CN105675498B - 荧光拉曼同步块状物探测装置 - Google Patents

荧光拉曼同步块状物探测装置 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种荧光拉曼同步块状物探测装置,用于同时探测出块状待测物的元素组成信息和分子结构信息,包括:光源生成部,包含:激光器、使激光光束转换为基频光和倍频光的非线性倍频晶体、对基频光和倍频光进行分束的分束片;荧光激发部,包含:第一阔束用凹面镜、将基频光聚焦到块状待测物上使块状待测物的表层形成小颗粒物的第一聚焦用凸透镜;拉曼激发部,包含:第二阔束用凹面镜、将倍频光聚焦到小颗粒物上的第二聚焦用凸透镜;以及光谱探测部,包含:收集反射出的探测用光信号的收集用凹面镜、第一光斑切割镜组、第二光斑切割镜组、离轴抛物面镜、过滤单元、根据拉曼信号、荧光信号得到分子结构信息、元素组成信息的光谱分析单元。

Description

荧光拉曼同步块状物探测装置
技术领域
本发明涉及一种光谱探测装置,具体涉及一种荧光拉曼同步块状物探测装置。
背景技术
由于激光光谱技术在非接触、高精度、低成本方面的特点,使其成为当今主流的未知物成分标定技术。现有的激光光谱技术包括:激光诱导荧光光谱技术、拉曼光谱技术、红外光谱技术、吸收光谱技术、激光诱导反斯托克斯光谱技术、太赫兹时域光谱技术等。
其中,激光诱导荧光光谱技术作为一种常用光谱技术,虽然能将块状物表面破坏从而进而探测内层,但是它只能测出待测物的组成元素信息,无法探测出复杂结构。
另外,拉曼光谱技术是当今国际上最常用的用于未知物成分标定的光谱手段。它通过将一束激光照射到待测物上,然后探测散射光的拉曼光谱,最后利用拉曼频移即可标定未知物成分。正是因为拉曼光谱技术具备待测物无须事先制备、精确、探测时间短等特殊优势,使得它成为当今最常用的物质检测手段。
然而,在对块状物体成分标定方面,拉曼光谱技术也存在较大缺陷。原因在于:1)块状物多为固体,分子间距离较小,导致拉曼光谱结构复杂,实际探测时往往出现多道谱线重叠的情况,极难分辨;2)块状物表面成分和内部成分可能不同,拉曼光谱技术只能探测块状物体表面成分;3)现有拉曼光谱技术在探测固体时,探测时间较长,无法实现快速成分标定。
发明内容
本发明是为了解决上述问题而进行的,目的在于提供一种能够同时探测出块状待测物的元素组成信息和分子结构信息并且探测精度高的荧光拉曼同步块状物探测装置。
本发明提供了一种荧光拉曼同步块状物探测装置,用于同时探测出块状待测物的元素组成信息和分子结构信息,具有这样的特征,包括:光源生成部,包含:用于产生激光光束的激光器、设置在激光光束的光路上用于使激光光束转换为基频光和倍频光的非线性倍频晶体、以及用于对基频光和倍频光进行分束的分束片;荧光激发部,设置在基频光的光路上,包含:用于对基频光进行阔束的第一阔束用凹面镜、以及将阔束后的基频光聚焦到块状待测物上使得块状待测物的表层被剥离从而形成复数个小颗粒物的第一聚焦用凸透镜;拉曼激发部,设置在倍频光的光路上,包含:用于对倍频光进行阔束的第二阔束用凹面镜、以及将阔束后的倍频光聚焦到小颗粒物上的第二聚焦用凸透镜;以及光谱探测部,包含:对基频光和倍频光反射出的包含荧光信号和拉曼信号的探测用光信号进行收集的收集用凹面镜、将收集到的探测用光信号切割为复数个条状光斑的第一光斑切割镜组、对切割后得到的条状光斑进行整形的第二光斑切割镜组、对整形后的条状光斑进行聚焦的离轴抛物面镜、用于过滤出荧光信号和拉曼信号的过滤单元、根据拉曼信号得到分子结构信息并根据荧光信号得到元素组成信息的光谱分析单元。
