CN104062009A - 一种高光通量红外atr探头 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高光通量红外ATR探头，包括进光筒、第一反射镜、第二反射镜、第一内镀膜光管、第二内镀膜光管、外壳、第一透镜、第二透镜、晶体和出光筒，本发明采用大口径内镀红外高反射率膜的中空光管做为光导入部件和光导出部件，将ATR光导出的光信号送到MCT检测室进行光的检测。ATR探头中只含有光路，与检测器隔离开来，既增加了光的通透量，还使信号的检出更加容易，也不会因罐体的带电导致检测器的损坏；同时，由于采用MCT检测器，检测效果更好；因此，本发明与已有商品化ATR探头相比，其具备低成本、光通量大、高信噪比、结构简单、使用方便等优势；其在生物、医学、地质、材料学等诸多领域具有广阔的应用前景。

Description

一种高光通量红外ATR探头

技术领域

本发明属于物理光子学领域，特别是光谱分析仪器技术领域，涉及一种高光通量红外ATR探头， 尤其涉及一种用于傅里叶变换红外光谱仪的ATR探头。

背景技术

衰减全反射(Attenuated Total Reflectance, ATR)光谱技术是红外光谱测试技术中的一种，在红外光谱测试技术中应用非常广泛。采用ATR光谱技术使得傅立叶红外光谱仪在测试过程中，不需要对样品进行任何处理，省去了取样、制样等工作，还不会对样品造成任何损坏。

随着傅立叶变换红外光谱仪的发展和广泛应用，这种技术已经成为经常使用的红外样品测试的重要手段。ATR在实际应用中，从一开始便显示出其独特的优势和广阔的应用前景。由于它是一种完全的非破坏性分析，在测试的过程中不需要对样品进行任何处理，而是通过样品表面的反射信号获得样品表层有机成份的结构信息。不但简化了样品的制作过程，而且极大地扩大了红外光谱法的应用范围。使许多采用传统透过法无法制样，或者样品制备过程十分复杂、难度大、而效果又不理想的实验成为可能。因此，被广泛应用于塑料、纤维、橡胶、涂料、粘合剂等高分子材料制品的表面成份分析。

对于ATR探头来说，它主要包含几个大的部分：光导入部件、ATR晶体、光导出部件、MCT检测器等。目前市场上的ATR商品光导入和导出主要采用红外光纤，其价格昂贵。也有少部分光导入和导出各采用一根中空光导管，由于光的损失较大，信号微弱。此前设计的ATR探头采用DLATGS检测器嵌入到探头里面进行检测，在实际使用中，发现当探头插入被检测溶液的罐体中时，由于罐体带静电，其电压足以导致DLATGS检测器损坏，使得ATR探头无法使用。

发明内容

为了克服现有ATR探头的不足，本发明提供了一种成本低廉，稳定性更好，操作更加方便的ATR探头。

本发明所采用的技术方案是：一种高光通量红外ATR探头，其特征在于：包括进光筒、第一反射镜、第二反射镜、第一内镀膜光管、第二内镀膜光管、外壳、第一透镜、第二透镜、晶体和出光筒；

所述的第一反射镜和第二反射镜成V型连接，构成V型反射装置，所述的V型反射装置一端设置在所述的进光筒出口处、另一端设置在所述的出光筒进口处，所述的外壳上端设置在所述的V型反射装置下端、下端与所述的晶体固定连接，与所述的进光筒、V型反射装置、晶体和出光筒组成密闭空间；

所述的第一内镀膜光管、第二内镀膜光管均设置在所述的外壳内，所述的第一内镀膜光管位于所述的第一反射镜下端，所述的第二内镀膜光管位于所述的第二反射镜下端；

所述的第一透镜设置在所述的第一内镀膜光管和晶体之间，所述的第二透镜设置在所述的第二内镀膜光管和晶体之间；

入射光射入所述的进光筒后，经所述的第一反射镜反射后进入所述的第一内镀膜光管，通过所述的第一透镜汇聚后射入所述的晶体，在晶体内反射后射出，再经所述的第二透镜射入到所述的第二内镀膜光管，经过所述的第二反射镜反射后，由所述的出光筒射出，最后由MCT检测器将光信号转换成电信号。

