CN106092884A - 一种激光激发光谱探测探头及光谱检测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种激光激发光谱探测探头及使用此探头进行光谱检测的方法，此探头包括：激光器，用于输出长轴方向和短轴方向发散角不一致的激光光束；光路转换装置，设置于激光光束的输出光路上，用于改变入射光的传输路线；聚集采集装置，用于将光路转换装置反射后的光束聚集在放置有样品的焦点处；耦合滤光装置，设置在光路转换装置和光谱仪之间，用于将采集到的光束进行光耦合后将形成的条形光斑聚集在光谱仪的狭缝处。本发明可以提高光谱仪耦合效率，提高系统采集效率；降低器件及仪器的成本，提高系统的容差性能；降低汇聚激光光斑的功率密度，防止热积累和样品灼烧；提高采样范围，更适合对固体混合物样品及稀疏样品的采样。

Description

一种激光激发光谱探测探头及光谱检测方法
技术领域
本发明涉及激光激发光谱检测技术领域，尤其涉及一种激光激发光谱探测探头及光谱检测方法。
背景技术
激光激发光谱探测技术包括拉曼光谱、荧光光谱和等离子体光谱等技术，激光光源作为这些光学现象的激发光源，其性能特点，如功率、发散角、波长、半峰宽等将直接影响相应探测器的综合性能。基于光栅/棱镜的光谱分析仪是目前使用最为广泛的光谱探测设备，其光学结构主要包括：狭缝、准直光学系统、光栅/棱镜、收集光学系统、探测器/探测器阵列；激光器种类繁多，有半导体激光器、固体激光器、光纤激光器等；而激光器输出的激光经过多种处理后多以轴对称的平行光出射并最终汇聚成圆形光斑，最终耦合进光谱仪的激发信号的能量受限于狭缝，如图1所示，大部分的能量均被狭缝阻隔而无法进入后续分析系统，极大的降低的系统的采集效率。
为了达到更高的效率，通常的做法是严格控制激光的发散角，使其以极小的发散角汇聚后达到尽量小的汇聚光斑，这样导致激光器的制造成本提高，极小的汇聚光斑又有能量密度过高易点燃被测样品、采样范围小不利于混合固体测量，而且系统的对焦景深小，系统容差小等问题。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供了一种激光激发光谱探测探头及光谱检测方法。
本发明提供了一种激光激发光谱探测探头，包括：激光器、光路转换装置、聚集采集装置、耦合滤光装置、光谱仪；
所述激光器用于输出长轴方向和短轴方向发散角不一致的激光光束；
所述光路转换装置设置于所述激光器输出激光光束的输出光路上，用于对所述激光光束进行反射；
所述聚集采集装置以垂直于所述光路转换装置反射的激光光束的方式设置于所述光路转换装置的一侧，用于聚集所述光路转换装置反射后的光束；
所述耦合滤光装置以垂直于所述光路转换装置透射的激光光束的方式设置于所述光路转换装置的另一侧，用于将采集到的光束进行光耦合形成的条形光斑聚集在所述光谱仪的狭缝处。
上述激光激发光谱探测探头还具有以下特点：
所述激光器所输出的激光光束经过所述聚集采集装置后汇聚的光斑呈长椭圆形或长条形，并且所述激光器所输出的激光光束的长轴方向与所述光谱仪的狭缝的长边方向相平行。
上述激光激发光谱探测探头还具有以下特点：
所述激光器所输出的激光光束的长轴方向发散角为θ‖，短轴方向发散角为θ⊥，所述聚集采集装置的焦距为f1，所述耦合滤光装置的焦距为f2，所述光谱仪的狭缝的宽度为d，有效长度为L，所述长轴方向发散角θ‖满足θ‖＝arctan(L/f2)，所述短轴方向发散角θ⊥满足θ⊥＝arctan(d/f2)。
上述激光激发光谱探测探头还具有以下特点：
所述探头还包括设置于所述激光器和所述光路转换装置之间的用于滤除杂光的净化滤光装置。
上述激光激发光谱探测探头还具有以下特点：
所述探头还包括：设置于所述光路转换装置和所述耦合滤光装置之间用于滤除瑞丽散射散射光的陷波滤光装置。
上述激光激发光谱探测探头还具有以下特点：
所述光路转换装置为二向色性边缘滤光片、聚集采集装置为聚集采集透镜、耦合滤光装置为耦合滤光透镜。