在本发明提供的荧光拉曼同步块状物探测装置中,还可以具有这样的特征:其中,过滤单元包含:带通滤波片和衰减片,带通滤波片滤掉基频光和倍频光,仅让拉曼信号通过,衰减片使荧光信号衰减后通过。
在本发明提供的荧光拉曼同步块状物探测装置中,还可以具有这样的特征:其中,光谱分析单元包含:用于对拉曼信号和荧光信号中的光束进行分散处理的光谱仪、以及对分散处理后的光束进行成像以得到特征光谱并进一步得到分子结构信息和组成元素信息的增强电荷耦合器件。
在本发明提供的荧光拉曼同步块状物探测装置中,还可以具有这样的特征:其中,光源生成部还包含:设置在激光器与非线性倍频晶体之间的聚焦凸透镜、设置在非线性倍频晶体与分束片之间的准直凸透镜、以及设置在分束片与第一阔束用凹面镜之间的生成侧高反镜。
在本发明提供的荧光拉曼同步块状物探测装置中,还可以具有这样的特征:其中,荧光激发部还包含:设置在基频光的光路上且位于生成侧高反镜与第一阔束用凹面镜之间的第一光快门和第一高反镜。
在本发明提供的荧光拉曼同步块状物探测装置中,还可以具有这样的特征:其中,拉曼激发部还包含:设置在倍频光的光路上且位于分束片与第二阔束用凹面镜之间的第二光快门和第二高反镜。
在本发明提供的荧光拉曼同步块状物探测装置中,还可以具有这样的特征:其中,光谱探测部还包含:设置在收集用凹面镜与第一光斑切割镜组之间的整形用凹面镜。
发明的作用与效果
根据本发明所涉及的荧光拉曼同步块状物探测装置,因为非线性倍频晶体能够使激光器产生的激光光束转换为基频光和倍频光,该基频光和倍频光被分束片分束后,基频光经由第一阔束用凹面镜进行阔束后再通过第一聚焦用凸透镜被聚焦到块状待测物上,从而使得块状待测物的表层被剥离从而形成复数个小颗粒物,倍频光经由第二阔束用凹面镜进行阔束后再通过第二聚焦用凸透镜被聚焦到小颗粒物上,基频光和倍频光反射出的包含荧光信号和拉曼信号的探测用光信号被收集用凹面镜进行收集,收集到的探测用光信号经由第一光斑切割镜组和第二光斑切割镜组进行切割和整形后得到复数个条状光斑,由该复数个条状光斑中能够过滤出荧光信号和拉曼信号,最后经过光谱分析即可得到块状待测物的分子结构信息和元素组成信息,所以,本发明的荧光拉曼同步块状物探测装置能够同时探测出块状待测物的元素组成信息和分子结构信息,并且探测精度高。
附图说明
图1是本发明的实施例中荧光拉曼同步块状物探测装置的结构示意图;
图2是本发明的实施例中光源生成部的结构示意图;
图3是本发明的实施例中荧光激发部和拉曼激发部的结构示意图;
图4是本发明的实施例中光谱探测部的结构示意图;以及
图5是本发明的实施例中光谱探测部的部分结构放大图。
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解,以下实施例结合附图对本发明的荧光拉曼同步块状物探测装置作具体阐述。
图1是本发明的实施例中荧光拉曼同步块状物探测装置的结构示意图。
如图1所示,在本实施例中,荧光拉曼同步块状物探测装置100作为一种光谱探测技术,它能够同时探测出块状待测物200的元素组成信息和分子结构信息。
荧光拉曼同步块状物探测装置100包含光源生成部10、荧光激发部20、拉曼激发部30以及光谱探测部40。
图2是本发明的实施例中光源生成部的结构示意图。
如图1、2所示,光源生成部10包含:激光器11、聚焦凸透镜12、非线性倍频晶体13、准直凸透镜14、分束片15以及生成侧高反镜16。
