CN106198490B - 一种空间偏移拉曼光谱探测系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种空间偏移拉曼光谱探测系统，其包括激光器、扩束装置、信号收集装置、带通滤波装置、聚焦装置、光谱仪和锥透镜环式激光辐照装置，锥透镜环式激光辐照装置包括共轴平行放置的第一平凸锥透镜和第二平凸锥透镜，第一平凸锥透镜和第二平凸锥透镜的折射率相同，第一平凸锥透镜的锥面和第二平凸锥透镜的锥面方向相同，第一平凸锥透镜的底角小于第二平凸锥透镜的底角，第一平凸锥透镜和第二平凸锥透镜的底角均小于5°，与现有技术比较，本发明解决了现有技术中需要通过反复移入、移出锥透镜以实现0偏移量的弊端，避免了由于重复定位引起的辐照不均匀性。仅通过一维方向上的平移，即可实现空间偏移量从0开始的连续可调。

Description

一种空间偏移拉曼光谱探测系统

技术领域

本发明涉及物质内部成分探测设备领域，具体涉及一种空间偏移拉曼光谱探测系统。

背景技术

空间偏移拉曼光谱技术(SORS)是近年来出现的一种新型光谱测量技术，与传统拉曼光谱技术相比，其光谱收集系统中收集透镜的焦点与入射激光的焦点在空间上有一定距离的偏移。由于激光入射到被测样品上(漫散射介质)，样品内部的激光强度会随入射深度增加而指数型衰减，所产生的一部分散射光将到达样品深层成分，经多次散射后再返回样品表面。因此，在样品表面上，散射光返回的位置与激发光入射点处产生了不同程度的偏移。如果在某偏移位置处对散射光进行收集，即可得到携带被测物质内部成份结构信息的拉曼光。SORS技术中，拉曼信号激发-收集结构的特殊性，使其具有很好的抑制表层成份拉曼和荧光光谱的能力，特别适用于对非透明材料下亚层成分拉曼光谱的提取，进而实现物质成份的快速、无损鉴定。目前已用于粉末、胶体、聚合体及药品检测、文化遗产鉴定、疾病诊断、违禁品安检等方面的研究及应用中，应用前景极为广阔。

实际应用中，SORS技术需解决的关键问题是提高探测灵敏度，即增大探测深度和提高测量信号的信噪比，而所采用的激光辐照方式决定了其施加到待测样品上激光功率的大小，进而影响到激光与样品的作用深度、激发出拉曼信号的强度及其信噪比。美国的M.V.Schulmerich采用锥透镜和透镜组合式辐照结构，克服了SORS技术研究初期采用的点式辐照结构中激光能量不足的弊端，增强了施加到待测样品上的激光功率，使收集到的拉曼信号增强；英国卢瑟福·阿普林顿实验室的辐照结构更为简化，其光学元件仅为一片锥透镜。上述二者均实现了二维空间上偏移量从0开始的连续可调，但仍存在一定不足：a)非0空间偏移量的改变通过锥透镜在光路方向上的移动来实现，而对0偏移量的光谱进行测量时，需将光学元件(组合)从光路中移出。这样反复移入和移出，容易引起平移台重复定位的差异，增加了系统的不稳定性；b)二者均采用二维高精度平移台，从经济方面来讲，费用偏高。

鉴于上述缺陷，本发明创作者经过长时间的研究和实践终于获得了本发明。

发明内容

为解决上述技术缺陷，本发明采用的技术方案在于，提供一种空间偏移拉曼光谱探测系统，其包括激光器、扩束装置、信号收集装置、带通滤波装置、聚焦装置、光谱仪和锥透镜环式激光辐照装置，所述激光器发出的激光经所述扩束装置射入所述锥透镜环式激光辐照装置后产生环形辐照光源，所述环形辐照光源照射待测样品，所述信号收集装置在所述环形辐照光源的中心处进行信号光的收集，再经过所述带通滤波装置消除信号光以外的各类杂散信号后，通过所述聚焦装置聚焦到所述光谱仪进行光谱分析，所述锥透镜环式激光辐照装置包括：共轴平行放置的第一平凸锥透镜和第二平凸锥透镜，所述第一平凸锥透镜和所述第二平凸锥透镜的折射率相同，所述第一平凸锥透镜的锥面和所述第二平凸锥透镜的锥面方向相同，所述第一平凸锥透镜的底角小于所述第二平凸锥透镜的底角，所述第一平凸锥透镜和第二平凸锥透镜的底角均小于5°。

