CN103776815B - 一种便携式可调节的拉曼探头 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种便携式可调节的拉曼探头，包括一体化外壳、发射光纤端口、接收光纤端口、接收聚光透镜、发射聚光透镜、带通滤波片、长通滤波片、反射镜、双色镜和激光发射/接收探头，一体化外壳内设有发射通道和接收通道，发射光纤端口、发射聚光透镜、带通滤波片和双色镜依次设置在发射通道内，双色镜倾斜安装在发射通道的末端，接收光纤端口、接收聚光透镜、长通滤波片和反射镜依次设置在接收通道内，反射镜倾斜安装在接收通道的末端，且反射镜的反射面与双色镜相对应，激光发射/接收探头可拆卸地安装在一体化外壳上。本发明极大地提高了激光拉曼光谱检测系统的普适性。
Description
技术领域
本发明涉及一种光学设备，尤其是一种激光拉曼探头。
背景技术
自从1928年印度科学家拉曼(C.V.Raman)发现拉曼散射现象以来，激光拉曼光谱检测技术作为一种光谱分析技术，因其能能够提供快速、简单、可重复且更重要的是无损伤的定性定量分析，被广泛应用于各种化学物质的检验，如司法鉴定、安全检查、珠宝鉴定、晶体研究以及药品鉴定。拉曼光谱技术与红外光谱技术可以互相补充，其主要的优点体现于以下几点：第一、激光拉曼光谱检测技术无需样品制备过程，对样品形状、大小、温度、状态要求低，可在固体、液体、气体、溶液等物理状态下测量；对样品量要求极少，可适于微量和痕量样品分析；第二、拉曼散射采用光子探针，是一种无损探测技术，适合对那些稀有或珍贵的样品进行分析；第三、水是很弱的拉曼散射物质，因此可直接测量水溶液样品的拉曼光谱而无需考虑水分子振动的影响，特别适合于液态爆炸品、毒品等违禁品的检测，也是激光拉曼光谱的最显著的优势所在。第四、激光拉曼光谱成像快速、简便，分辨率高，仪器特性稳定，使用简单，维护成本低，非常适合用于公安反恐禁毒以及公共安全事业。
通常，激光拉曼光谱检测系统由三部分组成：激光器、拉曼探头和光谱分析仪。激光器发出的光束经过拉曼探头准直聚焦照射到被激发的物质上，散射的拉曼光再次经过拉曼探头接收滤波后，由光谱分析仪来进行拉曼光谱分析，从而确定物质的化学结构、相和形态、结晶度和分子相互作用的详细信息。
在激光拉曼光谱检测系统中，拉曼探头作为光束的准直激发、散射光的收集、微弱拉曼散射光滤波提取、杂散光的屏蔽的功能，具有非常重要的作用。它在一定的程度上直接决定了系统的性能和准确性。目前，市场上已经有种商用的拉曼探头出售，其主要的结构形式都是参照美国几个大公司(如Dilor、InPhotonics、Visionex等)双光纤共焦同轴的后向散射方式，即激发光和散射光具有共同的光路，只是通过双色镜将散射光聚焦到另一根光纤中进行接收。这种探头结构形式由于采用了共焦同轴的形式，大大的简化了探头的结构和提高系统的效率，成为市场最受欢迎的拉曼探头。随着市场不同应用领域的需求，在上述的结构形式上各种各样的探头不断的涌现。如专利CN201110454592.0提出了一种手持式的拉曼探头，充分考虑拉曼紧凑的结构形式和光源的稳定性控制；专利CN00105918针对医学中应用的综合技术领域中，提出了单路近红外激光发射探头和同时接收该发射探头的出射光的双路光接收探头；专利CN203132699U提出了一种与拉曼检测探头配合使用的拉曼信号增强装置，通过与传统拉曼检测探头配合使用，实现较好的拉曼信号增强效果；专利201310010207由镀金属膜的四棱锥微尖结构及其尖端的金属纳米颗粒组成二次增强的表面增强拉曼探头，克服了传统的拉曼探测器的增强因子不高的问题，也实现了高灵敏的表面增强拉曼探测；专利CN201020297277，提出了空间偏离拉曼光谱探头，非常理想的解决了拉曼效应较弱的问题，大大改善了信号采集与处理的效果。但是这些专利都是针对一个特定的应用环境来进行探头的设计，不具备针对不同应用场合和探测物质的结构形态来选择合适探头的可调节性和灵活性，限制了整个拉曼探测系统的普适性，从而限制整个市场的发展。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：现有激光拉曼光谱检测系统中，拉曼探头不能够普遍适用于各种应用环境，不能针对应用场合和探测物质的结构形态来选择合适探头，普适性较差。
