、液态和固态中分子的光谱信号。目前的CARS光谱技术多采用两束或多数激光光源，其中一束激光作为泵浦光，另一束激光(一般由染料激光器或者OPO产生)作为斯托克斯光，依据情况不同可能再采用一束激光作为探测光(或者泵浦光同时作为探测光)，因此需要至少两台激光器或者至少一台激光器和一台OPO提供输入激光。目前的CARS技术采用的方案面临成本过高，精密的可调谐激光系统维护困难并需要定期校正等问题。针对上述问题，本发明提出一种基于SRS(受激拉曼散射)和SBS(受激布里渊散射)的单光源低成本CARS光谱装置，采用具有拉曼活性和受激布里渊活性的物质作为斯托克斯光和SBS光产生装置，与泵浦激光器配合实现待测拉曼活性物种的检测。
发明内容
针对目前CARS光谱检测技术存在的成本高，维护困难等问题，提出了一种基于SRS(受激拉曼散射)和SBS(受激布里渊散射)的单光源CARS光谱装置，实现对拉曼活性物种的检测。
本发明采用的技术方案如下：
一种单光源CARS光谱装置，包括泵浦激光器，光隔离器，第一聚焦透镜，激发池，第二聚焦透镜，测量池，长波通滤波器，CARS光探测器；泵浦激光器的输出光通过光隔离器后经第一聚焦透镜聚焦，从激发池一侧的入射光窗口注入激发池中；激发池中产生的后向受激拉曼散射(SRS)光和后向受激布里渊散射(SBS)光，经第一聚焦透镜后再经光隔离器与入射光束分离，经第二聚焦透镜聚焦，从测量池一侧的入射光窗口注入测量池中；在测量池中产生的CARS信号光与SBS光、SRS光一同从测量池的另一侧窗口输出，再经长波通滤波器滤除SBS光和SRS光后由探测器接收。
采用本发明所述装置进行CARS光谱检测的方法是：于激发池中装入拉曼频移范围包括被测组分的具有拉曼活性和受激布里渊活性的液体，于测量池中装入待测物种；CARS光探测器采集的CARS光信号强度为I。
为消除激发池中产生的反斯托克斯拉曼光对探测结果的影响，可在后向光路上光隔离器之后，测量池之前的光路中加入一个长波通滤波器，如置于光隔离器与第二聚焦透镜之间，或置于第二聚焦透镜和之间测量池之间，剩下的SBS光和SRS光作为CARS检测装置的激发源。
为了提高探测灵敏度，可在长波通滤波器后的光路中放置染料循环放大池，配制荧光波长范围包括斯托克斯光的染料溶液放入染料循环放大池中，将激发池中的液体调到适宜温度，同时调节激发池的长度，会增加后向斯托克斯光的比例，从而增加CARS信号强度。
为达到定量探测目的，或者比较不同样品中某一物种的含量多少等关系，可在光路中加入分束镜，处于染料循环放大池与第二聚焦透镜之间，由分束镜反射的光经长波通二向色镜透射后照射到斯托克斯光探测器上，长波通二向色镜反射的光照射到SBS光探测器上。
采用上述单光源CARS光谱装置检测拉曼活性介质的方法是，于激发池中装入SRS斯托克斯光光谱范围可覆盖被测组分斯托克斯光特征光谱线的具有拉曼活性和受激布里渊活性的介质，于测量池中装入待测物种；CARS光探测器采集的CARS光信号的波长，可定性检测待测物种。
激发池内填装的具有拉曼活性和受激布里渊活性介质的斯托克斯光光谱必须能够覆盖待测物种的拉曼斯托克斯光特征光谱线，可以选择斯托克斯光线宽较宽的具有拉曼活性和受激布里渊活性介质，也可以选择斯托克斯光谱与待测物种的特征斯托克斯光谱有重合的具有拉曼活性和受激布里渊活性介质。
CARS光探测器采集的CARS光信号强度为I，SBS光探测器采集的SBS光信号强度为Ip，斯托克斯光探测器采集的斯托克斯光信号强度为Is；C为测量池中待测物种的浓度，满足以下等式其中比例系数k通过测已知浓度的被测物种进行标定。
本发明中的泵浦激光器应采用高峰值功率的脉冲激光器，峰值功率须达到兆瓦以上；光隔离器由偏振分束立方体和四分之一玻片组成，使后向SBS光和SRS光从垂直光路方向出射；短波通滤波片可以透过泵浦光波长以下的光，能滤掉SBS光和斯托克斯光，只留CARS信号光由探测器接受；长波通滤波器9可阻止波长小于泵浦光波长的光进入测量池；长波通二向色镜12可反射波长不大于泵浦光波长的光。本发明采用的技术方案中，待测物种的CARS光波长比SBS光和斯托克斯光波长都短，因此经长波通滤波器可以滤掉SBS光和斯托克斯光，只留CARS信号光由探测器接受。
