CN104777146A - 一种全光纤拉曼光谱仪 - Google Patents

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Abstract

本发明的全光纤拉曼光谱仪，是由带光纤输出的激光器、光纤可调衰减器、拉曼光纤探头、光纤光栅滤波器和光纤F-P光谱仪组成的全光纤光路光谱仪系统，全光纤拉曼光谱仪的光路首先由带光纤输出的激光器输出激发光到光纤可调衰减器，光纤可调衰减器根据样品的种类和特点调节输出光功率，然后经过拉曼光纤探头入射到样品，激发的拉曼散射光经拉曼光纤探头收集返回光纤系统，然后经过光纤光栅滤波器滤除瑞利散射光后进入光纤F-P光谱仪进行光谱分辨。本发明的全光纤拉曼光谱仪采用了光纤F-P光谱仪和光纤光栅滤波器窄带滤波技术，不仅能进一步提高光谱分辨率、信噪比和扫描速度，同时还能实现低至十几个波束的拉曼散射光谱的扫描分辨率。

Description

一种全光纤拉曼光谱仪
技术领域
本发明涉及一种拉曼光谱仪，尤其是涉及一种微型化的全光纤光路拉曼光谱仪。
背景技术
随着科学研究和大众市场对物质分子结构的现场、快速、精确检测需求的不断高涨，便携化的拉曼光谱仪不断受到各研究机构的青睐。近年来已有不少便携式甚至微型化的拉曼光谱仪产品推出市场，但几乎都是进口产品，价格昂贵。此外，由于多数便携式或微型拉曼光谱仪仍然是基于传统的色散型光栅单色仪设计而成，只不过是将样品探测的光学系统改进为拉曼光纤探头，实现了初步的便携化。因此光纤和空间光路间的相互耦合存在着较大的光能量损耗，同时光栅单色仪和瑞利滤波系统受限于空间限制，难以实现高分辨率的光谱扫描以及高信噪比、灵敏度的光谱探测。特别是微型拉曼光谱仪，其灵敏度和分辨率更是无法和大型拉曼光谱仪相媲美，限制了其只能用于定性识别而不能进行定量检测。
发明内容
本申请的发明目的在于解决目前现有的微型拉曼光谱仪存在的上述技术问题而提供一种分辨率高、灵敏度高、扫描速度快且成本低的全光纤拉曼光谱仪。
为了完成本申请的发明目的，本申请采用以下技术方案：
本发明的全光纤拉曼光谱仪，是由带光纤输出的激光器、光纤可调衰减器、拉曼光纤探头、光纤光栅滤波器和光纤F-P光谱仪组成的全光纤光路光谱仪系统，全光纤拉曼光谱仪的光路首先由带光纤输出的激光器输出激发光到光纤可调衰减器，光纤可调衰减器根据样品的种类和特点调节输出光功率，然后经过拉曼光纤探头入射到样品，激发的拉曼散射光经拉曼光纤探头收集返回光纤系统，然后经过光纤光栅滤波器滤除瑞利散射光后进入光纤F-P光谱仪进行光谱分辨。
本发明所述拉曼光纤探头输入的激发光与收集的散射光分别走不同的光纤，这种情况下激发光从光纤可调衰减器直接输出到拉曼光纤探头的一个端口，散射光经另外一个端口返回至光纤光栅滤波器；或者所述拉曼光纤探头输入的激发光与收集的散射光走同一条光纤，这种情况下激发光要经过光纤可调衰减器输出端的光纤环形器，然后输出到拉曼光纤探头，散射光经同一光纤返回至光纤环形器的反射端口输入至光纤光栅滤波器。
本发明所述带光纤输出的激光器可以是光纤激光器，也可以是通过光纤耦合输出的激光器，所述激光器的波长包含从紫外到近红外波段。
本发明所述光纤可调衰减器是包括空气隔离技术、位移错位技术或固态光衰减技术在内的法兰式、在线式或阴阳式的光纤衰减器。
本发明所述拉曼光纤探头可以是激发光与拉曼散射光共光纤光路时的反射式光纤探头，也可以是激发光与拉曼散射光不共光纤光路时的透射式光纤探头。
本发明所述光纤光栅滤波器是经过切趾的布拉格光纤光栅，布拉格反射峰波长与所述激发光波长相同。
本发明所述光纤F-P光谱仪是基于光纤F-P可调滤波器扫描的光纤光谱仪。
本发明的全光纤拉曼光谱仪与现有技术相比区别在于：本发明的全光纤拉曼光谱仪是全光纤光路的拉曼光谱仪，从激光器到最终的探测器全部走光纤，减小了从空间光到光纤再到空间光相互耦合过程中的光损耗，并利用光纤柔软、可以盘绕的特性，大大缩小拉曼光谱仪的体积。本发明采用了光纤F-P光谱仪和光纤光栅窄带滤波技术，不仅能进一步提高光谱分辨率、信噪比和扫描速度，同时还能实现低至十几个波束的拉曼散射光谱的扫描分辨。