较佳的，当所述第一平凸锥透镜和所述第二平凸锥透镜之间的距离为d₁时，所述锥透镜环式激光辐照装置的产生的0偏移量辐照点距离所述第二平凸锥透镜的距离d₂满足公式：

其中，n为第一平凸锥透镜和第二平凸锥透镜的折射率，θ₁为第一平凸锥透镜的底角，θ₂为第二平凸锥透镜的底角，r₀为经过扩束后的激光光束半径，b为第二平凸锥透镜的底宽，a为第二平凸锥透镜的半径，0°＜θ₁＜θ₂＜5°。

较佳的，当所述第一平凸锥透镜和第二平凸锥透镜之间的距离d₁固定不变时，改变0偏移量辐照点与第二平凸锥透镜的距离d₂，即可得到连续变化的环形辐照光源，该环形辐照光源的内径r₂满足公式：

r₂＝(d₂-d)·cot(n-1)(θ₂-θ₁)

其中，d为环形辐照光源与第二平凸锥透镜之间的距离。

较佳的，其还包括一维移动平台，所述一维移动平台用于改变所述锥透镜环式激光辐照装置与所述待测样品之间的距离。

较佳的，其还包括计算机，所述计算机与所述光谱仪连接。

现有技术比较本发明的有益效果在于：本发明提供的一种空间偏移拉曼光谱探测系统解决了现有技术中需要通过反复移入、移出锥透镜以实现0偏移量的弊端，避免了由于重复定位引起的辐照不均匀性。仅通过一维方向上的平移，即可实现空间偏移量从0开始的连续可调，不仅降低了辐照装置的复杂性，同时提高了其稳定性，经济可行。

附图说明

为了更清楚地说明本发明各实施例中的技术方案,下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍。

图1为本发明提供的一种空间偏移拉曼光谱探测系统的原理图；

图2为锥透镜环式激光辐照装置的结构示意图；

图3为经过扩束后的激光光束照射在锥透镜环式激光辐照装置后的光路原理图。

具体实施方式

以下结合附图，对本发明上述的和另外的技术特征和优点作更详细的说明。

如图1所示，为本发明的一种空间偏移拉曼光谱探测系统的原理图，该探测系统主要针对危险品特别是液体爆炸物进行测量，如TNT等爆炸物酸钠、氯化铵、黑火药、二甲苯、双氧水和酒精等普遍含有硝基、氨基、苯环等基团的违禁物品进行检测。该探测装置包括：激光器101、扩束装置102、锥透镜环式激光辐照装置103、信号收集装置104、带通滤波装置105、聚焦装置106、光谱仪107、计算机108和一维移动平台1010。锥透镜环式激光辐照装置103包括：共轴平行放置的第一平凸锥透镜和第二平凸锥透镜。该第一平凸锥透镜和第二平凸锥透镜的折射率相同，第一平凸锥透镜的锥面和第二平凸锥透镜的锥面方向相同，第一平凸锥透镜的底角小于第二平凸锥透镜的底角，第一平凸锥透镜和第二平凸锥透镜的底角均小于5°。

激光器101发出的激光射入扩束装置102，经扩束装置102进行扩束准直后形成激光光束，激光光束沿着两个平凸锥透镜的光轴方向入射到第一平凸锥透镜的平面，经过锥透镜环式激光辐照装置103后形成环形辐照光源，将该环形辐照光源射向样品池109中的待测样品，通过一维移动平台1010改变锥透镜环式激光辐照装置103与待测样品之间的距离，实现环形辐照光源内径的连续可变调节。通过信号收集装置104在环形辐照光源的中心处进行信号光的收集，再经过带通滤波装置105消除信号光以外的各类杂散信号后，通过聚焦装置106聚焦到光谱仪107的探头上，通过计算机进行光谱分析。当环形辐照光源内径改变时，激发点与收集点间的相对距离发生变化，即实现了空间偏移拉曼光谱的探测。

