CN108344727B - 一种拉曼信号收集系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本申请实施例提供的拉曼信号收集系统及方法，该系统中，第一准共心球面镜的凹陷与第二准共心球面镜的凹陷相对，第一半透半反镜以及第二半透半反镜均位于第二准共心球面镜的两侧；环形晶体光纤的一端与第一滤光镜连接，环形晶体光纤的另一端与第二滤光镜连接，第一滤光镜与第一半透半反镜的远离第一准共心球面镜的一侧相对，第二滤光镜与第二半透半反镜的远离第一准共心球面镜的一侧相对；第一离轴抛物面镜、第二离轴抛物面镜以及CCD图像传感器均设置在环形晶体光纤的内侧；第一离轴抛物面镜用于将第一半透半反镜的反射光反射至CCD图像传感器；第二离轴抛物面镜用于将第二半透半反镜的反射光反射至CCD图像传感器。
Description
技术领域
本申请涉及检测领域，具体而言，涉及一种拉曼信号收集系统及方法。
背景技术
现有技术中，主要使用氢焰色谱仪来检测气体。但氢焰色谱仪无法检测非烃气体，气体拉曼光谱信号非常微弱，在先技术中，增强拉曼光谱并收集信号存在不足，检测高精度与宽量程难以兼容，以致拉曼光谱气体仪难以推广应用。
申请内容
有鉴于此，本申请实施例提供了一种拉曼信号收集系统及方法。
第一方面，本申请实施例提供了一种拉曼信号收集系统，所述系统包括第一准共心球面镜、第二准共心球面镜、第一半透半反镜、第二半透半反镜、第一滤光镜、第二滤光镜、第一离轴抛物面镜、第二离轴抛物面镜、CCD图像传感器以及环形晶体光纤；所述第一准共心球面镜的凹陷与所述第二准共心球面镜的凹陷相对，所述第一半透半反镜以及所述第二半透半反镜均位于所述第二准共心球面镜的两侧；所述环形晶体光纤的一端与所述第一滤光镜连接，所述环形晶体光纤的另一端与所述第二滤光镜连接，所述第一滤光镜与所述第一半透半反镜的远离所述第一准共心球面镜的一侧相对，所述第二滤光镜与所述第二半透半反镜的远离所述第一准共心球面镜的一侧相对；所述第一离轴抛物面镜、第二离轴抛物面镜以及CCD图像传感器均设置在所述环形晶体光纤的内侧；所述第一离轴抛物面镜用于将所述第一半透半反镜的反射光反射至所述CCD图像传感器；所述第二离轴抛物面镜用于将所述第二半透半反镜的反射光反射至所述CCD图像传感器。
在一个可能的设计中，所述系统还包括第一收集透镜组，所述第一收集透镜组设置在所述第一半透半反镜的远离所述第一滤光镜的一侧。
第一收集透镜组可以起到对第一准共心球面镜的焦点处的拉曼散射光以及第二准共心球面镜的焦点处的拉曼散射光进行收集、汇聚的作用，从而尽可能地引入更多的拉曼散射光进环形晶体光纤。
在一个可能的设计中，所述系统还包括第二收集透镜组，所述第二收集透镜组设置在所述第二半透半反镜的远离所述第二滤光镜的一侧。
第二收集透镜组可以起到对第一准共心球面镜的焦点处的拉曼散射光以及第二准共心球面镜的焦点处的拉曼散射光进行收集、汇聚的作用，从而尽可能地引入更多的拉曼散射光进环形晶体光纤。
在一个可能的设计中，所述第一准共心球面镜的焦距为53.5毫米。
所述第一准共心球面镜的焦点与第一准共心球面镜的透镜光心的距离为53.5毫米，即拉曼散射光可以在与第一准共心球面镜53.5毫米处汇聚。拉曼散射光在此处汇聚后经环形晶体光纤的传输并经第一半透半反镜、第二半透半反镜、第一离轴抛物面镜、第二离轴抛物面镜的反射后照射至CCD图像传感器。
在一个可能的设计中，所述第二准共心球面镜的焦距为53.5毫米。
所述第二准共心球面镜的焦点与第二准共心球面镜的透镜光心的距离为53.5毫米，即拉曼散射光可以在与第二准共心球面镜53.5毫米处汇聚。拉曼散射光在此处汇聚后经环形晶体光纤的传输并经第一半透半反镜、第二半透半反镜、第一离轴抛物面镜、第二离轴抛物面镜的反射后照射至CCD图像传感器。
在一个可能的设计中，所述第一准共心球面镜的焦点与所述第二准共心球面镜的焦点之间的距离为2.45毫米。
两个焦点之间的距离为2.45毫米，由于入射光从第一准共心球面镜入射后，会在第一准共心球面镜与第二准共心球面镜之间进行2000多次的反射，因此，为了保证入射光可以进行如此多次数量的反射，需要对第一准共心球面镜、第二准共心球面镜的焦距以及两者焦点之间的距离做出限制。
在一个可能的设计中，所述第一半透半反镜与第一主光轴的夹角为82.36°，其中，所述第一主光轴为垂直于所述第一滤光镜的光轴。
