CN105241550A - 一种全光纤傅里叶变换拉曼光谱仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种全光纤傅里叶变换拉曼光谱仪，其包括传输光纤及均采用传输光纤实现器件关联的激光器、光纤拉曼探头、全光纤双光束干涉系统与光电倍增管。激光器通过光纤拉曼探头照射到样品上并形成拉曼散射光，所述拉曼散射光通过光纤拉曼探头收集并进入全光纤双光束干涉系统形成两路干涉光，两路干涉光的其中一路的光程经全光纤双光束干涉系统中的相位调制器进行调制，调制后的干涉光输出到光电倍增管转换成电信号。本发明通过全光纤双光束干涉系统实现了拉曼光谱的傅里叶变换进而实现光谱的解调，双光束的光程差调制采用全光纤相位调制器进行调制，是一种高分辨率、高信噪比、宽光谱范围、且能够实现低成本、微型化的全光纤傅里叶变换拉曼光谱仪。

Description

一种全光纤傅里叶变换拉曼光谱仪

技术领域

本发明涉及一种光谱仪，尤其涉及一种全光纤傅里叶变换拉曼光谱仪。

背景技术

傅里叶变换拉曼光谱仪是依据傅里叶变换光谱学的基本原理，利用干涉图与光谱图之间傅里叶变换的对应关系，通过测量干涉图，对干涉图实施傅里叶变换来测定光谱图。傅里叶变换拉曼光谱仪相比于色散型拉曼光谱仪具有高通量、高灵敏度、高分辨率、高信噪比、抗荧光光谱干扰等优势，而被广泛应用。但传统傅里叶变换光谱仪由于包括准直系统、分光系统和探测接收系统，因而体积庞大、价格昂贵，不利于产品的普及。

近几年来，微型化拉曼光谱仪的研究进展非常迅速，现有的微型拉曼光谱仪绝大多数仍采用色散型光谱仪原理，由于入射狭缝孔径和光阑的大小限制了光通量并导致效率严重下降，因此微型拉曼光谱仪的性能远远不及大型拉曼光谱仪。而傅里叶变换拉曼光谱仪的分光系统包括分束器及分束器两个臂上的两个反射镜，其中一个反射镜是动镜，另一个反射镜为固定镜；动镜需要一套高精度的驱动系统，采用时间调制方式来实现光信号的调制，这一系统的微型化、便携化比较困难，存在重复性和可靠性难以保证、测量实时性较差等问题。

发明内容

本发明的目的在于针对现有的傅里叶变换拉曼光谱仪微型化的问题，提供一种全光纤傅里叶变换拉曼光谱仪。

本发明通过以下技术方案实现：一种全光纤傅里叶变换拉曼光谱仪，其包括传输光纤(5)及均采用传输光纤(5)实现器件关联的激光器、光纤拉曼探头、全光纤双光束干涉系统与光电倍增管；激光器通过光纤拉曼探头照射到样品上并形成拉曼散射光，所述拉曼散射光通过光纤拉曼探头收集并进入全光纤双光束干涉系统形成两路干涉光，两路干涉光的其中一路的光程经全光纤双光束干涉系统中的相位调制器进行调制，调制后的干涉光输出到光电倍增管转换成电信号。

作为上述方案的进一步改进，光纤双光束干涉系统为采用光纤迈克尔逊干涉仪、光纤马赫曾德干涉仪、光纤斐索干涉仪或长周期光纤光栅中的一种可调谐光纤双光束干涉系统。

进一步地，所述光纤迈克尔逊干涉仪包括光纤隔离器、光纤3dB耦合器、一组相位调制器、法拉第旋转镜；所述拉曼散射光首先进入光纤隔离器，后经光纤3dB耦合器分成两路形成迈克尔逊干涉仪的两臂，其中一臂加相位调制器调制光程，使两臂光程产生差值，两束光分别经尾端法拉第旋转镜反射后再次传输到光纤3dB耦合器形成光程差被调制的干涉光。