本发明还提供了使用上述激光激发光谱探测探头进行光谱检测的方法包括：在聚集采集装置的焦点处放置样品；使激光器输出长轴方向和短轴方向发散角不一致的激光光束；光路转换装置将接收到的光束反射到所述聚集采集装置，所述聚集采集装置将所述光路转换装置反射的光束聚集在放置有样品的焦点处，并透射从样品散射回的光束；所述耦合滤光装置将接收到的光束进行光耦合后将形成的条形光斑聚集在所述光谱仪的狭缝处。
上述方法还具有以下特点：
所述使激光器输出长轴方向和短轴方向发散角不一致的激光光束包括：使激光器所输出的激光光束经过所述聚集采集装置后汇聚的光斑呈长椭圆形或长条形，并且所述激光器所输出的激光光束的长轴方向与所述光谱仪的狭缝的长边方向相平行。
上述方法还具有以下特点：
所述使激光器输出长轴方向和短轴方向发散角不一致的激光光束包括：使激光器所输出的激光光束的长轴方向发散角为θ‖，短轴方向发散角为θ⊥，所述聚集采集装置的焦距为f1，所述耦合滤光装置的焦距为f2，所述光谱仪的狭缝的宽度为d，有效长度为L，所述长轴方向发散角θ‖满足θ‖＝arctan(L/f2)，所述短轴方向发散角θ⊥满足θ⊥＝arctan(d/f2)。
上述方法还具有以下特点：
所述方法还包括：在所述激光器和所述光路转换装置之间设置净化滤光装置，通过净化滤光装置对接收到的光束进行滤除杂光的处理；所述方法还包括：在所述光路转换装置和所述耦合滤光装置之间设置的陷波滤光装置，通过陷波滤光装置消除瑞丽散射散射光；
所述光路转换装置(2)为二向色性边缘滤光片、所述聚集采集装置为聚集采集透镜、所述耦合滤光装置为耦合滤光透镜、所述净化滤光装置为净化滤光片、所述陷波滤光装置为陷波滤光片。
本发明采用与狭缝方向平行的非轴对称空间条形光斑输出模式的激光器设计，使激光长轴方向和短轴方向的发散角与狭缝匹配，使汇聚后同样能量的激光能量由圆形区域分布变为条形区域分布，本发明具有以下优点：
1、提高光谱仪耦合效率，提高系统采集效率；
2、降低器件及仪器的成本，提高系统的容差性能；
3、降低汇聚激光光斑的功率密度，防止热积累和样品灼烧；
4、采样范围更大，更适合对固体混合物样品及稀疏样品的采样。
附图说明
图1是现有技术中圆形光斑在光谱仪的狭缝处示意图；
图2是实施例一中激光激发光谱探测探头的结构图；
图3是实施例一中使用激光激发光谱探测探头进行光谱检测的方法的流程图；
图4是实施例一中形成的条形光斑在光谱仪的狭缝处示意图；
图5是实施例二中激光激发光谱探测探头的结构图。
具体实施例
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互任意组合。
实施例一
图2是实施例一中激光激发光谱探测探头的结构图。激光激发光谱探测探头包括：激光器1、光路转换装置2、聚集采集装置3、耦合滤光装置4、光谱仪5。
激光器1用于输出长轴方向和短轴方向发散角不一致的激光光束；此激光器1可以是空间条形光斑输出激光器。
光路转换装置2设置于激光器1输出激光光束的输出光路上，用于对激光光束进行反射；此光路转换装置2可以为二向色性边缘滤光片，反射激光并且透射信号光。
聚集采集装置3以垂直于光路转换装置2反射的激光光束的方式设置于光路转换装置2的一侧，用于聚集光路转换装置2反射后的光束；此聚集采集装置3可以为聚集采集透镜，将激光汇聚至样品处，形成条形汇聚光斑，同时采集样品散射的光信号光并准直成平行光。
耦合滤光装置4以垂直于光路转换装置2透射的激光光束的方式设置于光路转换装置2的另一侧，用于将采集到的光束进行光耦合形成的条形光斑聚集在光谱仪5的狭缝处；此耦合滤光装置4可以为耦合滤光透镜。
激光器1所输出的激光光束经过聚集采集装置2后汇聚的光斑呈长椭圆形或长条形，并且激光器1所输出的激光光束的长轴方向与光谱仪的狭缝的长边方向相平行。并且，激光器1所输出的激光光束的长轴方向发散角为θ‖，短轴方向发散角为θ⊥，聚集采集装置3的焦距为f1，耦合滤光装置4的焦距为f2，光谱仪的狭缝的宽度为d，有效长度为L，长轴方向发散角θ‖满足θ‖＝arctan(L/f2)，短轴方向发散角θ⊥满足θ⊥＝arctan(d/f2)。参考设计光束发散角是按照理论公式推算所得，以条形光斑配置其他参数条件下仍具有本发明所述的部分优势或全部优势。
激光器的波长可以为任何其他半导体激光器常用波长，如为405nm、532nm\808nm\830nm\905nm\976nm\1064nm等，单波长或双波长、多波长也适用。