激光器11用于产生激光光束。在本实施例中,激光器11并不局限任何形式,例如可以为固体激光器、薄片激光器、光纤激光器等等。
聚焦凸透镜12设置在激光器11与非线性倍频晶体13之间,用于对激光器11产生的激光光束进行聚焦,使得激光光束能够更好地集中到非线性倍频晶体13上,从而提升非线性倍频晶体13的倍频效率。
非线性倍频晶体13设置在激光光束的光路上,用于使经过聚焦凸透镜12聚焦后的激光光束转换为基频光和倍频光。基频光用于激发块状待测物200的荧光信号,倍频光用于激发块状待测物200的拉曼信号。在本实施例中,非线性倍频晶体13并不局限任何形式,例如可以为BBO、LBO、KTP、PPLN等等。
准直凸透镜14设置在非线性倍频晶体13与分束片15之间,用于确保基频光和倍频光的准直性。
分束片15用于对经由准直凸透镜14出射的基频光和倍频光进行分束。在本实施例中,分束片15是通过表面镀膜从而将基频光与倍频光在空间上分开的。
如图2所示,激光器11输出的激光光束,被聚焦凸透镜12聚焦在非线性倍频晶体13上,之后出射光束经准直凸透镜14准直,倍频光与基频光经分束片15分束,反射的基频光入射在生成侧高反镜16上,用作荧光激发部20的光源,透射的倍频光用作拉曼激发部30的光源。
在本实施例中,通过设置生成侧高反镜16,便于荧光激发部20和拉曼激发部30的平行设置。
图3是本发明的实施例中荧光激发部和拉曼激发部的结构示意图。
如图3所示,荧光激发部20设置在基频光的光路上,包含:第一光快门21、第一高反镜22、第一阔束用凹面镜23以及第一聚焦用凸透镜24。
第一光快门21设置在基频光的光路上,并且位于生成侧高反镜16与第一高反镜22之间,它由激光器11提供的与荧光信号相对应的时序tF控制,用于让基频光入射进来。
第一阔束用凹面镜23设置在第一高反镜22与第一聚焦用凸透镜24之间,用于对基频光进行阔束。
第一聚焦用凸透镜24用于将被第一阔束用凹面镜23阔束后的基频光聚焦到块状待测物200上,从而使得块状待测物200的表层被剥离从而形成复数个小颗粒物。具体地,基频光在块状待测物200上聚焦,首先将导致块状待测物200表面少量分子电离,其后这些少量的电子被基频光加速,导致块状待测物200表面分子发生碰撞电离和级联电离。由于碰撞电离作用,块状待测物200表面温度,在几百微米的范围内,瞬间达到上千摄氏度,导致位于探测区域的块状待测物200表面剥离。而剥离的表面成分,形成位于块状待测物200附近的烟尘状、尺寸在微米到毫米量级的小颗粒物。
在本实施例中,第一聚焦用凸透镜24放置在水平平移台上,可通过调整其空间位置,能够实现对块状待测物200不同深度的激发。
如图3所示,由生成侧高反镜16反射的基频光光束经第一光快门21,被第一高反镜22反射到第一阔束用凹面镜23上进行阔束,阔束后的基频光被第一聚焦用凸透镜24聚焦在块状待测物200上。实际操作中,通过调整荧光信号时序tF,以调整第一光快门21,实现信号优化。
如图3所示,拉曼激发部30设置在倍频光的光路上,包含:第二光快门31、第二高反镜32、第二阔束用凹面镜33以及第二聚焦用凸透镜34。
第二光快门31设置在倍频光的光路上,并且位于分束片15与第二高反镜32之间,它由激光器11提供的与拉曼信号相对应的时序tR控制,用于让倍频光入射进来。
第二阔束用凹面镜33设置在第二高反镜32与第二聚焦用凸透镜34之间,用于对倍频光进行阔束。