再进一步地，相位调制器为压电陶瓷柱，采用将传输光纤在所述压电陶瓷柱表面绕环的形式，加驱动电压在所述压电陶瓷柱上来调节光纤长度。

再进一步地，相位调制器为压电陶瓷微位移器，采用将传输光纤粘贴在所述压电陶瓷微位移器表面的形式，加驱动电压在所述压电陶瓷微位移器上来调节光纤长度。

优选地，相位调制器的数量能根据光纤双光束干涉系统分辨率的要求增加，以扩大光程的调节范围。

再进一步地，法拉第旋转镜采用在光纤准直器的端面粘贴制作45°角的法拉第旋转片，然后在所述法拉第旋转片的外表面镀高反射膜的方法制备而成。

优选地，法拉第旋转镜通过光纤熔接的方式与光纤3dB耦合器的两输出光纤臂熔接。

进一步地，所述光纤马赫曾德干涉仪包括光纤消偏器、一对光纤3dB耦合器、一组相位调制器；所述拉曼散射光先经过光纤消偏器，然后进入由一对光纤3dB耦合器的两路光纤熔接形成所述光纤马赫曾德干涉仪的两臂，其中一臂缠绕在一组压电陶瓷柱上，给这组压电陶瓷柱加驱动电压，两臂的两束光在其中另一个光纤3dB耦合器处干涉后输出光程差被调制的干涉光，所述光程差被调制的干涉光输出至光电倍增管解调。

本发明的有益效果为：

1.本发明的全光纤傅里叶变换拉曼光谱仪采用全光纤光路，避免包含机械运动的相位调制系统，大大提高了解调速度的同时还极大地缩小了仪器的体积，

2.全光纤双光束干涉系统采用全光纤的迈克尔逊干涉仪或其他全光纤的双光束干涉系统，双光束的光程差调制采用压电陶瓷或微位移器驱动，使得该全光纤傅里叶变换拉曼光谱仪的光程差调节精度准确可控；

3.采用多组驱动能扩展光程差提高光谱仪的分辨率，系统稳定可靠、可重复性高；

4.本发明的全光纤傅里叶变换拉曼光谱仪结构简单，所用器件少，便于实现集成化、模块化，其整体体积小，重量轻，可实现光谱仪的微型化、便携化。

附图说明

图1是本发明提供的第1实施例的全光纤傅里叶变换拉曼光谱仪的结构示意图；

图2是本发明提供的第2实施例的全光纤傅里叶变换拉曼光谱仪的结构示意图；

图3是本发明提供的第3实施例的全光纤傅里叶变换拉曼光谱仪的结构示意图。

具体实施方式

以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不限定本发明。

本发明的全光纤傅里叶变换拉曼光谱仪包括激光器、光纤拉曼探头、全光纤双光束干涉系统、光电倍增管、若干传输光纤。激光器通过光纤拉曼探头照射到样品上并形成拉曼散射光，所述拉曼散射光通过光纤拉曼探头收集并进入全光纤双光束干涉系统形成两路干涉光，两路干涉光的其中一路的光程经全光纤双光束干涉系统中的相位调制器进行调制，调制后的干涉光输出到光电倍增管转换成电信号。

本发明的全光纤傅里叶变换拉曼光谱仪具备高分辨率、高信噪比、宽光谱范围、且能够实现低成本、微型化的特性，其全光纤双光束干涉系统的双光束的光程差调制采用相位调制器进行调制，准确可控全光纤傅里叶变换拉曼光谱仪的光程差调节精度。

全光纤双光束干涉系统可以是包括主要由光纤迈克尔逊干涉仪或光纤马赫曾德干涉仪等形式组成的拉曼光谱解调系统，即光纤双光束干涉系统为采用光纤迈克尔逊干涉仪、光纤马赫曾德干涉仪、光纤斐索干涉仪或长周期光纤光栅中的一种可调谐光纤双光束干涉系统。

如，光纤迈克尔逊干涉仪可包括光纤隔离器、光纤3dB耦合器、压电陶瓷驱动器或微位移器、法拉第旋转镜。光纤3dB耦合器将拉曼散射光分成两路，形成了迈克尔逊干涉仪的两臂，其中一臂加所述压电陶瓷驱动调制光程，使两臂光程产生差值，两束干涉光分别经尾端所述法拉第旋转镜反射后再次传输到3dB耦合器，形成双光束干涉，干涉光经3dB耦合器另一端口到光电倍增管,则由光程差调制的干涉光经光电倍增管转换为电信号。

再如，光纤马赫曾德干涉仪可包括光纤消偏器、一对光纤3dB耦合器、一组相位调制器。首先由光纤消偏器将输入的拉曼光谱进行消偏，以避免在双光束干涉时由环境影响造成的偏振衰落带来的信号不稳定，然后由一对光纤3dB耦合器的两路光纤熔接形成干涉仪的两臂，其中一臂缠绕在一组压电陶瓷柱上，给压电陶瓷柱加驱动电压用于调制该臂的光程，两束光在第二个光纤3dB耦合器处干涉，输出光程差被调制的干涉光，干涉光输出至光电倍增管解调。

