CN105424610A - 一种实现探头侧壁和顶端同时测量的光纤式atr探头 - Google Patents

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Abstract

一种实现探头侧壁和顶端同时测量的光纤式ATR探头，包括用于耦合光信号的输入光纤、输入透镜、输出光纤和输出透镜、提供ATR测量的ATR晶体和壳体；所述的ATR晶体是一个圆柱形晶体，其侧剖面为直角梯形，所述的壳体是具有中心圆形通孔的圆柱体，其前端具有和所述的ATR晶体的梯形斜边相同的倾角，使ATR晶体的斜边与壳体前端紧密接触，并封装在壳体内；所述的输入光纤、输入透镜、输出光纤和输出透镜封装在壳体内部。本发明可以在诸如管道内部等探头移动受限的场合，实现探头的侧壁和前端测量，且隔绝了外界灰尘、水汽等对探头使用寿命的影响，保证长期使用的可靠性。

Description

一种实现探头侧壁和顶端同时测量的光纤式ATR探头
技术领域
本发明涉及一种能够在探头的侧壁和顶端同时实现测量的光纤式衰减全反射(AttenuatedTotalReflection,以下简称ATR)探头，具体是一种用于光谱分析的，在探头侧壁和垂直于侧壁的顶端都能进行光学测量的光纤式ATR探头。
背景技术
光谱分析是一种用于表征材料特性的重要技术，通过测量材料在一段光频谱内的吸收谱或透射谱，可以对材料特性进行定性或定量分析。传统的光谱分析需要将样品放入光谱分析仪的样品室内进行测量，限制了应用场合。新型的光谱分析可以通过光纤将信号光从光谱仪的样品室中引出，导入到特制的ATR探头，当ATR探头完成对样品的测量后，信号光通过另一条光纤返回光谱仪中的探测器，得到样品的频谱数据。
目前已经报道的光纤式ATR探头主要采用以下几种设计：
方法1：光信号从一条光纤发出，垂直射入一个直角锥晶体(即晶体的剖面是一个等腰直角三角型)的底面，然后在晶体内部以45度的入射角照射到一个晶体的侧面，光束在侧面发生全反射后照射到另一侧的侧面，再次发生全反射，最后返回到另一条光纤。直角锥晶体侧面上的两个全反射点即是该ATR探头的两个测量点。这种ATR探头在测量固体样品时，探头必须与样品表面呈45度夹角，以保证探头前端的直角锥晶体上的至少一个测量点能够与样品接触。因此，当探头移动受限，例如位于直径较小的管道内时，探头无法倾斜也就无法测量管道内壁或顶端的光谱特性。
方法2：光信号从一条光纤发出，垂直射入梯形锥晶体(即晶体的剖面是一个等腰梯形)，光信号从梯形的长边垂直入射，然后光束在晶体内部依次在晶体的侧壁、顶端(即梯形的短边)、侧壁发生三次全反射，随后光信号离开晶体返回另一条光纤。梯形锥晶体侧面上有两个全反射点，顶端有一个全反射点，这三个点即是该ATR探头的测量点。这种ATR探头在测量固体样品时，或者将探头前端的梯形锥晶体的顶端与样品接触进行测量，或者将探头倾斜一定角度(通常为60度)使梯形锥晶体的侧面与样品接触进行测量。与方法一的设计类似，当探头移动受限，例如位于直径较小的管道内时，该探头可以测量管道顶端的光谱特性，但无法倾斜也就无法测量管道内壁的光谱特性。
总之，以上的设计在探头移动受限的场合，探头前端晶体上的测量点无法与样品接触，所以无法对样品进行测量。因此，需要一种装置能够在探头移动受限的场合，能够同时在探头的侧壁和前端进行测量的光纤式ATR探头。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是克服上述现有技术的不足，提供能够同时在侧壁和前端进行测量的光纤式ATR探头。该探头结构简单且性能稳定可靠。
为了解决上述问题，本发明的技术解决方案是：
一种实现探头侧壁和顶端同时测量的光纤式ATR探头，其特点在于，包括用于耦合光信号的输入光纤、输入透镜、输出光纤和输出透镜、提供ATR测量的ATR晶体和壳体；
所述的ATR晶体是一个圆柱形晶体，其侧剖面为直角梯形，所述的壳体是具有中心圆形通孔的圆柱体，其前端具有和所述的ATR晶体的梯形斜边相同的倾角，使ATR晶体的斜边与壳体前端紧密接触，并封装在壳体内；
所述的输入光纤、输入透镜、输出光纤和输出透镜封装在壳体内部，使光信号从所述的输入光纤发出，经所述的输入透镜入射到所述的ATR晶体的梯形斜边，经梯形斜边折射后入射到该ATR晶体的梯形下底边，经梯形下底边全反射后再入射到该ATR晶体的梯形直角边，经梯形直角边全反射后再入射到梯形斜边，经该梯形斜边折射后入射到所述的输出透镜，经输出透镜汇聚后射入所述的输出光纤。
所述的输入光纤、输入透镜、输出光纤和输出透镜与所述的工作频带需相匹配。
所述的壳体的斜边与ATR晶体的梯形斜边通过壳体内侧的螺纹或螺丝或胶水等固定。
所述的壳体是金属或其他具有较高硬度的材料。
与现有技术相比，本发明具有如下优点：
在诸如管道内部等探头移动受限的场合，能够同时在探头的侧壁和前端进行测量；光纤、透镜和ATR晶体涉及的光路被保护在壳体或ATR晶体内，隔绝了外界灰尘、水汽等对探头使用寿命的影响，保证长期使用的可靠性。
附图说明
图1是本发明实现探头侧壁和顶端同时测量的光纤式ATR探头的侧剖面示意图。
图中：1-输入光纤，2-输出光纤，3-壳体，4-输入透镜，5-光束，6-ATR晶体，7-输出透镜。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。
请参阅图1，图1是本发明实现探头侧壁和顶端同时测量的光纤式ATR探头的侧剖面示意图，如图所示，光信号从输入光纤1中发出，经过输入透镜4变为准直光束，光束照射到ATR晶体6的梯形斜边后进入ATR晶体6，光束5表示了光束在ATR晶体内部的路径，分别经历了一次斜边处的折射、一次梯形下底边的全反射、一次梯形直角边的全反射和再一次的梯形斜边处的折射，光束离开ATR晶体后，经过输出透镜7的汇聚进入输出光纤2，壳体3前端与ATR晶体6的斜边固定，输入光纤1、输出光纤2、输入透镜4和输出透镜7在壳体3内部。本实施例中，输入光纤1和输出光纤2为工作波长在5-10微米的中红外光纤，输入透镜4和输出透镜7为ZnSe晶体，ATR晶体6为ZnSe晶体，壳体3为不锈钢材料，输入光纤1、输出光纤2、输入透镜4、输出透镜7和ATR晶体6均通过胶水与壳体3固定，胶水选用受热固化的环氧树脂胶。