第一主光轴垂直于第一滤光镜，第一半透半反镜与第一主光轴的夹角为82.36°，第一半透半反镜可以起到透过拉曼散射光的作用，也可以起到将从环境晶体光纤射出的拉曼散射光反射至第一离轴抛物面镜的作用。第一半透半反镜与第一主光轴的夹角是为了满足上述作用经多次实验调整获得的。
在一个可能的设计中，所述第二半透半反镜与第二主光轴的夹角为116.34°，其中，所述第二主光轴为垂直于所述第二滤光镜的光轴。
第二主光轴垂直于第二滤光镜，第二半透半反镜与第二主光轴的夹角为116.34°，第二半透半反镜可以起到透过拉曼散射光的作用，也可以起到将从环境晶体光纤射出的拉曼散射光反射至第二离轴抛物面镜的作用。第二半透半反镜与第二主光轴的夹角是为了满足上述作用经多次实验调整获得的。
在一个可能的设计中，所述环形晶体光纤为环形空芯光子晶体光纤。
该光子晶体光纤的表面具体可以增加镀金层，提高耐腐蚀和光学反射特性，使得该光子晶体光纤具有灵活多样的色散特性。
本申请实施例还提供了一种拉曼信号收集方法，所述方法包括：使准直激光以第一入射角度照射入第一准共心球面镜；将所述准直激光在所述第一准共心球面镜与第二准共心球面镜围成的谐振腔内反射预设次数，从而使所述准直激光在所述第一准共心球面镜的焦点处以及在所述第二准共心球面镜的焦点处形成拉曼散射光；所述拉曼散射光依次透过第一半透半反镜、第一滤光镜射入环形晶体光纤，并经所述环形晶体光纤从所述第二滤光镜射出；经第二滤光镜射出的所述拉曼散射光依次经过第二半透半反镜、第二离轴抛物面镜的反射后照射至CCD图像传感器。
本申请实施例提供的拉曼信号收集系统及方法的有益效果为：
本申请实施例提供的拉曼信号收集系统及方法中，所述系统包括第一准共心球面镜、第二准共心球面镜、第一半透半反镜、第二半透半反镜、第一滤光镜、第二滤光镜、第一离轴抛物面镜、第二离轴抛物面镜、CCD图像传感器以及环形晶体光纤；所述第一准共心球面镜的凹陷与所述第二准共心球面镜的凹陷相对，所述第一半透半反镜以及所述第二半透半反镜均位于所述第二准共心球面镜的两侧；所述环形晶体光纤的一端与所述第一滤光镜连接，所述环形晶体光纤的另一端与所述第二滤光镜连接，所述第一滤光镜与所述第一半透半反镜的远离所述第一准共心球面镜的一侧相对，所述第二滤光镜与所述第二半透半反镜的远离所述第一准共心球面镜的一侧相对；所述第一离轴抛物面镜、第二离轴抛物面镜以及CCD图像传感器均设置在所述环形晶体光纤的内侧；所述第一离轴抛物面镜用于将所述第一半透半反镜的反射光反射至所述CCD图像传感器；所述第二离轴抛物面镜用于将所述第二半透半反镜的反射光反射至所述CCD图像传感器，从而可以提高拉曼散射光的收集效率，增强拉曼光谱信号。
为使本申请实施例所要实现的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。
附图说明
为了更清楚的说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本申请第一实施例提供的拉曼信号收集系统的结构框图；
图2是本申请第二实施例提供的拉曼信号收集方法的流程示意图。
图标：拉曼信号收集系统100；第一准共心球面镜110；第二准共心球面镜120；第一半透半反镜130；第一收集透镜组131；第二半透半反镜140；第二收集透镜组141；第一滤光镜150；第二滤光镜160；第一离轴抛物面镜170；第二离轴抛物面镜180；CCD图像传感器190；环形晶体光纤210。
具体实施方式
第一实施例
本申请第一实施例提供了一种拉曼信号收集系统100，请参见图1，所述系统包括第一准共心球面镜110、第二准共心球面镜120、第一半透半反镜130、第二半透半反镜140、第一滤光镜150、第二滤光镜160、第一离轴抛物面镜170、第二离轴抛物面镜180、CCD图像传感器190以及环形晶体光纤210。
所述第一准共心球面镜110的凹陷与所述第二准共心球面镜120的凹陷相对，所述第一半透半反镜130以及所述第二半透半反镜140均位于所述第二准共心球面镜120的两侧。
请参见图1，图1中被虚线围住的方框为谐振腔，入射光线从第一准共心球面镜110入射后，可以在谐振腔内经过多次的反射，具体地，可以经过2000多次的反射。
所述环形晶体光纤210的一端与所述第一滤光镜150连接，所述环形晶体光纤210的另一端与所述第二滤光镜160连接，所述第一滤光镜150与所述第一半透半反镜130的远离所述第一准共心球面镜110的一侧相对，所述第二滤光镜160与所述第二半透半反镜140的远离所述第一准共心球面镜110的一侧相对。第一滤光镜150以及第二滤光镜160均可以滤除拉曼散射光中的瑞利散射，并将经过滤光后的拉曼散射光引入环形晶体光纤210。