光谱仪5为常用光谱仪器，前部的狭缝用于收集信号光，后部的光谱分析模块用于进行光谱分析。
图3是使用实施例一中激光激发光谱探测探头进行光谱检测的方法的流程图；此方法包括：
步骤1，在光路转换装置3的焦点处放置样品；
步骤2，使激光器1输出长轴方向和短轴方向发散角不一致的激光光束；
步骤3，光路转换装置2将接收到的光束反射到聚集采集装置3，聚集采集装置3将光路转换装置2反射后的光束聚集在放置有样品的焦点处，并透射从样品散射回的光束；
步骤4，耦合滤光装置4将接收到的光束进行光耦合后将形成的条形光斑聚集在光谱仪5的狭缝处。
此方法中，步骤1中使激光器输出长轴方向和短轴方向发散角不一致的激光光束包括：使激光器1所输出的激光光束经过聚集采集装置3后汇聚的光斑呈长椭圆形或长条形，并且激光器所输出的激光光束的长轴方向与光谱仪的狭缝的长边方向相平行。
使激光器输出长轴方向和短轴方向发散角不一致的激光光束的方法包括：使激光器所输出的激光光束的长轴方向发散角为θ‖，短轴方向发散角为θ⊥，聚集采集装置的焦距为f1，耦合滤光装置的焦距为f2，光谱仪的狭缝的宽度为d，有效长度为L，长轴方向发散角θ‖满足θ‖＝arctan(L/f2)，短轴方向发散角θ⊥满足θ⊥＝arctan(d/f2)。
图4是实施例一中形成的条形光斑在光谱仪的狭缝处示意图。
实施例二
图5是实施例二中激光激发光谱探测探头的结构图。为提高激光激发光谱探测探头的精度，与实施例一相比，实施例二中的激光激发光谱探测探头还包括设置于激光器和光路转换装置之间的净化滤光装置(例如激光净化滤光片，用于净化激光波长成分，滤除杂光干扰)，和/或，设置于光路转换装置和耦合滤光装置之间的陷波滤光装置(例如陷波滤光片，用于阻隔采集回来的瑞丽散射散射光，用于消除干扰波段的杂散光信号)。
使用实施例二中激光激发光谱探测探头进行光谱检测的方法与使用实施例一中激光激发光谱探测探头进行光谱检测的方法相比，还包括以下执行步骤：在激光器和光路转换装置之间设置净化滤光装置，通过净化滤光装置(例如采用激光净化滤光片)对接收到的光束进行滤除杂光的处理；在光路转换装置和耦合滤光装置之间设置的陷波滤光装置(例如为陷波滤光片)，通过陷波滤光装置对接收到的光束进行滤除杂光的处理。
通常光谱仪的狭缝的有效长度L为1000至3000um,宽度d为10至1000um不等，呈细长条结构。关于探测探头的各组件的具体参数的实例如下：1.激光器输出的激光的波长为785nm，θ‖＝2.8°，θ⊥＝0.14°；2.激光净化滤光片的吸光度不低于2，半高宽FWHM≤10nm；3.二向色性边缘滤光片的信号光透过率≥90％，45度角激光反射率≥90％；4.聚焦采集透镜的焦距f1为15mm；6.陷波滤光片的吸光度大于或等于6；7.耦合透镜的焦距f2为20mm；8.光谱仪的狭缝的宽度为50um,长度为5mm，有效长度L为1000um。
本发明中激光器输出的光束不作特殊的光束整形，在平行和垂直于截面的两个方向有不同的发散角，利用这一特性与本发明的发散角要求匹配，并且使激光器射出的光束的长轴方向和短轴方向与狭缝方向匹配，使汇聚后同样能量的激光能量由圆形区域分布变为条形区域分布，能提高光信号的耦合效率，从而提高系统的采集效率，降低器件及仪器的成本，提高系统的容差性能，降低汇聚激光光斑的功率密度，防止热积累和样品灼烧，增大采样范围，更适合对固体混合物样品及稀疏样品的采样，特别适合于信号微弱的激光激发拉曼、荧光和等离子体光谱的采集。
上面描述的内容可以单独地或者以各种方式组合起来实施，而这些变型方式都在本发明的保护范围之内。
需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的物品或者设备中还存在另外的相同要素。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，仅仅参照较佳实施例对本发明进行了详细说明。本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种激光激发光谱探测探头，其特征在于，包括：激光器(1)、光路转换装置(2)、聚集采集装置(3)、耦合滤光装置(4)、光谱仪(5)；