本发明的显著优点是，采用一台激光器作为光源，利用受激拉曼后向SBS光和斯托克斯光光束质量好，两束光自动合束，满足相位匹配的特点；其次，激发池内的具有拉曼活性和受激布里渊活性的液体拉曼频移范围包括待测物种的拉曼频移，因此不用像普通CARS光谱仪一样要调节斯托克斯光的波长，就能产生波长精确满足要求的斯托克斯光；再者，液体的拉曼阈值较低，因此能在较低能量下产生SBS光和斯托克斯光作为CARS光谱的激发源。总体上说，降低了成本，降低了光路调节难度，降低了维护难度并且提高了检测精度。
附图说明
图1为本发明所涉及的新型CARS激发源装置及检测系统结构，图中：1-泵浦激光器，2-光隔离器，3-第一聚焦透镜，4-激发池，5-第二聚焦透镜，6-测量池，7-短波通滤波片，8-CARS光探测器。
图2为本发明所涉及的新型CARS激发源装置及检测系统的一种优化结构，图中1-泵浦激光器，2-光隔离器，3-第一聚焦透镜，4-激发池，5-第二聚焦透镜，6-测量池，7-短波通滤波片，8-CARS光探测器，9-长波通滤波器。
图3为本发明所涉及的新型CARS激发源装置及检测系统的一种优化结构，图中1-泵浦激光器，2-光隔离器，3-第一聚焦透镜，4-激发池，5-第二聚焦透镜，6-测量池，7-短波通滤波片，8-CARS光探测器，9-长波通滤波器，10-染料循环放大池。
图4为本发明所涉及的新型CARS激发源装置及检测系统的一种优化结构，图中1-泵浦激光器，2-光隔离器，3-第一聚焦透镜，4-激发池，5-第二聚焦透镜，6-测量池，7-短波通滤波片，8-CARS光探测器，9-长波通滤波器，10-染料循环放大池，11-分束镜，12-长波通二向色镜，13-斯托克斯光探测器，14-SBS光探测器。
图5为本发明所涉及的新型CARS激发源装置及检测系统结构根据实施例1的条件测得乙醇水溶液的CARS光谱图。
图6为本发明所涉及的新型CARS激发源装置及检测系统结构根据实施例2的条件测得D2O，H2O，乙醇稀溶液和乙醇浓溶液的CARS光谱图。
图7为本发明所涉及的新型CARS激发源装置及检测系统结构根据实施例3的条件测得CH4的CARS光谱图。
图8为本发明所涉及的新型CARS激发源装置及检测系统结构根据实施例4的条件测得氮气的CARS光谱图。
具体实施方式
以下将结合附图及实施例来详细说明本发明的实施方式。
实施例1
采用本发明分别探测乙醇水溶液的信号。
实验装置如图1所示，采用泵浦激光器1输出的532nm激光作为光源，分别于激发池4中装入蒸馏水，拉曼频移范围为2900～2700cm-1，分别于测量池7中放入乙醇水溶液；532nm光通过光隔离器2后经聚焦透镜3聚焦，从激发池4一侧的入射光窗口注入激发池中；激发池中产生的后向受激拉曼散射SRS光和后向受激布里渊散射SBS光；经第一聚焦透镜3后再经光隔离器2与入射光束分离；经第二聚焦透镜5聚焦，从测量池6一侧的入射光窗口注入测量池中；在测量池中产生的CARS信号光与SBS光、SRS光一同从测量池的另一侧窗口输出，再经长波通滤波器7滤除SBS光和SRS光后由CARS光探测器8接收，光谱图如图5。
本发明的显著优点是，采用一台激光器作为光源，利用受激拉曼后向SBS光和斯托克斯光光束质量好，两束光自动合束，满足相位匹配；其次，激发池内的具有拉曼活性和受激布里渊活性的液体拉曼频移范围包括待测物种的拉曼频移，因此不用像普通CARS光谱仪一样要调节斯托克斯光的波长，就能产生波长精确满足要求的斯托克斯光；再者，液体的拉曼阈值较低，因此能在较低能量下产生SBS光和斯托克斯光作为CARS光谱的激发源。总体上说，降低了成本，降低了光路调节难度，降低了维护难度并且提高了检测精度。
实施例2
采用本发明分别探测D2O，H2O，乙醇稀溶液和乙醇浓溶液的信号。