Claims (4)

1.一种实现探头侧壁和顶端同时测量的光纤式ATR探头，其特征在于，包括用于耦合光信号的输入光纤、输入透镜、输出光纤和输出透镜、提供ATR测量的ATR晶体和壳体；
所述的ATR晶体是一个圆柱形晶体，其侧剖面为直角梯形，所述的壳体是具有中心圆形通孔的圆柱体，其前端具有和所述的ATR晶体的梯形斜边相同的倾角，使ATR晶体的斜边与壳体前端紧密接触，并封装在壳体内；
所述的输入光纤、输入透镜、输出光纤和输出透镜封装在壳体内部，使光信号从所述的输入光纤发出，经所述的输入透镜入射到所述的ATR晶体的梯形斜边，经梯形斜边折射后入射到该ATR晶体的梯形下底边，经梯形下底边全反射后再入射到该ATR晶体的梯形直角边，经梯形直角边全反射后再入射到梯形斜边，经该梯形斜边折射后入射到所述的输出透镜，经输出透镜汇聚后射入所述的输出光纤。
2.根据权利要求1所述的实现探头侧壁和顶端同时测量的光纤式ATR探头，其特征在于，所述的输入光纤、输入透镜、输出光纤和输出透镜与所述的工作频带需相匹配。
3.根据权利要求1所述的实现探头侧壁和顶端同时测量的光纤式ATR探头，其特征在于，所述的壳体的斜边与ATR晶体的梯形斜边通过壳体内侧的螺纹或螺丝或胶水等固定。
4.根据权利要求1所述的实现探头侧壁和顶端同时测量的光纤式ATR探头，其特征在于，所述的壳体是金属或其他具有较高硬度的材料。
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US5991029A (en) * 1998-04-06 1999-11-23 Axiom Analytical, Inc. Attenuated total reflecance probe employing large incidence angles
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