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种便携式可调节的拉曼探头，包括一体化外壳、发射光纤端口、接收光纤端口、接收聚光透镜、发射聚光透镜、带通滤波片、长通滤波片、反射镜、双色镜和激光发射/接收探头，一体化外壳内设有发射通道和接收通道，发射光纤端口、发射聚光透镜、带通滤波片和双色镜依次设置在发射通道内，双色镜倾斜安装在发射通道的末端，接收光纤端口、接收聚光透镜、长通滤波片和反射镜依次设置在接收通道内，反射镜倾斜安装在接收通道的末端，且反射镜的反射面与双色镜相对应，激光发射/接收探头可拆卸地安装在一体化外壳上，发射光纤端口、发射聚光透镜、带通滤波片、双色镜和激光发射/接收探头构成发射光路，激光发射/接收探头、双色镜、反射镜、长通滤波片、接收聚光透镜和接收光纤端口构成接收光路。
将激光发射/接收探头可拆卸地安装在一体化外壳上，能够方便使用过程中根据使用环境更换不同的激光发射/接收探头，提高了拉曼探头的普适性；采用双色镜对发射通道内发射的激光进行滤波，只允许激发波长的光通过，并将被测物质产生的拉曼散射光反射进入接收通道，同时允许瑞利散射光通过，提高了拉曼探头的探测性能。
作为本发明的进一步限定方案，激光发射/接收探头与一体化外壳采用螺纹安装。采用螺纹安装拆卸比较方便，且密封性能较好。
作为本发明的进一步改进方案，激光发射/接收探头为可伸缩圆筒结构，可伸缩圆筒结构的伸缩底座安装在一体化外壳上，伸缩段上装有聚光透镜。采用可伸缩圆筒结构能够方便探测狭窄空间中不同深度的物质，进一步提高了拉曼探头的普适性。
作为本发明的进一步改进方案，激光发射/接收探头为弯折形圆筒结构，弯折形圆筒结构的内部弯折处设有探头反射镜，弯折形圆筒结构的连接段安装在一体化外壳上，弯折段上装有聚光透镜。采用弯折形圆筒结构能够方便探测弯折空间里的物质，进一步提高了拉曼探头的普适性。
作为本发明的进一步改进方案，连接段和弯折段都为可伸缩结构。采用连接段和弯折段都为可伸缩结构，即使在弯折空间里也能对不同深度的物质进行探测，进一步提高了拉曼探头的普适性。
作为本发明的进一步限定方案，弯折形圆筒结构的弯折度为0°～180°。将弯折形圆筒结构的弯折度设置为0°～180°的范围，能够使拉曼探头适用于不同弯折度的弯折空间，进一步提高了拉曼探头的普适性。
作为本发明的进一步改进方案，激光发射/接收探头包括光纤连接段、光纤和准直透镜段，光纤连接段安装在一体化外壳上，光纤连接光纤连接段和准直透镜段，光纤连接段内设有第一汇聚透镜，准直透镜段内依次设有第二汇聚透镜和聚光透镜，第一汇聚透镜、光纤、第二汇聚透镜和聚光透镜构成激光发射/接收探头内的发射光路，聚光透镜、第二汇聚透镜、光纤和第一汇聚透镜构成激光发射/接收探头内的接收光路。采用光纤连接光纤连接段和准直透镜段增长了拉曼探头的使用距离，方便对较远或多个物质进行测量，进一步提高了拉曼探头的普适性。
作为本发明的进一步改进方案，激光发射/接收探头包括安装段和聚光透镜，安装段安装在一体化外壳上，聚光透镜可拆卸地安装在安装段上。采用聚光透镜可拆卸地安装在安装段上，通过更换聚光透镜来对焦距、焦斑大小和焦深进行调节，实现了根据被测物质的形态更换聚光透镜的参数，进一步提高了拉曼探头的普适性。
作为本发明的进一步改进方案，聚光透镜可拆卸地安装在伸缩段上。采用将聚光透镜可拆卸地安装在伸缩段上，既满足了伸缩探头的要求，又满足根据被测物质的形态更换聚光透镜的参数的要求，进一步提高了拉曼探头的普适性。
作为本发明的进一步改进方案，聚光透镜可拆卸地安装在弯折段上。采用将聚光透镜可拆卸地安装在弯折段上，既满足了对弯折空间的探测要求，又满足根据被测物质的形态更换聚光透镜的参数的要求，进一步提高了拉曼探头的普适性。