第二聚焦用凸透镜34用于将被第二阔束用凹面镜33阔束后的倍频光聚焦到荧光激发部20产生的复数个小颗粒物上。
在本实施例中,第二聚焦用凸透镜34放置在水平平移台上,可通过调整其空间位置,能够实现对块状待测物200不同深度的激发。
如图3所示,由分束片15透射的倍频光光束经第二光快门31,被第二高反镜32反射到第二阔束用凹面镜33上进行阔束,阔束后的基频光被第二聚焦用凸透镜34聚焦在小颗粒物上。实际操作中,通过调整拉曼信号时序tR,以调整第二光快门31,实现信号优化。
图4是本发明的实施例中光谱探测部的结构示意图;图5是本发明的实施例中光谱探测部的部分结构放大图。
如图4、5所示,光谱探测部40包含:收集用凹面镜41、第三高反镜42、整形用凹面镜43、第四高反镜44、第一光斑切割镜组45、第二光斑切割镜组46、离轴抛物面镜47、过滤单元48、光阑49以及光谱分析单元。
收集用凹面镜41用于对基频光和倍频光反射出的探测用光信号进行收集,该探测用光信号包含荧光信号、拉曼信号以及残留的基频光和倍频光。在本实施例中,收集用凹面镜43为大口径凹面镜,用来收集散射的荧光信号和拉曼信号。
整形用凹面镜43设置在收集用凹面镜41与第一光斑切割镜组45之间,第三高反镜42放在电控平移台上,与整形用凹面镜43组合,用来光斑整形。
第一光斑切割镜组45用于将被收集到的探测用光信号切割为复数个条状光斑。
第二光斑切割镜组46用于对切割后得到的条状光斑进行整形。
如图5所示,第一光斑切割镜组45和第二光斑切割镜组46分别由多面小型长条状高反镜组成,各高反镜可独立调节角度,同时各长条状高反镜排布精密。
离轴抛物面镜47用于对整形后的条状光斑进行聚焦,使其更好的入射到光谱分析单元中。
过滤单元48用于从探测用光信号中过滤出荧光信号和拉曼信号。它包含上下对接设置的带通滤波片481和衰减片和482。
带通滤波片481用于滤掉基频光和倍频光,仅让拉曼信号通过。
衰减片482用于使荧光信号衰减,从而让荧光信号通过。
光谱分析单元用于根据拉曼信号得到分子结构信息并根据荧光信号得到元素组成信息。它包含光谱仪501和增强电荷耦合器件(ICCD)502。
光谱仪501用于对拉曼信号和荧光信号中的光束进行分散处理。
增强电荷耦合器件502用于对分散处理后的光束进行成像以得到特征光谱,并进一步得到块状待测物200的分子结构信息和组成元素信息。
如图4所示,由块状待测物200散射回来的荧光信号和拉曼信号,被收集用凹面镜41探测,经位置可移动的第三高反镜42和整形用凹面镜43的光斑整形组合,优化荧光和拉曼光发散角度。并经第四高反镜44反射到第一光斑切割镜组45和第二光斑切割镜组46上。
如图5所示,第一光斑切割镜组45和第二光斑切割镜组46将第四高反镜44上的圆形/椭圆形光斑,分割成多道光斑,多道光斑被反射到离轴抛物面镜47表面,形成长条状光斑,长条状光斑最终进入光谱仪501狭缝。该设计可充分利用增强电荷耦合器件(ICCD)502探测表面,可将信号强度提升一个数量级。
以上则实现了荧光拉曼信号同时探测的功能。
实施例的作用与效果
根据本实施例所涉及的荧光拉曼同步块状物探测装置,因为非线性倍频晶体能够使激光器产生的激光光束转换为基频光和倍频光,该基频光和倍频光被分束片分束后,基频光经由第一阔束用凹面镜进行阔束后再通过第一聚焦用凸透镜被聚焦到块状待测物上,从而使得块状待测物的表层被剥离从而形成复数个小颗粒物,倍频光经由第二阔束用凹面镜进行阔束后再通过第二聚焦用凸透镜被聚焦到小颗粒物上,基频光和倍频光反射出的包含荧光信号和拉曼信号的探测用光信号被收集用凹面镜进行收集,收集到的探测用光信号经由第一光斑切割镜组和第二光斑切割镜组进行切割和整形后得到复数个条状光斑,由该复数个条状光斑中能够过滤出荧光信号和拉曼信号,最后经过光谱分析即可得到块状待测物的分子结构信息和元素组成信息,所以,本实施例的荧光拉曼同步块状物探测装置能够同时探测出块状待测物的元素组成信息和分子结构信息,并且探测精度高。
