CN108593625A - 一种基于能量反馈的全光纤共焦拉曼光谱测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于能量反馈的全光纤共焦拉曼光谱测量方法。实现该方法的装置包括：包括激光器、四个单模光纤、四个光纤转接件、准直器、能量反馈调节装置、两个分束器、物镜、被测样品、拉曼滤光片组、拉曼成像透镜、拉曼探测器、两个差分成像透镜、两个差分点探测器。本发明首先通过单模光纤的形式来实现激光的引入及拉曼探测信号的引出，利用光纤端面代替传统的共焦针孔设计，精确提高共焦拉曼探测的纵向分辨率。采用特定设计的激光能量调节反馈装置，精确设计及调节激发光源的稳定性，使激发光源及探测拉曼信号的波动控制在一定范围内，大大提高了长时间光谱采集及拉曼成像的信噪比及灵敏度。

Description

一种基于能量反馈的全光纤共焦拉曼光谱测量方法

技术领域

本发明涉及光谱测试领域，具体涉及一种基于能量反馈的全光纤共焦拉曼光谱测量方法。

背景技术

在拉曼光谱中，散射光与入射光之间频率的差异被称为拉曼位移，研究拉曼位移可以获得分子中化学键的振动和转动信息，以及晶格的振动信息，是一种重要的研究物质微观结构的光谱测量技术。拉曼光谱测量系统是实现拉曼散射技术对微观物质进行研究的有利工具。现有的高性能的拉曼光谱测量系统主要为共焦拉曼光谱测量装置，是将空间成像技术与拉曼光谱分析技术结合起来的一种技术。差动共焦显微技术在前期的授权专利ZL2004100063596中已经公开，本发明中对该已有技术不再详述。

但是目前的共焦拉曼光谱测量装置，由于共焦针孔加工精度的限制，导致系统的空间分辨率及稳定性受限；激发光源功率波动较大，对长时间采集光谱以及拉曼成像的噪声以及灵敏度产生很大的干扰；通过激发光斑的大小和样品平移台的精度决定样品探测的空间定位，定焦精度和空间分辨率均难以获得很大的提升，导致其应用场景受到限制。

发明内容

本发明的目的在于提供一种全光纤式的，具有能量反馈调节装置的高分辨拉曼光谱测量方法与装置，来克服现有共焦拉曼光谱探测技术难以提高的问题。

本发明首先通过单模光纤的形式来实现激光的引入及拉曼探测信号的引出，利用光纤端面代替传统的共焦针孔设计，精确提高共焦拉曼探测的纵向分辨率。

采用特定设计的激光能量调节反馈装置，精确设计及调节激发光源的稳定性，使激发光源及探测拉曼信号的波动控制在一定范围内，大大提高了长时间光谱采集及拉曼成像的信噪比及灵敏度。

光纤式差动共聚焦方式，利用芯径更小的单模光纤端面取代传统差分共焦里面的针孔及光瞳滤波器设计，利用更简单的方式可获得更高的定焦精度。结合最大似然法、去卷积、滤波等在内的数据锐化处理方式对激发光源的艾里光斑进行锐化处理，进一步提升定位精度及横向分辨率。

本发明是通过如下技术方案来实现的。

本发明提供了一种基于能量反馈的全光纤共焦拉曼光谱测量方法，其特征在于，实现该方法的装置：包括激光器(1)、四个单模光纤(2、12、19、20)、四个光纤转接件(3、11、17、18)、准直器(4)、能量反馈调节装置(5)、两个分束器(6、14)、物镜(7)、被测样品(8)、拉曼滤光片组(9)、拉曼成像透镜(10)、拉曼探测器(13)、两个差分成像透镜(15、16)、两个差分点探测器(21、22)；该方法的具体实现步骤如下：

1)使可激发样品拉曼信号的激光器(1)以单模光纤(2)的形式耦合进光路，通过光纤转接件(3)上的光纤端面，利用准直镜(4)进行激光的准直；

2)准直后的激光进入能量反馈调节装置(5)，进行激发光源的稳定性调节；稳定性精确控制的激发光源通过分束器(6)、物镜(7)，聚焦在被测样品(8)上，激发出带有样品特性的拉曼散射光谱信号；

3)激发出的拉曼散射光谱信号，通过物镜(7)、分束器(6)、拉曼滤光片组(9)、拉曼成像透镜(10)、光纤转接件(11)、单模光纤(12)后，被拉曼探测器(13)接收得到拉曼探测信号；光纤转接件(11)上的光纤端面起到共焦针孔的作用；

4)而被测样品(8)上的入射光信号通过物镜(7)、分束器(6)、拉曼滤光片组(9)、分束器(14)，依次经差分成像透镜(15、16)、单模光纤(19、20)后分别被处于焦面的差分点探测器(21、22)探测；

5)基于差分共焦探测原理，差分点探测器(21、22)探测的两路信号，将分别反映样品凹凸变化的响应曲线，将两路信号进行差动相减并进行归一化处理，得到被测样品(8)凹凸变化的强度曲线；

