CN105675581B - 一种自由空间气体拉曼散射收集装置 - Google Patents

一种自由空间气体拉曼散射收集装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种自由空间气体拉曼散射收集装置，包括两旋转抛物面反射镜和腔体工件。旋转抛物面反射镜为抛光的高反射镜面，两抛物面反射镜光轴共线，焦点重合。一旋转抛物面镜为完整圆形抛物面镜，上设有激光入射窗口。另一旋转抛物面镜只保留中心细条形的一小部分，其余部分挖空，作为拉曼散射光收集窗口。两抛物面镜与腔体工件构成作为样品池的封闭空间，在腔体工件上设有对样品池内被测气体进行快速更换的进气口和出气口。本发明装置结构简洁，样品池容积小，适用于对少量样气分析。装置收集到的拉曼散射信号为一平行光束，可用透镜聚焦耦合进入光纤并传导至光谱分析仪作光谱分析，也可用包含直接耦合镜头的大口径成像光谱仪进行光谱分析。

Description

一种自由空间气体拉曼散射收集装置
技术领域
本发明属于拉曼光谱技术领域，具体是一种采用两抛物面反射镜构成光共振腔作为自由空间气体的自由空间气体拉曼散射收集装置，该装置尤其适用于微量气体成分检测。
背景技术
拉曼散射是一种光子的非弹性散射，光波在被散射后频率发生变化，频率变化决定于散射物质的特性，因此拉曼散射在物质成分分析等方面具有广泛的应用。由于气体的碰撞截面通常较小，因此气体拉曼散射信号强度通常非常弱，入射106～1010个光子，可能有一个光子发生拉曼散射，因此气体拉曼散射光信号的收集方法极为重要。
1994年，Albion Instruments公司的Mitchell等人(US Patent5521703)采用具有高反壁的空心光纤作为拉曼散射收集装置，该装置通过将半导体激光束耦合进空心光纤一端，并在空心光纤内来回反射，相应的拉曼散射光也约束在空心光纤内，并在空心光纤的另一端对拉曼散射信号进行收集。采用空心光纤约束拉曼散射信号的方法能够显著改善拉曼散射信号收集系统，但由于毛细管玻璃壁产生的拉曼散射及/或荧光(以下简称“拉曼荧光”)噪声会进入毛细管的空心区域，不可避免地形成一个连续的背景散射光谱，玻璃中氧化硅的拉曼散射截面或荧光截面远大于气体的散射截面，因此毛细管的玻璃壁会带来很宽的连续背景噪声谱，降低系统的灵敏率。虽然后续研究人员采用空间滤波的方法来对拉曼散射光进行过滤，但是同时也使装置更加复杂，不利于实际应用。
2015年华中科技大学的左都罗等人，开发了一种应用于微量气体成分检测的拉曼散射收集装置(公开号CN104614362A，公开日期2015年5月13日)，该装置利用抛物面镜和平面镜组合作为拉曼散射的收集装置，激光束平行于抛物面镜光轴入射，聚焦后入射到另一侧抛物面，然后平行光轴出射，出射时遇到垂直布置的平面镜，然后又原路反射回激光器。激光束两次聚焦以提高信号散射强度，同时激光束没有穿透材质，装置自身的背景噪声低，但是因激光束又被反射回激光器，这将大大降低激光器的使用寿命，同时反射回来的激光束有一小部分会直接进入到拉曼散射光收集光路，系统会存在一较大的固定背景噪声。
发明内容
本发明提供一种自由空间气体拉曼散射收集装置，其目的在于增强气体拉曼散射收集能力，降低背景噪声，方便操作，并且能在工业现场和户外使用。
本发明是采用如下技术方案
一种自由空间气体拉曼散射收集装置，其特征在于，包括：
腔体工件：为一个具有空腔的本体，该空腔为样品池，用于供气体进出和激光光路多次反射，该本体两端开口，且侧壁设有与空腔连通的进气口和出气口；
第一抛物面反射镜：与本体空腔的一端固定，且位于本体空腔内的端面为抛光的凹面高反射镜面，另一端面开有激光入射至空腔内的激光入射窗口；
第二抛物面反射镜：与本体空腔的另一端固定，且位于本体空腔内的端面为抛光的凹面高反射镜面，且该凹面高反射镜面光轴与第一抛物面反射镜的光轴共线，并且两焦点重合；以第二抛物面反射镜的凹面高反射镜面的镜面中心分别向上和向下延伸的镜面保留，并至少一侧挖空，且保留的镜面的径向水平宽度为a；挖空部分供收集拉曼散射光；
