CN102680451B - 一种去除拉曼光谱散射背景噪声的系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于振动充气装置并配合锁相放大器来去除气体拉曼散射中毛细管等产生的背景噪声的装置和方法。它包括振动装置和锁相放大处理方法。振动装置产生的振动使玻璃毛细管中的气体产生微小波动，改变毛细管内的气体分子数大小，获得以固定频率波动的气体分子拉曼散射信号。锁相放大器通过信号发生器提供的参考频率将以该频率波动的气体分子拉曼散射信号从总的拉曼散射信号中提取出来。本发明克服了拉曼气体分析检测过程中背景散射噪声对测量结果的影响，解决了各种装置无法彻底去除背景噪声的缺陷。本发明提供的气体拉曼散射检测装置系统结构简单，操作方便，具有很强的实用性。

Description

一种去除拉曼光谱散射背景噪声的系统

技术领域

本发明属于光学测量技术领域，涉及的是一种去除拉曼光谱散射背景噪声的系统，该装置尤其适用于拉曼散射装置中毛细管等产生的拉曼散射背景噪声的去除。

背景技术

拉曼散射是一种光子的非弹性散射，即一束单色光经介质散射后，产生一种新的与入射光频率不同的光辐射的物理现象，其散射光相对于泵浦光产生的频移对应于分子/原子的转动、振动或电子能级之间的能量差，因此通过拉曼频移可以判定散射体的组成成分。拉曼散射已在物质成分分析，医疗监测，大气污染检测等方面获得了广泛的应用。通常地自发拉曼散射信号的强度非常弱，入射10⁶-10¹⁰个光子，可能有一个光子发生拉曼散射，其散射的强度与入射光强和分子数密度成正比。另外拉曼散射光向各个方向的发射几率基本相当，因此拉曼散射信号的收集效率也极为重要。

早期Weber等人利用内腔泵浦法来获得高泵浦光密度、多程散射法来增加激光与物质相互作用的距离、大角度范围内收集散射光的方法获得了较强的散射谱。尽管腔内泵浦可使信号得到明显的加强，但由于将拉曼散射池置于谐振腔内，可能增大激光器系统的损耗，并且增大激光功率的不稳定性。进而研究人员寻求通过腔外泵浦聚焦，强激光照射小区域的办法来获得较强的泵浦密度，较小的拉曼散射区域使得信号的收集变得容易，但若采用直接将光斑聚焦的方法则对激光束功率的要求大为增加。随着光子晶体光纤的发展，研究人员通过采用光子晶体光纤来约束气体拉曼散射光，将泵浦光聚焦于光子晶体光纤内部，既能获得较高泵浦光密度，又能增加激光与物质相互作用的距离，由于光子晶体光纤能将拉曼散射光约束在光纤内，这样能够简单的在端口进行拉曼信号收集，使获得的拉曼散射光信号得到了大大的增强。Chen等人（R.Chen Et Al,"Photonic bandgap fiber enabled Ramandetection of nitrogen gas,"SPIE 73220N(7322)(2009).）报道了利用光子晶体光纤清楚地观测到环境大气中氮气和氧气的拉曼散射谱。但光子晶体光纤一般芯径只有几个微米，不利于气体的排空和流动，因此研究人员寻求利用带金属镀层的毛细管代替光子晶体光纤。Buric（M.P.Buric et al.，″Raman sensing of fuel gases using areflective coating capillary optical fiber,"SPIE 7316,731608(2009).）等人采用内径320微米的毛细管代替芯径数微米的光子晶体光纤，使气体的更新速度大为加快，也成功地获得了几种燃气成分单质的拉曼散射光谱。相对于光子晶体光纤，金属镀层的毛细管中气体更新速度大大增加，使其能够应用于实时在线测量，但由于玻璃中二氧化硅等的拉曼散射截面积远远大于气体的散射截面，因此毛细管的玻璃壁会带来很宽的连续背景噪声谱，降低系统的分辨率和信噪比。为了减小背景散射噪声的影响，Buric等人（Michael P.Buric et al.，″Improvedsensitivity gas detection by spontaneous Raman scattering,"Appl.Opt.48(22),4424-4429(2009).）提出了用小孔过滤的方法，即通过透镜成像方法将由玻璃壁产生的拉曼散射与毛细管内部气体的拉曼散射进行空间分离，采用小孔进行过滤，从而去除玻璃壁产生的拉曼散射背景噪声。该方法能成功降低背景噪声，但会大大增加收集光学系统的复杂性，降低其在实践操作中的可行性。Okita等人（T.Katagiri Y.Matsuura Y.Okita,"A Raman cell based on hollow optical fibers for breath analysis,"Proc.of SPIE7559,755908(2010)）则提出在毛细管端口外壁增加一个金属套，将玻璃壁管产生的拉曼散射反射回去，阻止其从端口出射，从而减小背景拉曼散射信号强度。但由于毛细管玻璃壁产生的拉曼散射噪声不可避免地会进入毛细管的空心区域，不可避免地形成一个连续的背景散射光谱。另外该小组还提出了用金属镀层的聚碳酸酯毛细管取代玻璃毛细管，由于聚碳酸酯具有较小的拉曼散射截面，使得背景拉曼散射噪音大大降低，但该方法也无法完全消除毛细管玻璃壁的拉曼散射背景。Bortnik等人还提出了采用金属毛细管来取代玻璃毛细管，金属毛细管能大大降低背景，并应用于一些特殊环境如太空探测的应用，但其成本较高，不利于工业应用。