作为优选，所述的第一内镀膜光管、第二内镀膜光管为石英中空玻璃光管。

作为优选，所述的第一内镀膜光管、第二内镀膜光管内径为0.5 mm—5mm。

作为优选，所述的晶体为锥形或截锥形，使入射光线的入射角为45°或60°，其中入射角是指入射光线射入晶体全反射面的角度。

作为优选，所述的晶体由ZnSe材料、KBr、金刚石、蓝宝石或Ge材料制作而成。

作为优选，所述的外壳上设置有密封圈安装槽，用于安装密封圈，使所述的ATR探头能够密封安装在标准化合物反应器上对液体进行检测，可有效保证探头插入液体后不会有液体渗漏到壳体内部，从而保护置于壳体内部的光管、透镜等不受损坏。

作为优选，所述的外壳上设置有挡板，用于在ATR探头插入到反应器中的时候，定位ATR探头，将ATR探头固定在合适的位置处。

作为优选，所述的第一内镀膜光管、第二内镀膜光管通过槽型结构插入并固定在所述的外壳内部。

作为优选，所述的外壳采用不锈钢材料制作而成。

本发明的有益效果是：

1.采用了大口径中空内镀红外高反膜光管作为入射光和出射光的传导部件，其具备光通量大，光能损失小的特点；

2.增加出射光传导部件，将红外光引出去，就可以不受空间限制，采用更高灵敏度的MCT检测器。使高信噪比、高灵敏度检测成为可能；

3.由于减少了光能量损失，使可检测的光能量较大，因此红外光经过ATR之后，可以选择MCT检测器，同时也可以选择灵敏度稍低的DLATGS检测器。大大提高了使用的可选择性，使ATR探头具有更广泛的用途；

4.ATR探头完全隔离电路部分，使得信号不会受到干扰，信噪比更高，稳定性更强，使用寿命更长；

5.ATR探头可以应用在生物在线反应罐中，避免了采样、制样等工作，使用非常便利，实时性更好。

附图说明

图1：是本发明实施的ATR探头整体结构示意图。

图2：是本发明实施的45°ATR探头晶体结构示意图。

图3：是本发明实施的60°ATR探头晶体结构示意图。

图4：是本发明实施的ATR探头中的光路示意图。

具体实施方式

为了便于本领域普通技术人员理解和实施本发明，下面结合附图及实施例对本发明作进一步的详细描述，应当理解，此处所描述的实施示例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

请见图1，本发明所采用的技术方案是：一种高光通量红外ATR探头，包括进光筒1、第一反射镜2、第二反射镜11、第一内镀膜光管3、第二内镀膜光管10、外壳4、第一透镜7、第二透镜9、晶体8和出光筒12；第一反射镜2和第二反射镜11成V型连接，构成V型反射装置，V型反射装置一端设置在进光筒1出口处、另一端设置在出光筒12进口处，外壳4上端设置在V型反射装置下端、下端与晶体8固定连接，与进光筒1、V型反射装置、晶体8和出光筒12组成密闭空间；第一内镀膜光管3、第二内镀膜光管10均设置在外壳4内，第一内镀膜光管3位于第一反射镜2下端，第二内镀膜光管10位于第二反射镜11下端；第一透镜7设置在第一内镀膜光管3和晶体8之间，第二透镜9设置在第二内镀膜光管10和晶体8之间；外壳4上设置有密封圈安装槽6，用于安装密封圈，使ATR探头能够密封安装在标准化合物反应器上对液体进行检测；外壳4上设置有挡板5，用于在ATR探头插入到反应器中的时候，定位ATR探头，将ATR探头固定在合适的位置处。

请见图2和图3，本实施例所采用的晶体8采用截锥形结构，也可以直接采用锥形结构，光线进入晶体后，反射2次，入射角选45°，入射角是指入射光线射入晶体全反射面的角度。也可以反射3次，入射角为60°。优选45°，红外光的穿透深度更合适。