如图2所示，图2为锥透镜环式激光辐照装置的结构示意图，该锥透镜环式激光辐照装置包括：共轴平行放置的第一平凸锥透镜1和第二平凸锥透镜2，该第一平凸锥透镜1和第二平凸锥透镜2的折射率相同，第一平凸锥透镜1的锥面和第二平凸锥透镜2的锥面方向相同，第一平凸锥透镜1的底角小于第二平凸锥透镜2的底角，第一平凸锥透镜1和第二平凸锥透镜2的底角均小于5°。当经过扩束后的激光沿上述两个平凸锥透镜的光轴方向入射到第一平凸锥透镜1的平面后，该新型锥透镜环式激光辐照装置就能够产生环形辐照光源。

当第一平凸锥透镜1和第二平凸锥透镜2之间的距离为d₁时，该新型锥透镜环式激光辐照装置产生的0偏移量辐照点距离第二平凸锥透镜2的距离d₂满足公式(1)：

其中，n为第一平凸锥透镜1和第二平凸锥透镜2的折射率，θ₁为第一平凸锥透镜1的底角，θ₂为第二平凸锥透镜2的底角，r₀为经过扩束后的激光光束半径，b为第二平凸锥透镜2的底宽，a为第二平凸锥透镜2的半径，0°＜θ₁＜θ₂＜5°。

当第一平凸锥透镜1和第二平凸锥透镜2之间的距离d₁固定不变时，改变0偏移量辐照点与第二平凸锥透镜2的距离d₂，即可得到连续变化的环形辐照光源，该环形辐照光源的内径r₂满足公式(2)：

r₂＝(d₂-d)·cot(n-1)(θ₂-θ₁) (2)

其中，d为环形辐照光源与第二平凸锥透镜2之间的距离。

下面介绍如何获取上述公式的过程，如图3所示，为经过扩束后的激光光束照射在该锥透镜环式激光辐照装置后的光路原理图，

设光束入射到第一平凸锥透镜1的入射角为α，入射光线与折射光线夹角为β，折射角为γ，由折射定律可得：

α＝θ₁，γ＝α+β (3)

n·sinα＝1·sinγ＝1·sin(α+β) (4)

由于第一平凸锥透镜1的底角θ₁小于5°，(4)式可等价为：

n·α＝α+β (5)

即：β＝(n-1)α＝(n-1)θ₁ (6)

图3中令第一平凸锥透镜1的顶点与光束在光轴OO′上交点间距离AB＝d₀，两锥透镜之间距离AQ＝d₁，光束在第二平凸锥透镜2上形成的圆环内径为r₁，可以得到：

r₁＝(d₁-d₀)·tanβ＝(d₁-d₀)·tan[(n-1)α]＝d₁·tan[(n-1)θ₁]-r₀ (8)

设第二平凸锥透镜2中一次折射的入射角为β，折射角为β₁，二次折射的入射角为β₂，折射角为γ₂，由折射定律可得：

1·sinβ＝n·sinβ₁ (9)

n·sinβ₂＝1·sinγ₂ (10)

由于第二平凸锥透镜2的底角θ₂小于5°，公式(9)和(10)可分别等价为：

β＝nβ₁，nβ₂＝γ₂ (11)

由几何关系可知：β₁+β₂＝θ₂ (12)

由公式(11)和(12)可得到：

γ₂＝nβ₂＝n(θ₂-β₁)＝nθ₂-β (13)

当γ₂＝θ₂时，折射光线与光轴平行，此时满足：

γ₂＝nθ₂-β＝θ₂ (14)

可以得出：β＝(n-1)θ₂ (15)

即：θ₂＝α＝θ₁ (16)