激光入射窗口玻璃和拉曼散射光收集窗口玻璃：分别设置在激光入射窗口和第二抛物面反射镜的挖空部分，用于将收集装置内部空间与空气隔断，同时又构成探测激光的入射通道和产生的拉曼散射光输出通道。窗口玻璃选用一种标准精度材质的平面玻璃，可为石英玻璃或K9玻璃；为提高光透过率，可根据实际测量时拉曼散射光波长范围在窗口玻璃表面镀上相应波段的增透膜。
两抛物面镜与腔体工件构成样品池的封闭空间。
在上述的一种自由空间气体拉曼散射收集装置，以第二抛物面反射镜的凹面高反射镜面的镜面中心分别向上和向下延伸的镜面保留，并保留镜面的两侧全部挖空，且保留的镜面的径向水平宽度为a；挖空部分供收集拉曼散射光。
在上述的一种自由空间气体拉曼散射收集装置，所述的第一抛物面反射镜和第二抛物面反射镜的焦距不等，共焦布置实现光共振。
在上述的一种自由空间气体拉曼散射收集装置，所述进出气口径为1-3mm。
在上述的一种自由空间气体拉曼散射收集装置，所述的两抛面镜的口径为1.5～2倍的焦距大小；第一抛物面反射镜的焦距F1，第二抛物面反射镜的焦距F2，数值上二者满足F2/F1＝1.1～1.2，且F2-F1＝1～4mm；第一抛物面反射镜的宽度a应不小于激光器发出的光束直径φc；第一抛物面反射镜上的激光入射孔中心到抛面镜光轴的距离d，与完整抛面镜的口径φD1,数值上满足大小关系：
本发明装置结构简洁，样品池容积小，适用于对少量样气作分析。装置收集到的拉曼散射信号为一平行光束，可用透镜聚焦耦合进入光纤并传导至光谱分析仪作光谱分析，也可用包含直接耦合镜头的大口径成像光谱仪进行光谱分析。
附图说明
图1是本发明的拉曼散射收集装置的系统示意图。
图2是本发明拉曼散射收集装置的完整旋转抛物面反射镜中心轴线方向的观察示意图。
图3是本发明拉曼散射收集装置的完整旋转抛物面反射镜的剖视图。
图4是本发明拉曼散射收集装置的条形抛物面反射镜的三维模型图。
图5a是本发明拉曼散射收集装置的装配体主视结构示意图。
图5b是图5a的A-A剖视结构示意图。
图6是本发明装置对空气拉曼信号进行测量的结果。
图7是左都罗等人发明的气体拉曼散射装置(公开号CN104614362A，公开日期2015年5月13日)对空气拉曼信号进行测量的结果。
具体实施方式
本发明提供的拉曼散射收集装置，主要由一完整旋转抛物面反射镜，一细条形旋转抛物面反射镜和腔体工件构成；两抛物面反射镜均为高反射镜面，对探测激光和拉曼散射光均有很高的反射率；完整抛物面反射镜，条形抛物面反射镜及腔体工件组成区间作为本发明拉曼散射收集装置的样品池，腔体工件上设有进气口和出气口，用于对样品池内的气体进行快速更换；两抛物面镜共光轴，焦点重合，条形抛物面反射镜是完整旋转抛物面反射镜去除两边材质加工而成，去掉部分形成的窗口用于拉曼散射光的收集。
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明。在此需要说明的是，对于这些实施方式的说明用于帮助理解本发明，但并不构成对本发明的限定。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
本发明的一实施例如图1所示，拉曼散射收集装置主要由完整旋转抛物面反射镜102、条形抛面镜103、腔体工件108等构成。
两抛物面镜光轴重合104、106，共焦布置105；激光束101平行于光轴入射到条形抛面镜103，光束汇聚后经过焦点F105入射到第一抛物面反射镜102，发射的激光束又变成平行光平行于光轴出射；第二抛物面反射镜103的焦距02F大于完整抛物面,102的焦距O1F，激光束依次被条形抛面镜103和完整抛面镜102反射一次后，光束直径变小，光束距光轴距离变小，光束能量变小；经过完整抛面镜102射出的激光束，又是平行于条形抛面镜103的光轴入射，会重复上一轮的循环。激光束会在两抛面镜间来回反射，光束越来越细并无限靠近于抛面镜光轴，直至能量衰减至无。