实验装置如图2所示，采用泵浦激光器1输出的532nm激光作为光源，分别于激发池4中装入蒸馏水，拉曼频移范围为2900～2700cm-1，分别于测量池7中放入D2O，H2O，乙醇稀溶液和乙醇浓溶液；532nm光通过光隔离器2后经聚焦透镜3聚焦，从激发池4一侧的入射光窗口注入激发池中；激发池中产生的后向受激拉曼散射SRS光和后向受激布里渊散射SBS光；经第一聚焦透镜3后再经光隔离器2与入射光束分离；为消除激发池4中产生的反斯托克斯拉曼光对探测结果的影响，可在后向光路上光隔离器2之后，测量池6之前的光路中加入一个长波通滤波器9，如置于光隔离器2与第二聚焦透镜5之间，或置于第二聚焦透镜5和之间测量池6之间，将激发池4中产生的反斯托克斯拉曼光滤除，剩下的SBS光和SRS光作为CARS检测装置的激发源；SBS光和SRS光经第二聚焦透镜5聚焦，从测量池6一侧的入射光窗口注入测量池中；在测量池中产生的CARS信号光与SBS光、SRS光一同从测量池的另一侧窗口输出，再经长波通滤波器7滤除SBS光和SRS光后由CARS光探测器8接收，光谱图如图6。
本发明的显著优点是，采用一台激光器作为光源，利用受激拉曼后向SBS光和斯托克斯光光束质量好，两束光自动合束，满足相位匹配；其次，激发池内的具有拉曼活性和受激布里渊活性的液体拉曼频移范围包括待测物种的拉曼频移，因此不用像普通CARS光谱仪一样要调节斯托克斯光的波长，就能产生波长精确满足要求的斯托克斯光；再者，液体的拉曼阈值较低，因此能在较低能量下产生SBS光和斯托克斯光作为CARS光谱的激发源。总体上说，降低了成本，降低了光路调节难度，降低了维护难度并且提高了检测精度。
实施例3
采用本发明探测CH4气体的信号。
实验装置如图2所示，采用泵浦激光器1输出的532nm激光作为光源，分别于激发池4中装入蒸馏水，拉曼频移范围为2900～2700cm-1，于测量池7中CH4，乙醇稀溶液和乙醇浓溶液；532nm光通过光隔离器2后经聚焦透镜3聚焦，从激发池4一侧的入射光窗口注入激发池中；激发池中产生的后向受激拉曼散射SRS光和后向受激布里渊散射SBS光；经第一聚焦透镜3后再经光隔离器2与入射光束分离；为消除激发池4中产生的反斯托克斯拉曼光对探测结果的影响，可在后向光路上光隔离器2之后，测量池6之前的光路中加入一个长波通滤波器9，如置于光隔离器2与第二聚焦透镜5之间，或置于第二聚焦透镜5和之间测量池6之间，将激发池4中产生的反斯托克斯拉曼光滤除，剩下的SBS光和SRS光作为CARS检测装置的激发源；SBS光和SRS光经第二聚焦透镜5聚焦，从测量池6一侧的入射光窗口注入测量池中；在测量池中产生的CARS信号光与SBS光、SRS光一同从测量池的另一侧窗口输出，再经长波通滤波器7滤除SBS光和SRS光后由CARS光探测器8接收，光谱图如图7。
本发明的显著优点是，采用一台激光器作为光源，利用受激拉曼后向SBS光和斯托克斯光光束质量好，两束光自动合束，满足相位匹配；其次，激发池内的具有拉曼活性和受激布里渊活性的液体拉曼频移范围包括待测物种的拉曼频移，因此不用像普通CARS光谱仪一样要调节斯托克斯光的波长，就能产生波长精确满足要求的斯托克斯光；再者，液体的拉曼阈值较低，因此能在较低能量下产生SBS光和斯托克斯光作为CARS光谱的激发源。总体上说，降低了成本，降低了光路调节难度，降低了维护难度并且提高了检测精度。
实施例4
采用本发明探测空气中氮气的信号。
