CN1091255C - 实时高温红外光谱光学泵浦采集系统 - Google Patents
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Abstract
一种实时高温红外光谱光学泵浦采集系统，用第一光纤耦合器(1)，将泵浦光从光谱仪中耦合进前光纤(2)，然后经光纤耦合聚焦系统(3)将泵浦光经高温炉(9)的前窗口(8)聚焦在样品(10)上，样品辐射出的信号光从后窗口(11)经第一平面反射镜(12)，进入由第三球面反射镜(13)与第四球面反射镜(14)构成的高精度成像系统，将样品的像成像于后置光栏(16)上，这样只有与后置光栏(16)小孔共焦的样品区域内所发出的红外辐射才能通过，再经第二光纤耦合器(15)、后光纤(17)、第三光纤耦合器(18)，送入光谱仪进行光谱测量。另外，因被测物体是高温体，光谱仪远离被测体，可以避免红外光谱仪中的许多元件遇高温损坏的问题，从而实现实时高温光谱测量。
Description
实时高温红外光谱光学泵浦采集系统，涉及到样品的光谱探测领域，尤其是涉及到样品在高温状态下的红外光谱实时探测。
实时高温红外光谱光学泵浦采集系统，高温样品的红外光谱信号实时探测，是研究高温环境下，各种材料物化特征及过程的重要手段。但在高温状态下，被测量样品本身，及其周围的容器、炉体、支撑架等都会发出红外辐射，这些红外辐射往往会将样品的信号淹没。已有的信号提取方法有两种，一是将泵浦光信号进行幅度调制，然后用相干滤波的方法提取样品信号；二是在接收光路上加上各种滤光片。方法一的缺点是要给光谱仪配上复杂的调制解调电子系统和光幅调制器，而且对通常商业生产的快扫描傅里叶变换光谱仪来说，这种斩波调制干涉光束的方法就不够了，这是因为被测样品热辐射的一半投向干涉仪，并经斩波器背面调制后返回样品和探测器。方法二的缺点是当信号与背景辐射波段接近或相同时，无法提取出样品信号。文献“Bruker FT-IR application Note 14，(1981).”(作者：Gervais F.，Sevion J.L.and Billand D.)对这两种方法作了详细讨论。
实时高温红外光谱光学泵浦采集系统，其目的是建立一种反射式共焦成像系统，将样品以外的各种红外辐射滤除，从而提取出样品红外光谱信号。
实现本发明的技术方案是，用第一光纤耦合器(1)，将泵浦光从光谱仪中耦合进前光纤(2)，然后经光纤耦合聚焦系统(3)将泵浦光经高温炉(9)的前窗口(8)聚焦在样品(10)上，样品辐射出的信号光从后窗口(11)经第一平面反射镜(12)，进入由第三球面反射镜(13)与第四球面反射镜(14)构成的高精度成像系统，将样品的像成像于后置光栏(16)上，这样只有与后置光栏(16)小孔共焦的样品区域内所发出的红外辐射才能通过，再经第二光纤耦合器(15)，后光纤(17)，第三光纤耦合器(18)，送入光谱仪进行光谱测量。
由于采用了共焦成像滤波的办法，只有样品区域内与滤波光栏共焦的被测点所辐射出的红外光谱信号才能进入光谱仪，其它物体所发出的红外辐射全部被滤除。这样，只要将样品的本底高温红外辐射信号减掉，就可得到所需的高信噪比的样品红外光谱信号。另外，因被测物体是高温体，光谱仪远离被测体，可以避免红外光谱仪中的许多元件遇高温损坏的问题，从而实现实时高温光谱测量。
实时高温红外光谱光学泵浦采集系统，现对附图作简要的图面说明，图1为红外激光拉曼傅立叶变换光谱仪的实时高温红外光谱泵浦采集光学系统示意图；图2为红外透射光谱仪的实时高温红外光谱泵浦采集光学系统示意图；图3为红外激光拉曼傅立叶变换光谱仪的反射实时高温红外光谱泵浦采集光学系统示意图；图4为红外反射光谱仪的实时高温红外光谱泵浦采集光学系统示意图。
实时高温红外光谱光学泵浦采集系统，现举出具体的实施例：
实施例1：如图1所示，红外激光拉曼光谱仪的泵浦激光，由第一光纤耦合器(1)，耦合进前光纤(2)，再由光纤耦合聚焦系统(3)聚焦，经前窗口(8)聚焦于高温炉(9)中的样品(10)上，F2是光纤耦合聚焦系统(3)的焦点，同时也是点F3由第三球面反射镜(13)、第四球面反射镜(14)和第一平面反射镜(12)组成的成像光学系统的共轭像点。样品散射出的红外信号，经后窗口(11)，由第一平面反射镜(12)、第三球面反射镜(13)和第四球面反射镜(14)构成的系统，被成像于F2的共轭像点F3处，在F2的共轭像点F3处有一后置光栏(16)，该后置光栏(16)也可以用后光纤(17)的输入端端面代替，这样只有后置光栏(16)在F3处共轭像大小范围内的红外信号才能通过后置光栏(16)，通过后置光栏(16)的信号经第二光纤耦合器(15)，耦合进后光纤(17)，而由第三光纤耦合器(18)耦合进光谱仪，进行光谱测量。