请参见图1，所述第一离轴抛物面镜170、第二离轴抛物面镜180以及CCD图像传感器190均设置在所述环形晶体光纤210的内侧；所述第一离轴抛物面镜170用于将所述第一半透半反镜130的反射光反射至所述CCD图像传感器190；所述第二离轴抛物面镜180用于将所述第二半透半反镜140的反射光反射至所述CCD图像传感器190。
具体地，以拉曼散射光依次透过第一半透半反镜130以及第一滤光镜150为例进行说明：入射光线经第一准共心球面镜110进入谐振腔后，在第一准共心球面镜110以及第二准共心球面镜120之间进行2000多次的反射，从而在第一准共心球面镜110的焦点处以及第二准共心球面镜120的焦点处形成拉曼散射光。
拉曼散射光依次透过第一半透半反镜130以及第一滤光镜150进入环形晶体光纤210内，然后经环形晶体光纤210的多次反射后，从靠近第二滤光镜160的一端射出，再依次经过第二半透半反镜140、第二离轴抛物面镜180的反射，反射到CCD图像传感器190上。
拉曼散射光还可以依次透过第二半透半反镜140以及第二滤光镜160进入环形晶体光纤210内，然后经环形晶体光纤210的多次反射后，从靠近第一滤光镜150的一端射出，再依次经过第一半透半反镜130、第一离轴抛物面镜170的反射，反射到CCD图像传感器190上。
具体地，所述系统还包括第一收集透镜组131，所述第一收集透镜组131设置在所述第一半透半反镜130的远离所述第一滤光镜150的一侧。第一收集透镜组131可以起到对第一准共心球面镜110的焦点处的拉曼散射光以及第二准共心球面镜120的焦点处的拉曼散射光进行收集、汇聚的作用，从而尽可能地引入更多的拉曼散射光进环形晶体光纤210。
具体地，所述系统还包括第二收集透镜组141，所述第二收集透镜组141设置在所述第二半透半反镜140的远离所述第二滤光镜160的一侧。第二收集透镜组141可以起到对第一准共心球面镜110的焦点处的拉曼散射光以及第二准共心球面镜120的焦点处的拉曼散射光进行收集、汇聚的作用，从而尽可能地引入更多的拉曼散射光进环形晶体光纤210。
具体地，所述第一准共心球面镜110的焦距为53.5毫米。所述第一准共心球面镜110的焦点与第一准共心球面镜110的透镜光心的距离为53.5毫米，即拉曼散射光可以在与第一准共心球面镜11053.5毫米处汇聚。拉曼散射光在此处汇聚后经环形晶体光纤210的传输并经第一半透半反镜130、第二半透半反镜140、第一离轴抛物面镜170、第二离轴抛物面镜180的反射后照射至CCD图像传感器190。
具体地，所述第二准共心球面镜120的焦距为53.5毫米。所述第二准共心球面镜120的焦点与第二准共心球面镜120的透镜光心的距离为53.5毫米，即拉曼散射光可以在与第二准共心球面镜12053.5毫米处汇聚。拉曼散射光在此处汇聚后经环形晶体光纤210的传输并经第一半透半反镜130、第二半透半反镜140、第一离轴抛物面镜170、第二离轴抛物面镜180的反射后照射至CCD图像传感器190。
具体地，所述第一准共心球面镜110的焦点与所述第二准共心球面镜120的焦点之间的距离为2.45毫米。两个焦点之间的距离为2.45毫米，由于入射光从第一准共心球面镜110入射后，会在第一准共心球面镜110与第二准共心球面镜120之间进行2000多次的反射，因此，为了保证入射光可以进行如此多次数量的反射，需要对第一准共心球面镜110、第二准共心球面镜120的焦距以及两者焦点之间的距离做出限制。
具体地，所述第一半透半反镜130与第一主光轴的夹角为82.36°，其中，所述第一主光轴为垂直于所述第一滤光镜150的光轴。第一主光轴垂直于第一滤光镜150，第一半透半反镜130与第一主光轴的夹角为82.36°，第一半透半反镜130可以起到透过拉曼散射光的作用，也可以起到将从环境晶体光纤射出的拉曼散射光反射至第一离轴抛物面镜170的作用。第一半透半反镜130与第一主光轴的夹角是为了满足上述作用经多次实验调整获得的。第一主光轴为图1中的I示出的光轴，第一半透半反镜130与第一主光轴的夹角如图1示出的夹角B。
