CN109030457A - 一种双元件共基体拉曼探头 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种双元件共基体拉曼探头，所述拉曼探头包括第一透镜、滤光片、反射镜、分色镜，第二透镜，第三透镜、第四透镜。激发光从输入光纤进入探头，经过第一透镜准直变为平行光，然后通过滤光片滤除带外杂光并经过反射镜和分色镜两次反射后到达第二透镜，再通过第二透镜将焦点会聚到被测样品，被测样品产生的拉曼散射光和其他散射光一起通过第三透镜收集并准直为平行光，通过分色镜滤除瑞利散射光，最后由第四透镜会聚后进入输出光纤。本发明通过多次双元件共基体设计减少了元件数量、简化了系统结构，激发光和收集光同轴设计减小了系统像差，相比相同口径的其他拉曼探头设计其拉曼散射光采集效能大幅提高。
Description
技术领域
本发明涉及光学仪器领域，具体的，涉及一种用于小型拉曼光谱仪的双元件共基体拉曼探头。
背景技术
拉曼光谱是一种散射光谱，拉曼光谱分析法是基于印度科学家拉曼所发现的拉曼散射效应，对于入射光频率不同的散射光谱进行分析以得到分子振动、转动方面的信息，并应用于分子结构研究的一种分析方法。
由于拉曼散射光的频率变化取决于散射物质本身的特性，其组成分子的振动方式是唯一的，可以产生特定频率差的拉曼散射光，形成特征鲜明的“指纹光谱”，所以物质的拉曼散射光谱信息能够反映物质的组成和分子结构，在物质成分检测中具有很高的准确度。因此，拉曼光谱检测在食品安全、临床诊断、医学检测、材料科学、珠宝鉴定、地质探矿、公共安全和环境监测等领域具有广阔的应用前景。
但是，物质的拉曼散射信号很弱，其强度仅为荧光光谱的10-6。因此，提高拉曼光谱检测的灵敏度，一直是拉曼光谱检测技术发展的方向，其中提高拉曼光谱仪器的灵敏度是提高光谱检测灵敏度的重要方法。提高拉曼光谱仪光学系统的有效光通量是提高仪器灵敏度的一种有效方法，包括提高光谱仪入射狭缝宽度、增大光谱仪数值孔径等，但这些方法会降低光谱仪的分辨率。而提高拉曼探头收集拉曼散射信号的能力，可以在不影响拉曼光谱仪分辨率的情况下提高拉曼光谱仪的检测灵敏度。
拉曼探头将光束准直激发、拉曼散射光收集、微弱拉曼信号滤波提取、杂散光抑制等多功能于一身，决定了其结构的复杂性，使其小型化成为一大难题。目前，商品化的拉曼探头主要应用于工业领域，通常体积较大，只能应用于样品表面的检测，也有小型拉曼探头的应用报道，但其收集拉曼信号的效率极低，限制了其应用的推广。因此，需要设计一种能普遍应用到各种场合、并能高效收集拉曼信号的小型化拉曼探头。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术存在的体积大、拉曼信号收集率低、难以原位检测等不足，提供一种结构简单、轻小型化、拉曼信号收集效率高、检测灵敏度好的拉曼探头。
本发明的上述目的是通过如下技术方案予以实现的：一种双元件共基体拉曼探头，包括输入光纤、第一透镜、滤光片、反射镜、分色镜，第二透镜，第三透镜、第四透镜和输出光纤；激发光从输入光纤进入探头，经过第一透镜准直变为平行光，然后通过滤光片滤除带外杂光并经过反射镜和分色镜两次反射后到达第二透镜，再通过第二透镜将焦点会聚到被测样品上，被测样品产生的拉曼散射光和其他光辐射一起通过第三透镜收集并准直为平行光后，通过分色镜滤除瑞利散射光和荧光，最后由第四透镜会聚后从输出光纤输出至外部光谱仪。
所述的输入光纤的数值孔径小于输出光纤的数值孔径，保证输入光纤不影响输出光纤收集到的拉曼散射光。
所述的第一透镜和第四透镜共基体设计，即在一块镜片基体上加工两个透镜。
所述第一透镜镜面曲率中心在输入光纤的光轴上，其相对孔径不小于输入光纤的数值孔径；第四透镜镜面曲率中心在输出光纤的光轴上，其相对孔径不大于输出光纤的数值孔径。
所述第一透镜的孔径小于等于第四透镜孔径的一半。
所述的滤光片和分色镜共基体设计，即在一块镜片基体上的不同区域镀不同的膜层，实现滤光片对激发光的窄带通功能，以及分色镜对激发光和瑞利散射光的反射、部分拉曼散射光和荧光的吸收或透过、以及部分或全部拉曼散射光和荧光的透过功能。