附图说明
图1是本发明的实施例一的全光纤拉曼光谱仪结构示意图；
图2是本发明的实施例二的全光纤拉曼光谱仪结构示意图；
图3是本发明的实施例三的全光纤拉曼光谱仪结构示意图。
具体实施方式
实施例一：
如图1所示，本实施例的全光纤拉曼光谱仪是采用透射式拉曼光纤探头3的全光纤光路系统，包括带光纤输出的激光器1、光纤可调衰减器2、拉曼光纤探头3、光纤光栅滤波器4和光纤F-P光谱仪5，带光纤输出的激光器1可以是光纤激光器，也可以是通过光纤耦合输出的激光器，带光纤输出的激光器1的波长包含从紫外到近红外波段，本实施例的带光纤输出的激光器1优选为光纤激光器，光纤激光器1与光纤可调衰减器2通过法兰或光纤熔接连接，光纤可调衰减器2是包括空气隔离技术、位移错位技术或固态光衰减技术在内的法兰式、在线式或阴阳式的光纤衰减器，光纤光栅滤波器4是经过切趾的布拉格光纤光栅，布拉格反射峰波长与激发光波长相同，波长范围不限。
本实施例中的拉曼光纤探头3输入的激发光与收集的散射光分别走不同的光纤，分别为第一光纤6和第二光纤7，第一光纤6用于发射激发光，第二光纤7用于接收拉曼光谱信号，光纤可调衰减器2与拉曼光纤探头3输入端的第一光纤6通过法兰连接，光纤光栅滤波器4与拉曼光纤探头3输出端的第二光纤7通过法兰连接，光纤光栅滤波器4的透射端光纤通过法兰或光纤熔接与光纤F-P光谱仪5连接。通过拉曼光纤探头3收集到的散射光通过光纤光栅滤波器4的光纤光栅透射谱的带阻滤波作用，将与激发光波长相同的瑞利散射光部分滤除后，进入光纤F-P光谱仪5进行光谱识别。
本实施例中的光纤F-P光谱仪5采用光纤F-P可调滤波的方法进行光谱的波长扫描，光纤F-P光谱仪5的F-P可调滤波器的谐振腔用压电陶瓷通过调节电压实现控制，电压扫描一个周期的速度可以到达kHz，这将大大减少样品8分析的时间。光纤F-P光谱仪5配有F-P标准具，不仅能够读出光谱形状，还能测量出绝对波长。经过光纤F-P光谱仪5扫描得到的拉曼光谱信号输出至光电倍增管(图中未示出)，光电倍增管具有超高灵敏度、低噪声、快速响应等特点，非常适合微弱信号的探测，光电倍增管将光信号转换成电信号输出，然后进行后续的模电转换，即可实现整机的拉曼光谱扫描分析功能。
实施例二：
如图2所示，本实施例的全光纤拉曼光谱仪与实施例一结构基本相同，区别在于：本实施例的全光纤拉曼光谱仪是采用反射式拉曼光纤探头3的全光纤光路系统，拉曼光纤探头输入的激发光与收集的散射光走同一条光纤，具体地，全光纤拉曼光谱仪包括带光纤输出的激光器1、光纤可调衰减器2、光纤环形器9、拉曼光纤探头3、光纤光栅滤波器4和光纤F-P光谱仪5。光纤可调衰减器2输出端光纤通过法兰或光纤熔接与光纤环形器9的第一端口91连接，光纤环形器9的第二端口92与拉曼光纤探头3通过光纤法兰接口连接，本实施例中拉曼光纤探头3只连接有一条光纤，其发射和接收都经过同一光纤光路。光纤环形器9是一个单向传输器件，经样品8散射的拉曼光谱信号由拉曼光纤探头3收集返回至第二端口92，然后通过第三端口93传输给光纤光栅滤波器4，光纤光栅滤波器4的透射端光纤通过法兰或光纤熔接与光纤F-P光谱仪5连接。本实施例中光纤F-P光谱仪5的波长扫描方式与实施例一相同。
实施例三：
如图3所示，本实施例目的是为了进一步提高全光纤拉曼光谱仪的扫描带宽，本实施例的全光纤拉曼光谱仪是在实施例二上增设多只光纤F-P光谱仪5并联扫描来扩展整机的波长扫描范围。带光纤输出的激光器1优选为通过光纤耦合输出的激光器1，光纤F-P光谱仪5优选为两只并联，激光器1输出的激发光经光纤衰减器2、光纤环形器9、拉曼光纤探头3和光纤光栅滤波器4到达1×2的光开关10，光开关10将根据扫描波段范围分别切换至两路光纤F-P光谱仪5，这样整机的波长扫描范围可以扩展两倍左右，完全能够满足绝大部分分子的检测识别，同时还能保证光纤F-P光谱仪5扫描的高分辨率，这是常规便携式拉曼谱仪很难达到的性能参数。本实施例中光纤F-P光谱仪5的波长扫描方式与实施例一相同。
以上描述是对本发明的解释，不是对发明的限定，本发明所限定的范围参见权利要求，在不违背本发明的精神的情况下，本发明可以作任何形式的修改。