6)将上述凹凸变化的强度曲线及拉曼探测信号传送到数据处理模块进行数据锐化处理，即可获得包括精确位置信息的共焦拉曼光谱探测信号；

7)将被测样品沿着x，y，z方向进行扫描，每个样品区获得唯一的高精度I(x，y，z)位置信号以及拉曼信号，最后进行信号的重构处理，即可获得高精度的三维微区共焦拉曼光谱图像的采集。

较佳的，所述的能量反馈调节装置(5)包括光强可调衰减器(23)、分束器(24)、功率计(25)、稳定值输入装置(26)和负反馈电路模块(27)。采用上述结构的能量反馈调节装置可精确设计及调节激发光源的稳定性，使激发光源及探测拉曼信号的波动控制在一定范围内，大大提高了长时间光谱采集及拉曼成像的信噪比及灵敏度。该装置通过光强可调衰减器对光的强度进行精确监控，分束器将部分信号分给功率计精确监控能量的波段，若波动的信号超出稳定设计值，则通过负反馈电路模块对光强可调衰减器进行自动调节，最终达到满足稳定设置值的激光输出。

较佳的，所述的数据锐化处理可以是最大似然法、去卷积、滤波等在内的数据处理方式，对激发光源的艾里光斑进行锐化处理，获取高的定位精度及横向分辨率。

本发明的测量方法中，利用单模光纤端面代替传统共焦拉曼的针孔设计，具有更小、更加稳定的特征，可精确提高共焦拉曼探测的纵向分辨率，优于500μm；利用激光能量反馈调节装置对激发光源进行稳定性精确控制，获得更加稳定的激发光源，显著提高了长时间光谱采集的稳定性及光谱成像的质量；单模光纤结合差动共焦光路，可获得优于1nm的定焦精度及光瞳滤波特性；通过锐化数据处理方式来获得横向分辨率的提升，优于200μm，实现样品三维尺度高分辨光谱仪探测。

在符合本领域常识的基础上，上述各优选条件，可任意组合，即得本发明各较佳实例。

本发明的积极进步效果在于：

1)利用单模光纤进行激光信号的引入及拉曼信号的探测，替代传统的空间光形式，具有更高的系统稳定性及更低的价格成本；光纤端面取代传统的共焦针孔设计，使得共焦针孔可以突破机械加工极限，获得更小的共焦针孔，进而精确提高共焦拉曼探测的纵向分辨率。

2)激光能量反馈调节装置，可精确设计及调节激发光源的稳定性，克服了传统共焦拉曼激光光源不稳定因素，大大提高了光谱长时间探测及光谱图像采集的准确度、灵敏度及信噪比等性能；

3)与传统的差分共焦拉曼方式相比，本专利中光纤式差分共焦拉曼系统，利用单模光纤的形式取代了传统的空间光形式，光纤端面代替共焦针孔设计，针孔设计更小，精度更高，光纤端面本身起到了光瞳滤波的作用，无需单独进行滤波处理，且价格便宜，实现方式简单，滤波性能更好，可获得更好的定焦精度。

附图说明

图1为基于能量反馈的高分辨全光纤共焦拉曼光谱测量系统示意图。

图2为激光能量反馈调节装置的结构示意图。

其中，1-激光器、2、12、19、20-单模光纤、3、11、17、18-光纤转接件、4-准直器、5-能量反馈调节装置、6、14、24-分束器、7-物镜、8-被测样品、9-拉曼滤光片组、10-拉曼成像透镜、13-拉曼探测器、15、16-差分成像透镜、21、22-差分点探测器、23-光强可调衰减器、25-功率计、26-稳定值输入装置、27-负反馈电路模块。

具体实施方式

下面通过实施例的方式进一步说明本发明，但并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。下列实施例中未注明具体条件的实验方法，按照常规方法和条件，或按照商品说明书选择。

如图1所示，激光器(1)发出的光信号以单模光纤(2)的形式耦合进光路，通过光纤转接件(3)上的光纤端面，利用准直镜(4)进行激光的准直。光纤转接件(3)上的光纤端面起到了共焦针孔的作用。

准直后的激光进入能量反馈调节装置(5)，进行激发光源的稳定性调节。稳定性精确控制的激发光源通过分束器(6)、物镜(7)，聚焦在被测样品上(8)，激发出带有样品特性的拉曼散射光谱信号。

激发出的拉曼光谱信号，通过物镜(7)、分束器(6)、拉曼滤光片组(9)、拉曼成像透镜(10)、光纤转接件(11)、单模光纤(12)、被拉曼探测器(13)接收得到拉曼探测信号。

而被测样品上的入射光信号通过物镜(7)、分束器(6)、拉曼滤光片组(9)、分束器(14)，依次经过差分成像透镜(15、16)、单模光纤(19、20)后分别被处于特定焦面的差分点探测器(21、22)探测。