所述在一块镜片基体上的不同区域镀不同的膜层的镀膜过程如下：首先，采用掩膜方法遮挡分色镜，在滤光片涂覆窄带通膜层；然后清除分色镜上的掩膜，在滤光片上覆盖掩膜，对分色镜涂覆高通膜层，最后清除滤光片上的掩膜。
所述反射镜和分色镜平行并与输出光纤的光轴呈°夹角放置。
所述的第二透镜和第三透镜共基体设计，即第二透镜作为第三透镜的中心孔径部分，第二透镜和第三透镜镜面曲率半径、中心厚度完全相同，第二透镜的口径与第一透镜相同，第三透镜的口径与第四透镜相同。
本发明与现有技术相比具有如下优点：
在一块镜片基体上加工两个透镜，使第一透镜的孔径小于等于第四透镜孔径的一半，实现第一透镜与第四透镜共基体设计；在一块镜片基体上的不同区域镀不同的膜层，实现滤光片与分色镜共基体设计；第二透镜和第三透镜镜面曲率半径、中心厚度完全相同，第二透镜的口径与第一透镜相同，第三透镜的口径与第四透镜相同，实现第二透镜与第三透镜共基体设计。
本发明通过多次双元件共基体设计减少探头元件数量，使结构更加简单，便于集成和装调；激发光和收集光同轴设计减小系统像差。提高拉曼散射光收集效率，实现窄带通和高通滤光功能，有效提高拉曼光谱仪的检测灵敏度，获取样品“指纹光谱”。
同时相比同等体积小型化探头，拉曼信号收集效率大幅提高，相比同等收集效率的工业化拉曼探头，其体积大大减小，适用于狭小空间的原位探测，更有利于推广应用。
附图说明
图1为本发明双元件共基体拉曼探头的光路图；
图2为本发明双元件共基体拉曼探头的第一透镜和第四透镜俯视图；
图3为本发明双元件共基体拉曼探头的滤光片和分色镜俯视图；
图4为本发明双元件共基体拉曼探头的反射镜俯视图；
图5为本发明双元件共基体拉曼探头的第二透镜和第三透镜俯视图。
具体实施方式
下面结合附图1-5和具体实施例对本发明作进一步详细的说明。以下实施例有助于本领域技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出多种变形或改进，这些都属于本发明的保护范围。
如图1所示为本发明双元件共基体拉曼探头的光路图，由图可知双元件共基体拉曼探头由输入光纤1、第一透镜2、滤光片3、反射镜4、分色镜5，第二透镜6，第三透镜8、第四透镜9和输出光纤10组成。工作过程如下：首先是拉曼激发过程，激发光从输入光纤1入射进入探头，输入光纤1的数值孔径和第一透镜2的相对孔径要匹配，确保激发光全部进入第一透镜2；然后经过第一透镜2准直变为平行光；平行光通过滤光片3滤除带外杂光，以提高激发光的单色性；经过反射镜4后，平行光折转约90°向下传输；再通过分色镜5反射后向右传输到达第二透镜6；最后，第二透镜6将激发光会聚到被测样品7。其次是拉曼信号收集过程，被测样品7产生的拉曼散射光和其他光辐射一起通过第三透镜8收集并准直为平行光；平行光通过分色镜5滤除瑞利散射光或瑞利散射光和荧光，得到滤除杂光的拉曼信号；最后，拉曼信号由第四透镜9会聚后进入输出光纤10，由光谱仪读出。
所述的输入光纤1的数值孔径一般比输出光纤10的数值孔径小，以输入光纤1不影响输出光纤10收集到的拉曼散射光为宜。
如图2所示，所述的第一透镜2和第四透镜9共基体设计，即在一块镜片基体上加工两个透镜，第一透镜2镜面曲率中心在输入光纤1的光轴上，第四透镜9镜面曲率中心在输出光纤10光轴上，第一透镜2的孔径为第四透镜9孔径的一半或者更小，以提高拉曼散射光的收集效能。
如图3所示，所述的滤光片3和分色镜5共基体设计。镀膜过程如下：首先，采用掩膜方法遮挡分色镜5，在滤光片3涂覆窄带通膜层；然后清除分色镜5上的掩膜，在滤光片3上覆盖掩膜，对分色镜5涂覆高通膜层，最后清除滤光片3上的掩膜。即在一块镜片基体上的不同区域镀不同的膜层，实现滤光片3对激发光的窄带通功能，以及分色镜5对激发光和瑞利散射光的反射、部分拉曼散射光和荧光的吸收或透过高通滤光片的功能、以及部分或全部拉曼散射光和荧光的透过功能陷波滤光片的功能。