本发明的有益效果在于：(1)将激光发射/接收探头可拆卸地安装在一体化外壳上，能够方便使用过程中根据使用环境更换不同的激光发射/接收探头，提高了拉曼探头的普适性；(2)采用双色镜对发射通道内发射的激光进行滤波，只允许激发波长的光通过，并将被测物质产生的拉曼散射光反射进入接收通道，同时允许瑞利散射光通过，提高了拉曼探头的探测性能；(3)采用可伸缩圆筒结构能够方便探测狭窄空间中不同深度的物质；(4)采用弯折形圆筒结构能够方便探测弯折空间里的物质；(5)采用连接段和弯折段都为可伸缩结构，即使在弯折空间里也能对不同深度的物质进行探测；(6)采用光纤连接光纤连接段和准直透镜段增长了拉曼探头的使用距离，方便对较远或多个物质进行测量；(7)采用聚光透镜可拆卸地安装在安装段上，通过更换聚光透镜来对焦距、焦斑大小和焦深进行调节，实现了根据被测物质的形态更换聚光透镜的参数。
附图说明
图1为本发明的拉曼探头的结构示意图；
图2为本发明的可伸缩探头的结构示意图；
图3为本发明的弯折探头的结构示意图；
图4为本发明的光纤加长探头的结构示意图；
图5为本发明的可更换聚光透镜探头的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明，但不限于此。根据本发明的思想，可以采用若干实施方法。
如图1所示，本发明的便携式可调节的拉曼探头，包括一体化外壳1、发射光纤端口7、接收光纤端口2、接收聚光透镜3、发射聚光透镜8、带通滤波片9、长通滤波片4、反射镜5、双色镜10和激光发射/接收探头6，一体化外壳1内设有发射通道和接收通道，发射光纤端口7、发射聚光透镜8、带通滤波片9和双色镜10依次设置在发射通道内，双色镜10倾斜安装在发射通道的末端，接收光纤端口2、接收聚光透镜3、长通滤波片4和反射镜5依次设置在接收通道内，反射镜5倾斜安装在接收通道的末端，且反射镜5的反射面与双色镜10相对应，激光发射/接收探头6可拆卸地安装在一体化外壳1上，可以采用螺纹安装，激光发射/接收探头6用于将发射的激光聚焦在被测物质上，并将被测物质反射的拉曼散射光接收回激光发射/接收探头6内，发射光纤端口7、发射聚光透镜8、带通滤波片9、双色镜10和激光发射/接收探头6构成发射光路，激光发射/接收探头6、双色镜10、反射镜5、长通滤波片4、接收聚光透镜3和接收光纤端口2构成接收光路。
将激光发射/接收探头6可拆卸地安装在一体化外壳1上，能够方便使用过程中根据使用环境更不同的换激光发射/接收探头6，提高了拉曼探头的普适性；采用双色镜10对发射通道内发射的激光进行滤波，只允许激发波长的光通过，并将被测物质产生的拉曼散射光反射进入接收通道，同时允许瑞利散射光通过，提高了拉曼探头的探测性能。
在使用时，首先从发射光纤端口7引入外部的激光源，再由发射聚光透镜8对引入的激光进行准直，准直后的激光再经过带通滤波片9，带通滤波片9只允许激光的激发波长附近的光通过，然后再由双色镜10对通过带通滤波片9的激光进行滤波，只允许激光中激发波长的光通过，从双色镜10通过的准直的激光最终进入激光发射/接收探头6，再由激光发射/接收探头6将激光汇聚照射在被测物质上，此时发射光纤端口7、发射聚光透镜8、带通滤波片9、双色镜10和激光发射/接收探头6共同构成发射光路。当激光汇聚照射在被测物质上后，被测物质将对激光进行反射，反射光再通过激光发射/接收探头6照射在双色镜10上，此时双色镜10将对被测物质反射产生的拉曼散射光进行反射，并允许被测物质反射产生的瑞利散射光通过，经过双色镜10反射的拉曼散射光再被反射镜5反射经过长通滤波片4，这里长通滤波片4要求OD>8，长通滤波片4再对拉曼散射光进行滤波，滤除其中的瑞利散射光，从而排除瑞利散射光对后向微弱色散光的影响，拉曼散射光经过长通滤波片4滤波后，再由接收聚光透镜3汇聚在接收光纤2上接收，此时激光发射/接收探头6、双色镜10、反射镜5、长通滤波片4、接收聚光透镜3和接收光纤端口2共同构成接收光路。
如图2所示，激光发射/接收探头6为可伸缩圆筒结构，可伸缩圆筒结构的伸缩底座61安装在一体化外壳1上，伸缩段62上装有聚光透镜11。采用可伸缩圆筒结构能够方便探测狭窄空间中不同深度的物质，进一步提高了拉曼探头的普适性。