基于差分共焦探测原理，差分点探测器(21、22)探测的两路信号，将分别反映样品凹凸变化的响应曲线，将两路信号进行差动相减并进行归一化处理，得到被测样品凹凸变化的强度曲线。将上述所述的凹凸变化的强度曲线及拉曼探测信号传送到数据处理模块，即可获得包括精确位置信息的共焦拉曼光谱探测信号。

将被测样品沿着x，y，z方向进行扫描，每个样品区获得唯一的高精度I(x，y，z)位置信号，及拉曼信号，最后进行信号的重构处理，即可获得高精度的三维微区共焦拉曼光谱图像的采集。

图2中，能量反馈调节装置(5)包括光强可调衰减器(23)、分束器(24)、功率计(25)、稳定值输入装置(26)和负反馈电路模块(27)。采用上述结构的能量反馈调节装置可精确设计及调节激发光源的稳定性，使激发光源及探测拉曼信号的波动控制在一定范围内，大大提高了长时间光谱采集及拉曼成像的信噪比及灵敏度。该装置通过光强可调衰减器对光的强度进行精确监控，分束器将部分信号分给功率计精确监控能量的波段，若波动的信号超出稳定设计值，则通过负反馈电路模块对光强可调衰减器进行自动调节，最终达到满足稳定设置值的激光输出。

在该实施例的测量方法中，利用单模光纤端面代替传统共焦拉曼的针孔设计，具有更小、更加稳定的特征，可精确提高共焦拉曼探测的纵向分辨率，优于500μm；利用激光能量反馈调节装置对激发光源进行稳定性精确控制，获得更加稳定的激发光源，显著提高了长时间光谱采集的稳定性及光谱成像的质量；单模光纤结合差动共焦光路，可获得优于1nm的定焦精度及光瞳滤波特性；通过锐化数据处理方式来获得横向分辨率的提升，优于200μm，实现样品三维尺度高分辨光谱仪探测。

Claims (3)

1.一种基于能量反馈的全光纤共焦拉曼光谱测量方法，其特征在于，实现该方法的装置：包括激光器(1)、四个单模光纤(2、12、19、20)、四个光纤转接件(3、11、17、18)、准直器(4)、能量反馈调节装置(5)、两个分束器(6、14)、物镜(7)、被测样品(8)、拉曼滤光片组(9)、拉曼成像透镜(10)、拉曼探测器(13)、两个差分成像透镜(15、16)、两个差分点探测器(21、22)；该方法的具体实现步骤如下：

1)使可激发样品拉曼信号的激光器(1)以单模光纤(2)的形式耦合进光路，通过光纤转接件(3)上的光纤端面，利用准直镜(4)进行激光的准直；

2)准直后的激光进入能量反馈调节装置(5)，进行激发光源的稳定性调节；稳定性精确控制的激发光源通过分束器(6)、物镜(7)，聚焦在被测样品(8)上，激发出带有样品特性的拉曼散射光谱信号；

3)激发出的拉曼散射光谱信号，通过物镜(7)、分束器(6)、拉曼滤光片组(9)、拉曼成像透镜(10)、光纤转接件(11)、单模光纤(12)后，被拉曼探测器(13)接收得到拉曼探测信号；光纤转接件(11)上的光纤端面起到共焦针孔的作用；

4)而被测样品(8)上的入射光信号通过物镜(7)、分束器(6)、拉曼滤光片组(9)、分束器(14)，依次经差分成像透镜(15、16)、单模光纤(19、20)后分别被处于焦面的差分点探测器(21、22)探测；

5)基于差分共焦探测原理，差分点探测器(21、22)探测的两路信号，将分别反映样品凹凸变化的响应曲线，将两路信号进行差动相减并进行归一化处理，得到被测样品(8)凹凸变化的强度曲线；

6)将上述凹凸变化的强度曲线及拉曼探测信号传送到数据处理模块进行数据锐化处理，即可获得包括精确位置信息的共焦拉曼光谱探测信号；

7)将被测样品沿着x，y，z方向进行扫描，每个样品区获得唯一的高精度I(x，y，z)位置信号以及拉曼信号，最后进行信号的重构处理，即可获得高精度的三维微区共焦拉曼光谱图像的采集。

2.如权利要求1所述的基于能量反馈的全光纤共焦拉曼光谱测量方法，其特征在于，所述的能量反馈调节装置(5)包括光强可调衰减器(23)、分束器(24)、功率计(25)、稳定值输入装置(26)和负反馈电路模块(27)；该能量反馈调节装置通过光强可调衰减器对光的强度进行精确监控，分束器将部分信号分给功率计精确监控能量的波段，若波动的信号超出稳定设计值，则通过负反馈电路模块对光强可调衰减器进行自动调节，最终达到满足稳定设置值的激光输出。

3.如权利要求1所述的基于能量反馈的全光纤共焦拉曼光谱测量方法，其特征在于，所述的数据锐化处理包括最大似然法、去卷积、滤波在内的数据处理方式，对激发光源的艾里光斑进行锐化处理，获取高的定位精度及横向分辨率。