实验装置如图3所示，采用泵浦激光器1输出的532nm激光作为光源，于激发池4中装入D2O，拉曼频移范围为2600～2200cm-1，测量池7敞口置于空气中；532nm光通过光隔离器2后经聚焦透镜3聚焦，从激发池4一侧的入射光窗口注入激发池中；激发池中产生的后向受激拉曼散射SRS光和后向受激布里渊散射SBS光；经第一聚焦透镜3后再经光隔离器2与入射光束分离；为消除激发池4中产生的反斯托克斯拉曼光对探测结果的影响，可在后向光路上光隔离器2之后，测量池6之前的光路中加入一个长波通滤波器9，如置于光隔离器2与第二聚焦透镜5之间，或置于第二聚焦透镜5和之间测量池6之间，将激发池4中产生的反斯托克斯拉曼光滤除，剩下的SBS光和SRS光作为CARS检测装置的激发源；为了提高探测灵敏度，在长波通滤波器9后的光路中放置染料循环放大池10，配制荧光波长范围包括斯托克斯光的染料溶液放入染料循环放大池10中，将激发池4中的液体调到适宜温度，同时调节激发池4的长度，以增加后向斯托克斯光的比例；SBS光和SRS光经第二聚焦透镜5聚焦，从测量池6一侧的入射光窗口注入测量池中；在测量池中产生的CARS信号光与SBS光、SRS光一同从测量池的另一侧窗口输出，再经长波通滤波器7滤除SBS光和SRS光后由CARS光探测器8接收，光谱图如图8。
本发明的显著优点是，采用一台激光器作为光源，利用受激拉曼后向SBS光和斯托克斯光光束质量好，两束光自动合束，满足相位匹配；其次，激发池内的具有拉曼活性和受激布里渊活性的液体拉曼频移范围包括待测物种的拉曼频移，因此不用像普通CARS光谱仪一样要调节斯托克斯光的波长，就能产生波长精确满足要求的斯托克斯光；再者，液体的拉曼阈值较低，因此能在较低能量下产生SBS光和斯托克斯光作为CARS光谱的激发源。总体上说，降低了成本，降低了光路调节难度，降低了维护难度并且提高了检测精度。
实施例5
采用本发明探测空气中氮气的浓度。
实验装置如图4所示，采用泵浦激光器1输出的532nm激光作为光源，于激发池4中装入D2O，拉曼频移范围为2600～2200cm-1，测量池7敞口置于空气中；532nm光通过光隔离器2后经聚焦透镜3聚焦，从激发池4一侧的入射光窗口注入激发池中；激发池中产生的后向受激拉曼散射SRS光和后向受激布里渊散射SBS光；经第一聚焦透镜3后再经光隔离器2与入射光束分离；为消除激发池4中产生的反斯托克斯拉曼光对探测结果的影响，可在后向光路上光隔离器2之后，测量池6之前的光路中加入一个长波通滤波器9，如置于光隔离器2与第二聚焦透镜5之间，或置于第二聚焦透镜5和之间测量池6之间，将激发池4中产生的反斯托克斯拉曼光滤除，剩下的SBS光和SRS光作为CARS检测装置的激发源；为了提高探测灵敏度，在长波通滤波器9后的光路中放置染料循环放大池10，配制荧光波长范围包括斯托克斯光的染料溶液放入染料循环放大池10中，将激发池4中的液体调到适宜温度，同时调节激发池4的长度，以增加后向斯托克斯光的比例；为达到定量探测目的，或者比较不同样品中某一物种的含量多少等关系，在光路中加入分束镜11，处于染料循环放大池10与第二聚焦透镜5之间，由分束镜11反射的光经长波通二向色镜12透射后照射到斯托克斯光探测器13上，长波通二向色镜12反射的光照射到SBS光探测器14上；SBS光和SRS光经第二聚焦透镜5聚焦，从测量池6一侧的入射光窗口注入测量池中；在测量池中产生的CARS信号光与SBS光、SRS光一同从测量池的另一侧窗口输出，再经长波通滤波器7滤除SBS光和SRS光后由CARS光探测器8接收。首先在测量池中以此放入已知浓度的氮气，CARS光探测器8采集的CARS光信号强度为I’，SBS光探测器14采集的SBS光信号强度为Ip’，斯托克斯光探测器13采集的斯托克斯光信号强度为Is’；C’为测量池中氮气浓度，带入以下等式求得
接下来将测量池置于空气中，CARS光探测器8采集的CARS光信号强度为I，SBS光探测器14采集的SBS光信号强度为Ip，斯托克斯光探测器13采集的斯托克斯光信号强度为Is；C为测量池中待测物种的浓度，带入下式得到氮气浓度为80％。
本发明的显著优点是，采用一台激光器作为光源，利用受激拉曼后向SBS光和斯托克斯光光束质量好，两束光自动合束，满足相位匹配；其次，激发池内的具有拉曼活性和受激布里渊活性的液体拉曼频移范围包括待测物种的拉曼频移，因此不用像普通CARS光谱仪一样要调节斯托克斯光的波长，就能产生波长精确满足要求的斯托克斯光；再者，液体的拉曼阈值较低，因此能在较低能量下产生SBS光和斯托克斯光作为CARS光谱的激发源。总体上说，降低了成本，降低了光路调节难度，降低了维护难度并且提高了检测精度。