具体地，所述第二半透半反镜140与第二主光轴的夹角为116.34°，其中，所述第二主光轴为垂直于所述第二滤光镜160的光轴。第二主光轴垂直于第二滤光镜160，第二半透半反镜140与第二主光轴的夹角为116.34°，第二半透半反镜140可以起到透过拉曼散射光的作用，也可以起到将从环境晶体光纤射出的拉曼散射光反射至第二离轴抛物面镜180的作用。第二半透半反镜140与第二主光轴的夹角是为了满足上述作用经多次实验调整获得的。第二主光轴为图1中的II示出的光轴，第二半透半反镜140与第二主光轴的夹角为图1示出的夹角C。
具体地，所述环形晶体光纤210为环形空芯光子晶体光纤。该光子晶体光纤的表面具体可以增加镀金层，提高耐腐蚀和光学反射特性，使得该光子晶体光纤具有灵活多样的色散特性。
本申请实施例还提供了一种拉曼信号收集方法，请参见图2，所述方法包括如下步骤：
步骤S110，使准直激光以第一入射角度照射入第一准共心球面镜110。
第一入射角度为图1中示出的A角度，该角度的数值具体为20.352°。
步骤S120，将所述准直激光在所述第一准共心球面镜110与第二准共心球面镜120围成的谐振腔内反射预设次数，从而使所述准直激光在所述第一准共心球面镜110的焦点处以及在所述第二准共心球面镜120的焦点处形成拉曼散射光。
拉曼散射光为第一准共心球面镜110与第二准共心球面镜120之间的两个椭圆形区域，该区域距为多次反射形成的拉曼散射光。
步骤S130，拉曼散射光依次透过第一半透半反镜130、第一滤光镜150射入环形晶体光纤210，并经所述环形晶体光纤210从所述第二滤光镜160射出。
拉曼散射光可以在环形晶体光纤210中进行多次反射，从而使得散射光信号在传输过程中多次反射后获得准直效果。
步骤S140，经第二滤光镜160射出的所述拉曼散射光依次经过第二半透半反镜140、第二离轴抛物面镜180的反射后照射至CCD图像传感器190。
拉曼散射光可以经离轴抛物面镜完成汇聚并聚焦在CCD图像传感器190上，实现完整的收集。
本申请实施例提供的拉曼信号收集系统100及方法的有益效果为：
本申请实施例提供的拉曼信号收集系统100及方法中，所述系统包括第一准共心球面镜110、第二准共心球面镜120、第一半透半反镜130、第二半透半反镜140、第一滤光镜150、第二滤光镜160、第一离轴抛物面镜170、第二离轴抛物面镜180、CCD图像传感器190以及环形晶体光纤210；所述第一准共心球面镜110的凹陷与所述第二准共心球面镜120的凹陷相对，所述第一半透半反镜130以及所述第二半透半反镜140均位于所述第二准共心球面镜120的两侧；所述环形晶体光纤210的一端与所述第一滤光镜150连接，所述环形晶体光纤210的另一端与所述第二滤光镜160连接，所述第一滤光镜150与所述第一半透半反镜130的远离所述第一准共心球面镜110的一侧相对，所述第二滤光镜160与所述第二半透半反镜140的远离所述第一准共心球面镜110的一侧相对；所述第一离轴抛物面镜170、第二离轴抛物面镜180以及CCD图像传感器190均设置在所述环形晶体光纤210的内侧；所述第一离轴抛物面镜170用于将所述第一半透半反镜130的反射光反射至所述CCD图像传感器190；所述第二离轴抛物面镜180用于将所述第二半透半反镜140的反射光反射至所述CCD图像传感器190，从而可以提高拉曼散射光的收集效率，增强拉曼光谱信号。
需要说明的是，本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。对于装置类实施例而言，由于其与方法实施例基本相似，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。
本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的装置和方法，也可以通过其它的方式实现。以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，附图中的流程图和框图显示了根据本申请的多个实施例的装置、方法和计算机程序产品的可能实现的体系架构、功能和操作。在这点上，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段或代码的一部分，所述模块、程序段或代码的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。也应当注意，在有些作为替换的实现方式中，方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个连续的方框实际上可以基本并行地执行，它们有时也可以按相反的顺序执行，这依所涉及的功能而定。也要注意的是，框图和/或流程图中的每个方框、以及框图和/或流程图中的方框的组合，可以用执行规定的功能或动作的专用的基于硬件的系统来实现，或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。