所述激光器(1)用于输出长轴方向和短轴方向发散角不一致的激光光束；
所述光路转换装置(2)设置于所述激光器(1)输出激光光束的输出光路上，用于对所述激光光束进行反射；
所述聚集采集装置(3)以垂直于所述光路转换装置(2)反射的激光光束的方式设置于所述光路转换装置(2)的一侧，用于聚集所述光路转换装置(2)反射后的光束；
所述耦合滤光装置(4)以垂直于所述光路转换装置(2)透射的激光光束的方式设置于所述光路转换装置(2)的另一侧，用于将采集到的光束进行光耦合形成的条形光斑聚集在所述光谱仪(5)的狭缝处。
2.如权利要求1所述的激光激发光谱探测探头，其特征在于，
所述激光器(1)所输出的激光光束经过所述聚集采集装置(2)后汇聚的光斑呈长椭圆形或长条形，并且所述激光器(1)所输出的激光光束的长轴方向与所述光谱仪(1)的狭缝的长边方向相平行。
3.如权利要求2所述的激光激发光谱探测探头，其特征在于，
所述激光器(1)所输出的激光光束的长轴方向发散角为θ‖，短轴方向发散角为θ⊥，所述耦合滤光装置(4)的焦距为f2，所述光谱仪(5)的狭缝的宽度为d，有效长度为L，所述长轴方向发散角θ‖满足θ‖＝arctan(L/f2)，所述短轴方向发散角θ⊥满足θ⊥＝arctan(d/f2)。
4.如权利要求1所述的激光激发光谱探测探头，其特征在于，所述探头还包括设置于所述激光器(1)和所述光路转换装置(2)之间的用于滤除杂光的净化滤光装置。
5.如权利要求1所述的激光激发光谱探测探头，其特征在于，所述探头还包括：设置于所述光路转换装置(2)和所述耦合滤光装置(4)之间用于滤除瑞丽散射散射光的陷波滤光装置。
6.如权利要求1所述的激光激发光谱探测探头，其特征在于，所述光路转换装置(2)为二向色性边缘滤光片、聚集采集装置(3)为聚集采集透镜、耦合滤光装置(4)为耦合滤光透镜。
7.使用权利要求1至6中任一激光激发光谱探测探头进行光谱检测的方法，其特征在于，包括：
在聚集采集装置(3)的焦点处放置样品；
使激光器(1)输出长轴方向和短轴方向发散角不一致的激光光束；
光路转换装置(2)将接收到的光束反射到所述聚集采集装置(3)，所述聚集采集装置(3)将所述光路转换装置(2)反射的光束聚集在放置有样品的焦点处，并透射从样品散射回的光束；
所述耦合滤光装置(4)将接收到的光束进行光耦合后将形成的条形光斑聚集在所述光谱仪(5)的狭缝处。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，
所述使激光器(1)输出长轴方向和短轴方向发散角不一致的激光光束包括：使激光器(1)所输出的激光光束经过所述聚集采集装置(2)后汇聚的光斑呈长椭圆形或长条形，并且所述激光器(1)所输出的激光光束的长轴方向与所述光谱仪(1)的狭缝的长边方向相平行。
9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，
所述使激光器(1)输出长轴方向和短轴方向发散角不一致的激光光束包括：使激光器(1)所输出的激光光束的长轴方向发散角为θ‖，短轴方向发散角为θ⊥，所述耦合滤光装置(4)的焦距为f2，所述光谱仪(5)的狭缝的宽度为d，有效长度为L，所述长轴方向发散角θ‖满足θ‖＝arctan(L/f2)，所述短轴方向发散角θ⊥满足θ⊥＝arctan(d/f2)。
10.如权利要求7所述的方法，其特征在于，
所述方法还包括：在所述激光器(1)和所述光路转换装置(2)之间设置净化滤光装置，通过净化滤光装置对接收到的光束进行滤除杂光的处理；所述方法还包括：在所述光路转换装置(2)和所述耦合滤光装置(4)之间设置的陷波滤光装置，通过陷波滤光装置消除瑞丽散射散射光；
所述光路转换装置(2)为二向色性边缘滤光片、所述聚集采集装置(3)为聚集采集透镜、所述耦合滤光装置(4)为耦合滤光透镜、所述净化滤光装置为净化滤光片、所述陷波滤光装置为陷波滤光片。
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