本发明实施时，所述的两抛面镜的口径一般为1.5～2倍的焦距大小；完整抛面镜的焦距F1，条形抛面镜的焦距F2，数值上二者一般满足F2/F1＝1.1～1.2，且F2-F1＝1～4mm(优选2mm)；第二抛物面反射镜103的宽度a应不小于激光器发出的光束直径φc；完整抛面镜102上的激光入射孔中心到抛面镜光轴的距离d，与完整抛面镜的口径φD1,数值上满足大小关系：优选18°。
本发明实施时，为了进一步降低系统背景噪声，可在拉曼散射光收集窗口后增加线偏振片和滤波片作为优化；拉曼散射光的偏振方向与探测激光偏振方向一致，增加线偏振片可降低背景杂散光的影响；待分析样气的拉曼散射光波长范围区间一定，增加特定波长范围的滤波片，过滤掉其它波段拉曼光，降低背景噪声和无关光谱的影响。
以下结合探测激光束101为功率200mW波长532nm激光，拉曼散射光收集窗口后增加一长通滤波片，波长大于532nm的拉曼散射光可以透过，收集到的拉曼散射光用凸透镜耦合进光纤，传导至光谱分析仪作频谱分析。如图6所示为本发明装置对空气拉曼散射进行测量的结果，积分时间为3s。从图6中可以清楚的看到空气中N2、O2和水蒸气H2O的特征谱线。
为了验证本发明的性能水平，以华中科技大学的左都罗等人开发的拉曼散射收集装置(公开号CN104614362A，公开日期2015年5月13日)进行了对比实验。同样以200mW波长532nm激光作为探测激光，以相同凸透镜、光纤及光谱分析仪对空气拉曼散射进行测量，得到空气的拉曼谱图如图7所示，积分时间为3s。从图6和图7的对比可以看出，本发明在信号强度及背景噪声等方面均优于左都罗等人发明的收集装置。
本发明通过采用两块共焦的抛物面镜使光束来回反射来增大拉曼散射光强度；探测激光最后在装置中会衰减至无而不会出射，源头上即实现强探测激光与弱拉曼散射光分离；具有结构紧凑小巧，背景噪声低等优点。
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (4)

1.一种自由空间气体拉曼散射收集装置，其特征在于，包括：
腔体工件：为一个具有空腔的本体，该空腔为样品池，用于供气体进出和激光光路多次反射，该本体两端开口，且侧壁设有与空腔连通的进气口和出气口；
第一抛物面反射镜：与本体空腔的一端固定，且位于本体空腔内的端面为抛光的凹面高反射镜面，另一端面开有激光入射至空腔内的激光入射窗口；
第二抛物面反射镜：与本体空腔的另一端固定，且位于本体空腔内的端面为抛光的凹面高反射镜面，且该凹面高反射镜面光轴与第一抛物面反射镜的光轴共线，并且两焦点重合；以第二抛物面反射镜的凹面高反射镜面的镜面中心分别向上和向下延伸的镜面保留，并至少一侧挖空，且保留的镜面的径向水平宽度为a；挖空部分供收集拉曼散射光；
激光入射窗口玻璃和拉曼散射光收集窗口玻璃：分别设置在激光入射窗口和第二抛物面反射镜的挖空部分，用于将收集装置内部空间与空气隔断，同时又构成探测激光的入射通道和产生的拉曼散射光输出通道；窗口玻璃选用一种标准精度材质的平面玻璃，为石英玻璃或K9玻璃；为提高光透过率，根据实际测量时拉曼散射光波长范围在窗口玻璃表面镀上相应波段的增透膜；
两抛物面镜与腔体工件构成样品池的封闭空间；
所述的两个抛物面反射镜的口径为1.5～2倍的焦距大小；第一抛物面反射镜的焦距F1，第二抛物面反射镜的焦距F2，数值上二者满足F2/F1＝1.1～1.2，且F2-F1＝1～4mm；第二抛物面反射镜的径向水平宽度a应不小于激光器发出的光束直径第一抛物面反射镜上的激光入射孔中心到抛面镜光轴的距离d，与完整抛面镜的口径D1,数值上满足大小关系：
2.根据权利要求1所述的一种自由空间气体拉曼散射收集装置，其特征在于，以第二抛物面反射镜的凹面高反射镜面的镜面中心分别向上和向下延伸的镜面保留，并保留镜面的两侧全部挖空，且保留的镜面的径向水平宽度为a；挖空部分供收集拉曼散射光。
3.根据权利要求1所述的一种自由空间气体拉曼散射收集装置，其特征在于，所述的第一抛物面反射镜和第二抛物面反射镜的焦距不等，共焦布置实现光共振。
4.根据权利要求1所述的一种自由空间气体拉曼散射收集装置，其特征在于，进气口口径和出气口口径均为1-3mm。
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