如图4所示，所述的反射镜4能够反射激发光，与分色镜5一起对激发光路起折转作用，反射镜4和分色镜5平行并与输出光纤10的光轴呈45°或接近45°的夹角放置，以保证激发光与收集光同轴。
由于滤光片3、反射镜4和分色镜5与输出光纤10的光轴呈45°或接近45°的夹角放置，故其形状为椭圆形。
如图5所示，所述的第二透镜6和第三透镜8共基体设计，第二透镜6是第三透镜8的中心孔径部分，两透镜镜面曲率半径、中心厚度完全相同，第二透镜6的口径与第一透镜2基本相同，第三透镜8的口径与第四透镜9基本相同。
以上所述，仅用以说明本发明的技术方案而非限制，本领域技术人员对本发明的技术方案所做的其他任何变形、等同替换或改进，只要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。
本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域技术人员的公知技术。
Claims (9)
1.一种双元件共基体拉曼探头，其特征在于：包括输入光纤(1)、第一透镜(2)、滤光片(3)、反射镜(4)、分色镜(5)，第二透镜(6)，第三透镜(8)、第四透镜(9)和输出光纤(10)；激发光从输入光纤(1)进入探头，经过第一透镜(2)准直变为平行光，然后通过滤光片(3)滤除带外杂光并经过反射镜(4)和分色镜(5)两次反射后到达第二透镜(6)，再通过第二透镜(6)将焦点会聚到被测样品(7)上，被测样品(7)产生的拉曼散射光和其他光辐射一起通过第三透镜(8)收集并准直为平行光后，通过分色镜(5)滤除瑞利散射光和荧光，最后由第四透镜(9)会聚后从输出光纤(10)输出至外部光谱仪。
2.根据权利要求1所述的一种双元件共基体拉曼探头，其特征在于：所述的输入光纤(1)的数值孔径小于输出光纤(10)的数值孔径，保证输入光纤(1)不影响输出光纤(10)收集到的拉曼散射光。
3.根据权利要求1所述的一种双元件共基体拉曼探头，其特征在于：所述的第一透镜(2)和第四透镜(9)共基体设计，即在一块镜片基体上加工两个透镜。
4.根据权利要求3所述的一种双元件共基体拉曼探头，其特征在于：所述第一透镜(2)镜面曲率中心在输入光纤(1)的光轴上，其相对孔径不小于输入光纤(1)的数值孔径；第四透镜(9)镜面曲率中心在输出光纤(10)的光轴上，其相对孔径不大于输出光纤(10)的数值孔径。
5.根据权利要求3所述的一种双元件共基体拉曼探头，其特征在于：所述第一透镜(2)的孔径小于等于第四透镜(9)孔径的一半。
6.根据权利要求1所述的一种双元件共基体拉曼探头，其特征在于：所述的滤光片(3)和分色镜(5)共基体设计，即在一块镜片基体上的不同区域镀不同的膜层，实现滤光片(3)对激发光的窄带通功能，以及分色镜(5)对激发光和瑞利散射光的反射、部分拉曼散射光和荧光的吸收或透过、以及部分或全部拉曼散射光和荧光的透过功能。
7.根据权利要求6所述的一种双元件共基体拉曼探头，其特征在于：所述在一块镜片基体上的不同区域镀不同的膜层的镀膜过程如下：首先，采用掩膜方法遮挡分色镜(5)，在滤光片(3)涂覆窄带通膜层；然后清除分色镜(5)上的掩膜，在滤光片(3)上覆盖掩膜，对分色镜(5)涂覆高通膜层，最后清除滤光片(3)上的掩膜。
8.根据权利要求1所述的一种双元件共基体拉曼探头，其特征在于：所述反射镜(4)和分色镜(5)平行并与输出光纤(10)的光轴呈45°夹角放置。
9.根据权利要求1所述的一种双元件共基体拉曼探头，其特征在于：所述的第二透镜(6)和第三透镜(8)共基体设计，即第二透镜(6)作为第三透镜(8)的中心孔径部分，第二透镜(6)和第三透镜(8)镜面曲率半径、中心厚度完全相同，第二透镜(6)的口径与第一透镜(2)相同，第三透镜(8)的口径与第四透镜(9)相同。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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