Claims (7)

1.一种全光纤拉曼光谱仪，其特征在于：是由带光纤输出的激光器、光纤可调衰减器、拉曼光纤探头、光纤光栅滤波器和光纤F-P光谱仪组成的全光纤光路光谱仪系统，全光纤拉曼光谱仪的光路首先由带光纤输出的激光器输出激发光到光纤可调衰减器，光纤可调衰减器根据样品的种类和特点调节输出光功率，然后经过拉曼光纤探头入射到样品，激发的拉曼散射光经拉曼光纤探头收集返回光纤系统，然后经过光纤光栅滤波器滤除瑞利散射光后进入光纤F-P光谱仪进行光谱分辨。
2.根据权利要求1所述的全光纤拉曼光谱仪，其特征在于：所述拉曼光纤探头输入的激发光与收集的散射光分别走不同的光纤，这种情况下激发光从光纤可调衰减器直接输出到所述拉曼光纤探头的一个端口，散射光经另外一个端口返回至所述光纤光栅滤波器；或者所述拉曼光纤探头输入的激发光与收集的散射光走同一条光纤，这种情况下激发光要经过光纤可调衰减器输出端的光纤环形器，然后输出到所述拉曼光纤探头，散射光经同一光纤返回至光纤环形器的反射端口输入至所述光纤光栅滤波器。
3.根据权利要求1所述的全光纤拉曼光谱仪，其特征在于：所述带光纤输出的激光器可以是光纤激光器，也可以是通过光纤耦合输出的激光器，所述激光器的波长包含从紫外到近红外波段。
4.根据权利要求1所述的全光纤拉曼光谱仪，其特征在于：所述光纤可调衰减器是包括空气隔离技术、位移错位技术或固态光衰减技术在内的法兰式、在线式或阴阳式的光纤衰减器。
5.根据权利要求1所述的全光纤拉曼光谱仪，其特征在于：所述拉曼光纤探头可以是激发光与拉曼散射光共光纤光路时的反射式光纤探头，也可以是激发光与拉曼散射光不共光纤光路时的透射式光纤探头。
6.根据权利要求1所述的全光纤拉曼光谱仪，其特征在于：所述光纤光栅滤波器是经过切趾的布拉格光纤光栅，布拉格反射峰波长与激发光波长相同。
7.根据权利要求1所述的全光纤拉曼光谱仪，其特征在于：所述光纤F-P光谱仪是基于光纤F-P可调滤波器扫描的光纤光谱仪。
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