由此可得，当两锥透镜底角满足0°＜θ₁＜θ₂＜5°的关系时，出射光线可相交于光轴上一点，在该点处即可实现0偏移量辐照。

设第二平凸锥透镜2中顶点为D，半径为a，底宽为b，出射光束与光轴交点为E，与第二平凸锥透镜2前表面交点为F，过F向光轴做垂线GF，γ₃为GF与EF的夹角，令DE＝d₂，由几何关系可得：

GF＝r₁+CF·sinβ₁ (18)

GD＝GF·tanθ₂ (19)

d₂＝DE＝GE-GD＝GF(tanγ₃-tanθ₂) (20)

延长入射光线的法线与第二平凸锥透镜2前表面交于M，由几何关系可得：

CM＝b+a·tanθ₂-r₁·tanθ₂ (21)

整理可以得到：

将γ₂＝nθ₂-β，β＝(n-1)θ₁，β＝nβ₁代入：

由小角度近似，可化简为：

环形辐照光源的内径r₂与第二平凸锥透镜2之间的距离d满足：

r₂＝(d₂-d)·cotγ₃＝(d₂-d)·cot(n-1)(θ₂-θ₁)

本申请的锥透镜环式激光辐照装置及具有该装置的空间偏移拉曼光谱探测系统，解决了现有技术中需要通过反复移入、移出锥透镜以实现0偏移量的弊端，避免了由于重复定位引起的辐照不均匀性。仅通过一维方向上的平移，即可实现空间偏移量从0开始的连续可调，不仅降低了辐照装置的复杂性，同时提高了其稳定性，经济可行。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，对本发明而言仅仅是说明性的，而非限制性的。本专业技术人员理解，在本发明权利要求所限定的精神和范围内可对其进行许多改变，修改，甚至等效，但都将落入本发明的保护范围内。

Claims (3)

1.一种空间偏移拉曼光谱探测系统，其包括激光器、扩束装置、信号收集装置、带通滤波装置、聚焦装置、光谱仪和锥透镜环式激光辐照装置，所述激光器发出的激光经所述扩束装置射入所述锥透镜环式激光辐照装置后产生环形辐照光，所述环形辐照光照射待测样品，所述信号收集装置在所述环形辐照光的中心处进行信号光的收集，再经过所述带通滤波装置消除信号光以外的各类杂散信号后，通过所述聚焦装置聚焦到所述光谱仪进行光谱分析，其特征在于，所述锥透镜环式激光辐照装置包括：共轴平行放置的第一平凸锥透镜和第二平凸锥透镜，所述第一平凸锥透镜和所述第二平凸锥透镜的折射率相同，所述第一平凸锥透镜的锥面和所述第二平凸锥透镜的锥面方向相同，所述第一平凸锥透镜的底角小于所述第二平凸锥透镜的底角，所述第一平凸锥透镜和第二平凸锥透镜的底角均小于5°；

所述第一平凸锥透镜和所述第二平凸锥透镜之间的距离为d₁，所述锥透镜环式激光辐照装置的产生的0偏移量辐照点距离所述第二平凸锥透镜的距离d₂满足公式：

其中，n为第一平凸锥透镜和第二平凸锥透镜的折射率，θ₁为第一平凸锥透镜的底角，θ₂为第二平凸锥透镜的底角，r₀为经过扩束后的激光光束半径，b为第二平凸锥透镜的底宽，a为第二平凸锥透镜的半径，0°＜θ₁＜θ₂＜5°；

还包括计算机，所述计算机与所述光谱仪连接。

2.根据权利要求1所述的一种空间偏移拉曼光谱探测系统，其特征在于，所述第一平凸锥透镜和第二平凸锥透镜之间的距离d₁固定不变，改变待测样品表面与第二平凸锥透镜的距离d，即可在待测样品表面得到连续变化的环形辐照光，该环形辐照光的内径r₂满足公式：

r₂＝(d₂-d)·cot(n-1)(θ₂-θ₁)

其中，d为被环形辐照光照射的待测样品表面沿光轴方向与第二平凸锥透镜之间的距离。

3.根据权利要求1所述的一种空间偏移拉曼光谱探测系统，其特征在于，其还包括一维移动平台，所述一维移动平台用于改变所述锥透镜环式激光辐照装置与所述待测样品之间的距离。