另外，在本申请各个实施例中的各功能模块可以集成在一起形成一个独立的部分，也可以是各个模块单独存在，也可以两个或两个以上模块集成形成一个独立的部分。
所述功能如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本申请的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本申请各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，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过程、方法、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过程、方法、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“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。
Claims (8)
1.一种拉曼信号收集系统，其特征在于，所述系统包括第一准共心球面镜、第二准共心球面镜、第一半透半反镜、第二半透半反镜、第一滤光镜、第二滤光镜、第一离轴抛物面镜、第二离轴抛物面镜、CCD图像传感器以及环形晶体光纤；
所述第一准共心球面镜的凹陷与所述第二准共心球面镜的凹陷相对，所述第一半透半反镜以及所述第二半透半反镜均位于所述第二准共心球面镜的两侧；
所述环形晶体光纤的一端与所述第一滤光镜连接，所述环形晶体光纤的另一端与所述第二滤光镜连接，所述第一滤光镜与所述第一半透半反镜的远离所述第一准共心球面镜的一侧相对，所述第二滤光镜与所述第二半透半反镜的远离所述第一准共心球面镜的一侧相对；
所述系统还包括第一收集透镜组，所述第一收集透镜组设置在所述第一半透半反镜的远离所述第一滤光镜的一侧；
所述系统还包括第二收集透镜组，所述第二收集透镜组设置在所述第二半透半反镜的远离所述第二滤光镜的一侧。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述第一准共心球面镜的焦距为53.5毫米。
3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述第二准共心球面镜的焦距为53.5毫米。
4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述第一准共心球面镜的焦点与所述第二准共心球面镜的焦点之间的距离为2.45毫米。
5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述第一半透半反镜与第一主光轴的夹角为82.36°，其中，所述第一主光轴为垂直于所述第一滤光镜的光轴。
6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述第二半透半反镜与第二主光轴的夹角为116.34°，其中，所述第二主光轴为垂直于所述第二滤光镜的光轴。
7.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述环形晶体光纤为环形空芯光子晶体光纤。
8.一种拉曼信号收集方法，其特征在于，所述方法包括：使准直激光以第一入射角度照射入第一准共心球面镜；将所述准直激光在所述第一准共心球面镜与第二准共心球面镜围成的谐振腔内反射预设次数，从而使所述准直激光在所述第一准共心球面镜的焦点处以及在所述第二准共心球面镜的焦点处形成拉曼散射光；
所述拉曼散射光依次透过第一半透半反镜、第一滤光镜射入环形晶体光纤，并经所述环形晶体光纤从第二滤光镜射出；
经第二滤光镜射出的所述拉曼散射光依次经过第二半透半反镜、第二离轴抛物面镜的反射后照射至CCD图像传感器。
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