发明内容

本发明目的是提供一种去除拉曼光谱散射背景噪声的系统，该装置能够很好的降低拉曼散射背景噪声的影响，从而获得更高的信噪比和更高的灵敏度，以获取可能湮没在背景噪声中的拉曼散射信息。

本发明提供的一种去除拉曼光谱散射背景噪声的系统，其特征在于，该系统包括激光器、光束耦合收集装置、毛细管、气体振动装置、信号发生器、光电接收器、锁相放大器和信号输出器；

所述气体振动装置包括固定夹具、吸声装置、充气腔体、振动源和充气口；固定夹具和振动源分别位于充气腔体的两端，在固定夹具与充气腔体之间装有用于减轻振动源对毛细管的振动的吸声装置，毛细管的一端通过固定夹具与充气腔体相通，充气腔体上开有充气口，毛细管的另一端则与光束耦合收集装置相连；

信号输出器、锁相放大器、光电接收器和光束耦合收集系统依次连接，信号发生器一端与锁相放大器电连接，另一端与气体振动装置中的的振动源电连接，光束耦合接收系统将激光器的输出耦合连接到毛细管；

振动源产生的声波振动，使毛细管内的气体分子数密度发生变化，光束信号发生器控制振动源的振动频率，耦合收集系统将激光器产生的激光耦合进入毛细管，使激光与毛细管内的气体相互作用产生拉曼散射，光束耦合收集系统同时对与入射光束反向的拉曼散射光进行收集，并通过光电接收器将光信号转化为电信号；信号发生器将该振动频率反馈给锁相放大器，作为其参考信号，锁相放大器利用该参考信号可以将光电接收器中气体拉曼散射信号提取出来，并在信号输出器上显示出来。

本发明克服了拉曼气体分析检测过程中背景散射噪声对测量结果的影响，通过引进一种一定频率的波动使毛细管内气体压强发生周期性变化，从而使散射气体分子数发生相应的变化，得到周期性变化的气体拉曼散射光强；进而采用锁相放大的方式将气体拉曼散射信号从背景拉曼散射信号中提取出来，从而彻底消除拉曼散射噪声的影响。本发明提供的系统结构简单，操作方便，能够很好的消除拉曼背景散射噪声，无需利用显微望远等复杂收集光束系统即可获得消除背景噪声信号的拉曼散射系统，具有很强的实用性。

附图说明

图1是本发明去除拉曼光谱散射背景噪声的系统示意图；

图2是本发明去除拉曼光谱散射背景噪声的系统中的光束耦合接收系统实例；

具体实施方式

激光辐射照射气体后会发生气体自发拉曼辐射，由于自发拉曼散射的效率非常低，需要增加拉曼散射的收集范围。采用玻璃毛细管约束后的自发拉曼散射能大大提高采集效率，获得较高强度的气体拉曼辐射强度，但玻璃毛细管中二氧化硅的自发拉曼辐射会降低拉曼辐射信号的信噪比。由于气体自发拉曼散射的强度与气体分子数成正比，若在充气装置中引入一个特定频率的振动，使毛细管内的气体压强发生特定频率的变换，从而影响毛细管内的气体分子数，使得收集得到的拉曼散射光强产生一个特定频率的波动，而毛细管玻璃背景噪声的拉曼散射却不发生变化；通过锁相放大的方法能对气体分子拉曼散射的信号进行提取，去除背景噪声对气体拉曼散射的影响，得到高信噪比的拉曼散射信号。

本发明基于上述原理设计而成，为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，本发明提供的去除拉曼光谱散射背景噪声的系统包括激光器1、光束耦合收集装置2、毛细管3、气体振动装置、信号发生器9、光电接收器10、锁相放大器11和信号输出器12。