图2所示的光路，光线在晶体8内发生了3次反射。但实际上，本发明对于的晶体8截锥形设计中，只要改变截锥的位置和角度，就可以在晶体内发生2次或者多次的反射。因此，本发明所要主张的权利并不局限于2次反射。

本实施例所采用的晶体8为ZnSe材料，不排除Ge晶体、KBr、金刚石、蓝宝石等材料晶体。

本实施例的第一透镜7与第二透镜9分别对准晶体8的两个不同的锥形斜面。

本实施例的外壳4，采用金属材料，首选不锈钢材料。

请见图4，本实施例的光路传递路线为：经过汇聚的入射光线首先进入进光筒1，再经过第一反射镜2进入第一内镀膜光管3，再由第一透镜7汇聚后照射到晶体8锥形的第一个斜面上反射后，照射到锥形的底面上，再照射到锥形的第二个斜面上，在此斜面上再次发生反射后从晶体8射出，再经过第二透镜9汇聚聚焦到第二内镀膜光管10后，经过第二反射镜11射到出光筒12，最后照到MCT检测器的光敏面上。

本实施例的导入光部件采用的是第一内镀膜光管3，导出光部件采用的是第二内镀膜光管10，光管内壁洁净光滑，并镀上对红外光反射率极高的膜层，从而大大降低入射光在光管3内壁多次反射后的能量损失。所镀膜层主要针对4000cm-1~400cm-1波段范围内的红外光进行优化设计。与传统的光纤式ATR探头相比，本发明导入和导出都采用了大口径光管，光纤式探头多是有多根细小的光纤组成的，因此，从反射能量损失来看，本发明占优。另外，从光通量来看，所能通过的光通量也具有较大的优势。

本实施例的通过第一内镀膜光管3的光，经过第一透镜7耦合到晶体8内。由于经过第一内镀膜光管3后，部分光进行多次反射后有些发散，如果不加处理直接照射入晶体8，那么就会导致大量光能量的损失。本实施例采用第一透镜7进行光束的整形，使进入晶体8后的光尽可能多的能够从晶体中射出并被收集。从晶体8出射的光，经过第二透镜9进行聚焦，在第二透镜9汇聚后的光照射在导出的第二内镀膜光管10上，经过第二反射镜11和出光筒12后，照射到MCT检测器上，实现光信号向电信号的转换。

目前，市面上已有的对输出光大部分是采用光纤将光引入和引出ATR探头进行检测的方式，国内还没有采用光管设计ATR探头进行检测。本发明ATR探头中只含有光路，与检测器隔离开来，既增加了光的通透量，还使信号的检出更加容易。此前设计的ATR光管，采用的是内嵌DLATGS检测器，在实际使用过程中会因待检测物的罐体的带电，从而导致检测器的损坏，而且DLATGS检测器的灵敏度相对MCT检测器差了一个数量级。因此，在ATR外部采用MCT检测器，其灵敏度更高，检测效果更好。当然，本发明不排除使用DLATGS检测器作为感光元件，但需要去除第二内镀膜光管10，并且将检测器与外壳4充分绝缘。实际上，使用MCT检测器，检测效果会更好。

用液氮制冷的高灵敏度MCT检测器进行光信号的检测，普通的DLATGS无法满足要求。而且本发明，采用内镀膜光管进行光的传导，光能量损失小，减少了光传输过程中的能量损失，因此，在无更高精度的要求的情况下，还可以采用成本相对低廉而又无需制冷使用的DLATGS传感器进行光信号的检测。因而，本发明所需元件少，可选择性强，使用方便，这是本发明的主要优势。

本发明除了可以利用MCT传感器来检测光信号，也可以使用DLATGS检测器来检测光信号。

本发明采用大口径内镀红外高反射率膜的中空光管做为光导入部件和光导出部件，将ATR光导出的光信号送到MCT检测室进行光的检测。ATR探头中只含有光路，与检测器隔离开来，既增加了光的通透量，还使信号的检出更加容易，也不会因罐体的带电导致检测器的损坏。同时，由于采用MCT检测器，检测效果更好。因此，本发明与已有商品化ATR探头相比，其具备低成本、光通量大、高信噪比、结构简单、使用方便等优势。其在生物、医学、地质、材料学等诸多领域具有广阔的应用前景。