实施例1

请参阅图1，本实施例的全光纤傅里叶变换拉曼光谱仪包括激光器1、光纤拉曼探头2、全光纤双光束干涉系统、光电倍增管4、若干传输光纤5。可采用这些传输光纤5实现激光器1、光纤拉曼探头2、全光纤双光束干涉系统、光电倍增管4之间的器件关联。

激光器1通过光纤拉曼探头2照射到样品6上并形成拉曼散射光，所述拉曼散射光通过光纤拉曼探头2收集并进入全光纤双光束干涉系统形成两路干涉光，两路干涉光的其中一路的光程经全光纤双光束干涉系统中的相位调制器3-3进行调制，调制后的干涉光输出到光电倍增管4转换成电信号。

所述光纤迈克尔逊干涉仪包括光纤隔离器3-1、光纤3dB耦合器3-2、一组相位调制器3-3、法拉第旋转镜3-4。所述拉曼散射光首先进入光纤隔离器3-1，后经光纤3dB耦合器3-2分成两路形成迈克尔逊干涉仪的两臂，其中一臂加相位调制器3-3调制光程，使两臂光程产生差值，两束光分别经尾端法拉第旋转镜3-4反射后再次传输到光纤3dB耦合器3-2形成光程差被调制的干涉光。

其中，相位调制器3-3为压电陶瓷柱，采用将传输光纤5在所述压电陶瓷柱表面绕环的形式，加驱动电压在所述压电陶瓷柱上来调节光纤长度。相位调制器3-3用于对其中的一路光程进行调制，可以是压电陶瓷柱，采用将光纤在其表面绕环的形式，也可以是压电陶瓷微位移器(如实施例2的图2)，采用将光纤粘贴在其表面的形式。加驱动电压在压电陶瓷柱或压电陶瓷微位移器上来调节光纤长度。相位调制器3-3还可以根据系统分辨率的要求增加数量，从而不断扩大光程的调节范围。

上述法拉第旋转镜3-4用于补偿偏振态受环境影响在两光纤臂中发生偏振衰落而引起的相干性恶化。法拉第旋转镜3-4采用在光纤准直器的端面粘贴制作45°角的法拉第旋转片，然后在所述法拉第旋转片的外表面镀高反射膜的方法制备而成。法拉第旋转镜3-4通过光纤熔接的方式与光纤3dB耦合器3-2的两输出光纤臂熔接。

本发明的工作原理：根据傅里叶变换理论，用双光束干涉仪记录下干涉谱，再借助傅里叶余弦变换获得光信号的辐射功率谱分布。具体为，当光信号为单色光时，探测器接收到的光强为：I(Δ)＝I₀(1+cosδ)＝I₀(1+cos(2πvΔ))，其中δ＝2πνΔ为双光束的相位差，Δ为光程差。当光信号为复色光，设其功率谱函数为B(ν)，探测器接收到的光强为：

$I\left(\mathrm{\Δ}\right)={\∫}_0^{\mathrm{\∞}}B\left(v\right)\[1+cos\left(2\mathrm{\π}v\mathrm{\Δ}\right)\]dv=\stackrel{\‾}{I}+{\∫}_0^{\mathrm{\∞}}B\left(v\right)cos\left(2\mathrm{\π}v\mathrm{\Δ}\right)dv$

可以看出探测器接收到的光强是光信号的傅里叶积分。记录下I(Δ)，并做傅里叶余弦变换：就可得到任何波数处的光强。傅里叶变换光谱仪的分辨率等于双光束可产生的最大光程。

实施例2

请参阅图2，实施例2与实施例1的区别在于：实施例2的相位调制器3-3是压电陶瓷微位移器，采用将光纤粘贴在其表面的形式，加驱动电压在压电陶瓷微位移器上来调节光纤长度。实施例2具备实施例1的有益效果。