Claims (8)

1.一种单光源CARS光谱装置，包括泵浦激光器(1)，光隔离器(2)，第一聚焦透镜(3)，激发池(4)，第二聚焦透镜(5)，测量池(6)，短波通滤波片(7)，CARS光探测器(8)，其特征在于：泵浦激光器(1)的输出光通过光隔离器(2)后经第一聚焦透镜(3)聚焦，从激发池(4)一侧的入射光窗口注入激发池中；激发池中产生的后向受激拉曼散射(SRS)光和后向受激布里渊散射(SBS)光，经第一聚焦透镜(3)后再经光隔离器(2)与入射光束分离，经第二聚焦透镜(5)聚焦，从测量池(6)一侧的入射光窗口注入测量池中；在测量池中产生的CARS信号光与SBS光、SRS光一同从测量池的另一侧窗口输出，再经长波通滤波器(7)滤除SBS光和SRS光后由CARS光探测器(8)接收。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征是：为消除激发池(4)中产生的反斯托克斯拉曼光对探测结果的影响，可在后向光路上光隔离器(2)之后，测量池(6)之前的光路中加入一个长波通滤波器(9)，如置于光隔离器(2)与第二聚焦透镜(5)之间，或置于第二聚焦透镜(5)和之间测量池(6)之间，将激发池(4)中产生的反斯托克斯拉曼光滤除，剩下的SBS光和SRS光作为CARS检测装置的激发源。
3.根据权利要求2所述的装置，其特征是：为了提高探测灵敏度，可在长波通滤波器(9)后的光路中放置染料循环放大池(10)，配制荧光波长范围包括斯托克斯光的染料溶液放入染料循环放大池(10)中，将激发池(4)中的液体调到适宜温度，同时调节激发池(4)的长度，会增加后向斯托克斯光的比例，从而增加CARS信号强度。
4.根据权利要求2或3所述的装置，其特征是：为达到定量探测目的，或者比较不同样品中某一物种的含量多少等关系，可在光路中加入分束镜(11)，处于染料循环放大池(10)与第二聚焦透镜(5)之间，由分束镜(11)反射的光经长波通二向色镜(12)透射后照射到斯托克斯光探测器(13)上，长波通二向色镜(12)反射的光照射到SBS光探测器(14)上。
5.一种采用权利要求1-4任一所述单光源CARS光谱装置检测拉曼活性介质的方法，其特征是：于激发池(4)中装入SRS斯托克斯光光谱范围可覆盖被测组分斯托克斯光特征光谱线的具有拉曼活性和受激布里渊活性的介质，于测量池(6)中装入待测物种；CARS光探测器(8)采集的CARS光信号的波长，可定性检测待测物种。
6.根据权利要求5所述的检测拉曼活性介质的方法，其特征是：激发池(4)内填装的具有拉曼活性和受激布里渊活性介质的斯托克斯光光谱必须能够覆盖待测物种的拉曼斯托克斯光特征光谱线，可以选择斯托克斯光线宽较宽的具有拉曼活性和受激布里渊活性的介质，也可以选择斯托克斯光谱与待测物种的特征斯托克斯光谱有重合的具有拉曼活性和受激布里渊活性的介质。
7.根据权利要求5所述的检测拉曼活性介质的方法，其特征是：CARS光探测器(8)采集的CARS光信号强度为I，SBS光探测器(14)采集的SBS光信号强度为Ip，斯托克斯光探测器(13)采集的斯托克斯光信号强度为Is；C为测量池中待测物种的浓度，满足以下等式其中比例系数k通过测已知浓度的被测物种进行标定。
8.根据权利要求1-7所述的单光源CARS光谱装置及检测拉曼活性介质的方法，本发明中的泵浦激光器(1)应采用高峰值功率的脉冲激光器，峰值功率须达到兆瓦以上；光隔离器(2)由偏振分束立方体和四分之一玻片组成，使后向SBS光和SRS光从垂直光路方向出射；短波通滤波片(7)可以透过泵浦光波长以下的光，能滤掉SBS光和斯托克斯光，只留CARS信号光由探测器接受；长波通滤波器(9)可阻止波长小于泵浦光波长的光进入测量池；长波通二向色镜(12)可反射波长不大于泵浦光波长的光。
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