尽管本说明书较多地使用了进光筒1、第一反射镜2、第二反射镜11、第一内镀膜光管3、第二内镀膜光管10、外壳4、挡板5、密封圈安装槽6、第一透镜7、第二透镜9、晶体8和出光筒12等术语，但并不排除使用其他术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了更方便的描述本发明的本质，把它们解释成任何一种附加的限制都是与本发明精神相违背的。

应当理解的是，本说明书未详细阐述的部分均属于现有技术。

应当理解的是，上述针对较佳实施例的描述较为详细，并不能因此而认为是对本发明专利保护范围的限制，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明权利要求所保护的范围情况下，还可以做出替换或变形，均落入本发明的保护范围之内，本发明的请求保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (9)

1.一种高光通量红外ATR探头，其特征在于：包括进光筒（1）、第一反射镜（2）、第二反射镜（11）、第一内镀膜光管（3）、第二内镀膜光管（10）、外壳（4）、第一透镜（7）、第二透镜（9）、晶体（8）和出光筒（12）；

所述的第一反射镜（2）和第二反射镜（11）成V型连接，构成V型反射装置，所述的V型反射装置一端设置在所述的进光筒（1）出口处、另一端设置在所述的出光筒（12）进口处，所述的外壳（4）上端设置在所述的V型反射装置下端、下端与所述的晶体（8）固定连接，与所述的进光筒（1）、V型反射装置、晶体（8）和出光筒（12）组成密闭空间；

所述的第一内镀膜光管（3）、第二内镀膜光管（10）均设置在所述的外壳（4）内，所述的第一内镀膜光管（3）位于所述的第一反射镜（2）下端，所述的第二内镀膜光管（10）位于所述的第二反射镜（11）下端；

所述的第一透镜（7）设置在所述的第一内镀膜光管（3）和晶体（8）之间，所述的第二透镜（9）设置在所述的第二内镀膜光管（10）和晶体（8）之间；

入射光射入所述的进光筒（1）后，经所述的第一反射镜（2）反射后进入所述的第一内镀膜光管（3），通过所述的第一透镜（7）汇聚后射入所述的晶体（8），在晶体（8）内反射后射出，再经所述的第二透镜（9）射入到所述的第二内镀膜光管（10），经过所述的第二反射镜（11）反射后，由所述的出光筒（12）射出，最后由MCT检测器将光信号转换成电信号。

2.根据权利要求1所述的高光通量红外ATR探头，其特征在于：所述的第一内镀膜光管（3）、第二内镀膜光管（10）为石英中空玻璃光管。

3.根据权利要求1或2所述的高光通量红外ATR探头，其特征在于：所述的第一内镀膜光管（3）、第二内镀膜光管（10）内径为0.5 mm—5mm。

4.根据权利要求1所述的高光通量红外ATR探头，其特征在于：所述的晶体（8）为锥形或截锥形，使入射光线的入射角为45°或60°，其中入射角是指入射光线射入晶体全反射面的角度。

5.根据权利要求1或4所述的高光通量红外ATR探头，其特征在于：所述的晶体（8）由ZnSe材料、KBr、金刚石、蓝宝石或Ge材料制作而成。

6.根据权利要求1所述的高光通量红外ATR探头，其特征在于：所述的外壳（4）上设置有密封圈安装槽（6），用于安装密封圈，使所述的ATR探头能够密封安装在标准化合物反应器上对液体进行检测。

7.根据权利要求1所述的高光通量红外ATR探头，其特征在于：所述的外壳（4）上设置有挡板（5），用于在ATR探头插入到反应器中的时候，定位ATR探头，将ATR探头固定在合适的位置处。

8.根据权利要求3所述的高光通量红外ATR探头，其特征在于：所述的第一内镀膜光管（3）、第二内镀膜光管（10）通过槽型结构插入并固定在所述的外壳（4）内部。

9.根据权利要求1所述的高光通量红外ATR探头，其特征在于：所述的外壳（4）采用不锈钢材料制作而成。