所述气体振动装置由固定夹具4、吸声装置5、充气腔体6、振动源7和充气口8构成。充气腔体6的一端与毛细管3的一端通过固定夹具4相连，在固定夹具4与充气腔体6之间装有吸声装置5，用于减轻振动源7对毛细管3的振动；振动源7固定于充气腔体6的另一端，用于产生一个声波振动，使毛细管3内的气体分子数密度发生变化，振动源7可以是扬声器或压电陶瓷等振动源装置。充气腔体6上开有充气口8，由充气口8往里充气。

毛细管3的另一端则与光束耦合收集装置2相连。光束耦合收集系统2将激光器1产生的激光耦合进入毛细管3，使激光与管内的气体相互作用产生拉曼散射，光束耦合收集系统2同时对与入射光束反向的拉曼散射光进行收集，并通过光电接收器10将光信号转化为电信号。

信号发生器9一端与锁相放大器11电连接，另一端与气体振动装置中的的振动源7电连接。信号发生器9控制振动源7的振动频率，同时信号发生器9将该振动频率反馈给锁相放大器11，作为其参考信号。锁相放大器11利用该参考信号可以将光电接收器10中气体拉曼散射信号提取出来，并在信号输出器12上显示出来。

本发明可以采用现有的各种光束耦合接收装置，图2列举了其中一种现有的结构。该光束耦合接收装置，由依次位于同一光路上的第一透镜21，分光镜22，滤光片23，第二透镜24构成。激光器1，分光镜22，第一透镜21构成光束耦合系统，将激光耦合进入毛细管3；第一透镜21和第二透镜24构成望远镜系统，用于收集反向拉曼散射光；滤光片23位于望远镜系统内部，用于滤除激光产生的瑞利散射光。

下面结合图1和图2来说明本发明气体振动拉曼散射装置的工作流程。

激光器1产生的激光经分光镜22折射后，由第一透镜21进行聚焦，将光束耦合到毛细管3中，与毛细管中的气体相互作用，产生拉曼散射光，其中既包括气体拉曼散射光，也包括毛细管壁产生的背景拉曼散射光。激光器工作的同时，信号发生器9控制振动源7以特定频率振动，产生一个声波振动信号，使毛细管3内的气体分子数密度产生特定频率的波动，相应地气体拉曼散射光强也以特定频率波动，而拉曼背景散射噪声则保持不变。将毛细管3中的反向拉曼散射由第一透镜21和第二透镜24构成的望远镜系统进行接收，并将接收到的光信号传输给光电接收器10，该信号中既包含以特定频率波动的气体拉曼散射，又有毛细管玻璃壁等产生的背景拉曼散射，锁相放大器11同时接收信号发生器9的参考信号和光电接收器10中的拉曼散射信号，可将湮没在背景噪声中的以特定频率变化的气体拉曼散射信号提取出来，从而去除玻璃壁产生的背景散射信号，从而大大提高气体分子拉曼散射的信噪比。

上述实施例为便于理解本发明的基本原理而提供的一种实施方案。如将振动装置改为阀门周期性控制流速，阀门工作的频率由信号发生器控制，即可得到与振动装置一样的结果。本发明不限于这里的实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，对于本发明做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种去除拉曼光谱散射背景噪声的系统，该系统包括激光器、光束耦合收集装置、毛细管、光电接收器和信号输出器；其特征在于，该系统还包括气体振动装置、信号发生器和锁相放大器；

所述气体振动装置包括固定夹具、吸声装置、充气腔体、振动源和充气口；固定夹具和振动源分别位于充气腔体的两端，在固定夹具与充气腔体之间装有用于减轻振动源对毛细管的振动的吸声装置，毛细管的一端通过固定夹具与充气腔体相通，充气腔体上开有充气口，毛细管的另一端则与光束耦合收集装置相连；

信号输出器、锁相放大器、光电接收器和光束耦合收集系统依次连接，信号发生器一端与锁相放大器电连接，另一端与气体振动装置中的的振动源电连接，光束耦合接收系统将激光器的输出耦合连接到毛细管；

振动源产生的声波振动，使毛细管内的气体分子数密度发生变化，信号发生器控制振动源的振动频率，耦合收集系统将激光器产生的激光耦合进入毛细管，使激光与毛细管内的气体相互作用产生拉曼散射，光束耦合收集系统同时对与入射光束反向的拉曼散射光进行收集，并通过光电接收器将光信号转化为电信号；信号发生器将该振动频率反馈给锁相放大器，作为其参考信号，锁相放大器利用该参考信号可以将光电接收器中气体拉曼散射信号提取出来，并在信号输出器上显示出来。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述的振动源是扬声器或压电陶瓷。

Images