实施例3

请参阅图3，实施例2与实施例1的区别在于：实施例2的光纤双光束干涉系统采用的是光纤马赫曾德干涉仪，而不是光纤迈克尔逊干涉仪。

所述光纤马赫曾德干涉仪包括光纤消偏器3-11、一对光纤3dB耦合器3-2、一组相位调制器3-3。所述拉曼散射光先经过光纤消偏器3-11，然后进入由一对光纤3dB耦合器3-2的两路光纤熔接形成所述光纤马赫曾德干涉仪的两臂，其中一臂缠绕在一组压电陶瓷柱3-3上，给这组压电陶瓷柱3-3加驱动电压，两臂的两束光在其中另一个光纤3dB耦合器3-2处干涉后输出光程差被调制的干涉光，所述光程差被调制的干涉光输出至光电倍增管4解调。由光纤消偏器3-11将输入的拉曼光谱进行消偏，以避免在双光束干涉时由环境影响造成的偏振衰落带来的信号不稳定。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种全光纤傅里叶变换拉曼光谱仪，其特征在于：其包括传输光纤(5)及均采用传输光纤(5)实现器件关联的激光器(1)、光纤拉曼探头(2)、全光纤双光束干涉系统与光电倍增管(4)；激光器(1)通过光纤拉曼探头(2)照射到样品(6)上并形成拉曼散射光，所述拉曼散射光通过光纤拉曼探头(2)收集并进入全光纤双光束干涉系统形成两路干涉光，两路干涉光的其中一路的光程经全光纤双光束干涉系统中的相位调制器(3-3)进行调制，调制后的干涉光输出到光电倍增管(4)转换成电信号。

2.如权利要求1所述的全光纤傅里叶变换拉曼光谱仪，其特征在于：光纤双光束干涉系统为采用光纤迈克尔逊干涉仪、光纤马赫曾德干涉仪、光纤斐索干涉仪或长周期光纤光栅中的一种可调谐光纤双光束干涉系统。

3.如权利要求2所述的全光纤傅里叶变换拉曼光谱仪，其特征在于：所述光纤迈克尔逊干涉仪包括光纤隔离器(3-1)、光纤3dB耦合器(3-2)、一组相位调制器(3-3)、法拉第旋转镜(3-4)；所述拉曼散射光首先进入光纤隔离器(3-1)，后经光纤3dB耦合器(3-2)分成两路形成迈克尔逊干涉仪的两臂，其中一臂加相位调制器(3-3)调制光程，使两臂光程产生差值，两束光分别经尾端法拉第旋转镜(3-4)反射后再次传输到光纤3dB耦合器(3-2)形成光程差被调制的干涉光。

4.如权利要求3所述的全光纤傅里叶变换拉曼光谱仪，其特征在于：相位调制器(3-3)为压电陶瓷柱，采用将传输光纤(5)在所述压电陶瓷柱表面绕环的形式，加驱动电压在所述压电陶瓷柱上来调节光纤长度。

5.如权利要求3所述的全光纤傅里叶变换拉曼光谱仪，其特征在于：相位调制器(3-3)为压电陶瓷微位移器，采用将传输光纤(5)粘贴在所述压电陶瓷微位移器表面的形式，加驱动电压在所述压电陶瓷微位移器上来调节光纤长度。

6.如权利要求4或5所述的全光纤傅里叶变换拉曼光谱仪，其特征在于：相位调制器(3-3)的数量根据光纤双光束干涉系统分辨率的要求增加，以扩大光程的调节范围。

7.如权利要求3所述的全光纤傅里叶变换拉曼光谱仪，其特征在于：法拉第旋转镜(3-4)采用在光纤准直器的端面粘贴制作45°角的法拉第旋转片，然后在所述法拉第旋转片的外表面镀高反射膜的方法制备而成。

8.如权利要求7所述的全光纤傅里叶变换拉曼光谱仪，其特征在于：法拉第旋转镜(3-4)通过光纤熔接的方式与光纤3dB耦合器(3-2)的两输出光纤臂熔接。

9.如权利要求2所述的全光纤傅里叶变换拉曼光谱仪，其特征在于：所述光纤马赫曾德干涉仪包括光纤消偏器(3-11)、一对光纤3dB耦合器(3-2)、一组相位调制器(3-3)；所述拉曼散射光先经过光纤消偏器(3-11)，然后进入由一对光纤3dB耦合器(3-2)的两路光纤熔接形成所述光纤马赫曾德干涉仪的两臂，其中一臂缠绕在一组压电陶瓷柱(3-3)上，给这组压电陶瓷柱(3-3)加驱动电压，两臂的两束光在其中另一个光纤3dB耦合器(3-2)处干涉后输出光程差被调制的干涉光，所述光程差被调制的干涉光输出至光电倍增管(4)解调。