如图3所示，激光发射/接收探头6为弯折形圆筒结构，弯折形圆筒结构的内部弯折处设有探头反射镜50，弯折形圆筒结构的连接段63安装在一体化外壳1上，弯折段64上装有聚光透镜11。采用该结构时，经过双色镜10的激光需要再经过探头反射镜50反射，最终在由聚光透镜11汇聚在被测物质上；从被测物质反射的拉曼散射光也需要经过聚光透镜11准直后照射在探头反射镜50上，再由探头反射镜50反射进入一体化外壳内。采用弯折形圆筒结构能够方便探测弯折空间里的物质，为了进一步提高了拉曼探头的普适性，连接段63和弯折段64都可以设计为如图2所示的可伸缩结构，同时弯折形圆筒结构的弯折度也可设置为0°～180°之间的各个角度。
如图4所示，激光发射/接收探头6包括光纤连接段65、光纤12和准直透镜段66，光纤连接段65安装在一体化外壳1上，光纤12连接光纤连接段65和准直透镜段66，光纤连接段65内设有第一汇聚透镜111，准直透镜段66内依次设有第二汇聚透镜112和聚光透镜11，在使用时，发射的激光需要经过第一汇聚透镜111、光纤12、第二汇聚透镜112和聚光透镜11共同构成的激光发射/接收探头6内的发射光路，被测物质反射的拉曼散射光需要经过聚光透镜11、第二汇聚透镜112、光纤12和第一汇聚透镜111共同构成的激光发射/接收探头6内的接收光路。
如图5所示，激光发射/接收探头6包括安装段67和聚光透镜11，安装段66安装在一体化外壳1上，聚光透镜11可拆卸地安装在安装段67上。采用将聚光透镜11可拆卸地安装在安装段67上，通过更换聚光透镜11对焦距、焦斑大小和焦深进行调节，实现了根据被测物质的形态更换聚光透镜的参数，进一步提高了拉曼探头的普适性。同样地也可将聚光透镜11可拆卸地安装在伸缩段62上，既满足了伸缩探头的要求，又满足根据物质的形态更换聚光透镜的参数的要求；将聚光透镜11可拆卸地安装在弯折段64上，既满足了对弯折空间的探测要求，又满足根据被测物质的形态更换聚光透镜的参数的要求。
以上拉曼探头的激光发射/接收探头6的方案均可以进行多种拓展或变形，只是限于篇幅不再赘述，但均属于该专利。
Claims (5)
1.一种便携式可调节的拉曼探头，其特征在于：包括一体化外壳(1)、发射光纤端口(7)、接收光纤端口(2)、接收聚光透镜(3)、发射聚光透镜(8)、带通滤波片(9)、长通滤波片(4)、反射镜(5)、双色镜(10)和激光发射/接收探头(6)，所述一体化外壳(1)内设有发射通道和接收通道，所述发射光纤端口(7)、发射聚光透镜(8)、带通滤波片(9)和双色镜(10)依次设置在发射通道内，所述双色镜(10)倾斜安装在发射通道的末端，所述接收光纤端口(2)、接收聚光透镜(3)、长通滤波片(4)和反射镜(5)依次设置在接收通道内，所述反射镜(5)倾斜安装在接收通道的末端，且反射镜(5)的反射面与双色镜(10)相对应，所述激光发射/接收探头(6)可拆卸地安装在一体化外壳(1)上，所述发射光纤端口(7)、发射聚光透镜(8)、带通滤波片(9)、双色镜(10)和激光发射/接收探头(6)构成发射光路，所述激光发射/接收探头(6)、双色镜(10)、反射镜(5)、长通滤波片(4)、接收聚光透镜(3)和接收光纤端口(2)构成接收光路，所述激光发射/接收探头(6)为弯折形圆筒结构，所述弯折形圆筒结构的内部弯折处设有探头反射镜(50)，所述弯折形圆筒结构的连接段(63)安装在一体化外壳(1)上，弯折段(64)上装有聚光透镜(11)。
2.根据权利要求1所述的便携式可调节的拉曼探头，其特征在于：所述激光发射/接收探头(6)与一体化外壳(1)采用螺纹安装。
3.根据权利要求1所述的便携式可调节的拉曼探头，其特征在于：所述连接段(63)和弯折段(64)都为可伸缩结构。
4.根据权利要求1所述的便携式可调节的拉曼探头，其特征在于：所述弯折形圆筒结构的弯折度为0°～180°。
5.根据权利要求1所述的便携式可调节的拉曼探头，其特征在于：所述聚光透镜(11)可拆卸地安装在弯折段(64)上。
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