实施例2：如图2所示，红外光谱仪的泵浦光(或称照明光)经第一光纤耦合器(1)耦合进前光纤(2)，经光纤耦合聚焦系统(3)进入由第一球面反射镜(5)、第二球面反射镜(6)和第二平面反射镜(7)组成的成像光学系统，再由第二平面反射镜(7)将成像光束经前窗口(8)会聚到高温炉(9)中的被测样品(10)上，透射光经后窗口(11)，由第一平面反射镜(12)反射入由第三球面反射镜(13)、第四球面反射镜(14)组成的成像系统，成像于F3点处，其中前置光栏(4)或前光纤(2)的出射端端面位于第一球面反射镜(5)、第二球面反射镜(6)组成的成像系统的前共轭像点F1处，被测样品(10)位于其后共轭像点F2处；F2又是第三球面反射镜(13)、第四球面反射镜(14)所组成系统的前共轭像点，F3为该系统的后共轭像点，后置光栏(16)或后光纤(17)的入射端端面位于F3点，这样透过样品的光束由第二光纤耦合器(15)耦合进光纤，再由第三光纤耦合器(18)耦合进红外光谱仪，进行光谱测量。
实施例3：如图3所示，红外激光拉曼光谱仪的泵浦激光，由第一光纤耦合器(1)，耦合进前光纤(2)，再由光纤耦合聚焦系统(3)聚焦，经前窗口(8)聚焦于高温炉(9)中的样品(10)上，F2是光纤耦合聚焦系统(3)的焦点，同时也是由第三球面反射镜(13)、第四球面反射镜(14)和第一平面反射镜(12)组成的成像光学系统的成像点F3的共轭像点。样品反射方向上散射出的红外信号，经后窗口(11)，由第一平面反射镜(12)、第三球面反射镜(13)、第四球面反射镜(14)构成的系统，被成像于F2的共轭像点F3处，在F2的共轭像点F3处有一后置光栏(16)，该后置光栏(16)也可以用后光纤(17)的输入端端面代替，这样只有后置光栏(16)在F1处共轭像大小范围内的红外信号才能通过后置光栏(16)，通过后置光栏(16)的信号经第二光纤耦合器(15)，耦合进后光纤(17)，而由第三光纤耦合器(18)耦合进光谱仪，进行光谱测量。
实施例4：如图4所示，红外光谱仪的泵浦光(或称照明光)经第一光纤耦合器(1)耦合进前光纤(2)，经光纤耦合聚焦系统(3)进入由第一球面反射镜(5)、第二球面反射镜(6)组成的成像光学系统，再由第二平面反射镜(7)将成像光束经前窗口(8)会聚到高温炉(9)中的被测样品(10)上，反射光经后窗口(11)，由第一平面反射镜(12)反射入由第三球面反射镜(13)、第四球面反射镜(14)组成的成像系统，成像于F3点处，其中前置光栏(4)或前光纤(2)的出射端端面位于第一球面反射镜(5)、第二球面反射镜(6)组成的成像系统的前共轭像点F1处，被测样品位于其后共轭像点F2处；而F2又是第三球面反射镜(13)、第四球面反射镜(14)所组成系统的前共轭像点，F3为该系统的后共轭像点，后置光栏(16)或后光纤(17)的入射端端面位于F3点，这样透过样品的光束由第二光纤耦合器(15)耦合进后光纤(17)，再由第三光纤耦合器(18)耦合进红外光谱仪，进行光谱测量。
Claims (6)
1.一种实时高温红外光谱光学泵浦采集系统，由第一光纤耦合器(1)、前光纤(2)、光纤耦合聚焦系统(3)、高温炉(9)、前窗口(8)、后窗口(11)、样品(10)、第一平面反射镜(12)、第三球面反射镜(13)、第四球面反射镜(14)、后置光栏(16)、第二光纤耦合器(15)、后光纤(17)、第三光纤耦合器(18)组成，其特征在于：有一个由第三球面反射镜(13)、第四球面反射镜(14)和后置光栏(16)组成的反射式共焦成像系统。
2.如权利要求1所述的实时高温红外光谱光学泵浦采集系统，其特征在于：后置光栏(16)和样品(10)分别位于一对共轭像点F3和F2上，其中F2既是光纤耦合聚焦系统(3)的焦点，也是由第三球面反射镜(13)，第四球面反射镜(14)和第一平面反射镜(12)组成的成像光学系统的成像点F3的共轭像点。
3.如权利要求1或2所述的实时高温红外光谱光学泵浦采集系统，其特征在于：后置光栏(16)是后光纤(17)的输入端端面。
4.一种实时高温红外光谱光学泵浦采集系统，由第一光纤耦合器(1)、前光纤(2)、光纤耦合聚焦系统(3)、前置光栏(4)、第一球面反射镜(5)、第二球面反射镜(6)、第二平面反射镜(7)、前窗口(8)、后窗口(11)、高温炉(9)、样品(10)、第一平面反射镜(12)、第三球面反射镜(13)、第四球面反射镜(14)、后置光栏(16)、第二光纤耦合器(15)、后光纤(17)、第三光纤耦合器(18)组成，其特征在于：有一个由第一球面反射镜(5)、第二球面反射镜(6)和前置光栏(4)组成的共焦成像系统以及一个由第三球面反射镜(13)、第四球面反射镜(14)和后置光栏(16)组成的共焦成像系统。
5.如权利要求4所述的实时高温红外光谱光学泵浦采集系统，其特征在于前置光栏(4)、样品(10)、后置光栏(16)分别位于互为共轭像点的F1、F2、F3上，其中F1是第一球面反射镜(5)、第二球面反射镜(6)和第二平面反射镜(7)组成的成像系统的前共轭像点，而F2是该系统的后共轭像点；同时F2又是第三球面反射镜(13)、第四球面反射镜(14)和第一平面反射镜(12)组成的成像系统的前共轭像点，F3为该系统的后共轭像点。
6.如权利要求4或5所述的实时高温红外光谱光学泵浦采集系统，其特征在于前置光栏(4)和后置光栏(16)分别是前光纤(2)的输出端端面和后光纤(17)的输入端端面。
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