上述实施方式为本发明的优选案例,并不用来限制本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种荧光拉曼同步块状物探测装置,用于同时探测出块状待测物的元素组成信息和分子结构信息,其特征在于,包括:
光源生成部,包含:用于产生激光光束的激光器、设置在所述激光光束的光路上用于使所述激光光束转换为基频光和倍频光的非线性倍频晶体、以及用于对所述基频光和所述倍频光进行分束的分束片;
荧光激发部,设置在所述基频光的光路上,包含:用于对所述基频光进行阔束的第一阔束用凹面镜、以及将阔束后的所述基频光聚焦到所述块状待测物上使得所述块状待测物的表层被剥离从而形成复数个小颗粒物的第一聚焦用凸透镜;
拉曼激发部,设置在所述倍频光的光路上,包含:用于对所述倍频光进行阔束的第二阔束用凹面镜、以及将阔束后的所述倍频光聚焦到所述小颗粒物上的第二聚焦用凸透镜;以及
光谱探测部,包含:对所述基频光和所述倍频光反射出的包含荧光信号和拉曼信号的探测用光信号进行收集的收集用凹面镜、将收集到的所述探测用光信号切割为复数个条状光斑的第一光斑切割镜组、对切割后得到的所述条状光斑进行整形的第二光斑切割镜组、对整形后的所述条状光斑进行聚焦的离轴抛物面镜、用于过滤出所述荧光信号和所述拉曼信号的过滤单元、根据所述拉曼信号得到所述分子结构信息并根据所述荧光信号得到所述元素组成信息的光谱分析单元。
2.根据权利要求1所述的荧光拉曼同步块状物探测装置,其特征在于:
其中,所述过滤单元包含:带通滤波片和衰减片,
所述带通滤波片滤掉所述基频光和所述倍频光,仅让所述拉曼信号通过,
所述衰减片使所述荧光信号衰减后通过。
3.根据权利要求1所述的荧光拉曼同步块状物探测装置,其特征在于:
其中,所述光谱分析单元包含:用于对所述拉曼信号和所述荧光信号中的光束进行分散处理的光谱仪、以及对分散处理后的光束进行成像以得到特征光谱并进一步得到所述分子结构信息和所述组成元素信息的增强电荷耦合器件。
4.根据权利要求1所述的荧光拉曼同步块状物探测装置,其特征在于:
其中,所述光源生成部还包含:设置在所述激光器与所述非线性倍频晶体之间的聚焦凸透镜、设置在所述非线性倍频晶体与所述分束片之间的准直凸透镜、以及设置在所述分束片与所述第一阔束用凹面镜之间的生成侧高反镜。
5.根据权利要求4所述的荧光拉曼同步块状物探测装置,其特征在于:
其中,所述荧光激发部还包含:设置在所述基频光的光路上且位于所述生成侧高反镜与所述第一阔束用凹面镜之间的第一光快门和第一高反镜。
6.根据权利要求1所述的荧光拉曼同步块状物探测装置,其特征在于:
其中,所述拉曼激发部还包含:设置在所述倍频光的光路上且位于所述分束片与所述第二阔束用凹面镜之间的第二光快门和第二高反镜。
7.根据权利要求1所述的荧光拉曼同步块状物探测装置,其特征在于:
其中,所述光谱探测部还包含:设置在所述收集用凹面镜与所述第一光斑切割镜组之间的整形用凹面镜。
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