CN109557075A - 一种基于外腔谐振的拉曼增强结构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于外腔谐振的拉曼增强结构，该基于外腔谐振的拉曼增强结构分为Littrow腔内增强结构和Littman腔内增强结构，均是将气室置于激光的谐振腔内，即将气室置于外腔反馈式半导体激光器的外腔之中，这样就将激光与气室合二为一，不存在激光斜入射至气体腔内导致激发次数减少的问题，也不存在在光学元件上打孔导致系统更加复杂昂贵的问题；另外采用该结构的拉曼系统可以实现拉曼激光的单纵模输出以及波长可调谐，可以实现多波长拉曼光谱的检测。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于外腔谐振的拉曼增强结构。
背景技术
拉曼光谱仪能够从分子水平上对物质进行鉴别，提供分子的“指纹”谱信息。而且它对样品制备过程要求最低，因而可以实现快速的现场检测。即使被测样品放在包装袋、玻璃瓶等容器里也能方便地进行检测，它可以检测固体、溶液、气体，适用范围非常广泛，无论是在食品、药品的检测领域，还是环境监测领域，拉曼光谱仪都发挥了重要的作用。
到目前为止拉曼光谱检测技术已经广泛应用于食品安全、生物医学、考古学、公共安全等领域，对于物质的定性分析、定量分析以及分子结构解析都有很大的价值。但是拉曼光的信号是非常极其微弱的，微弱的信号使得该技术进一步扩大应用范围，尤其对于气体，拉曼信号相比于固体物质更加弱小。目前有很多学者提出腔内增强的方式来提高气体拉曼信号的强度。但是，常见的腔内增强方式的激光入射方向要么是斜入射至腔内，如果激光入射从气体腔外入射至腔内，那么必须保证入射光以一定角度入射至气体腔内，导致激光在腔内的反射次数受限于该角度，从而影响拉曼强度。或是在其中一个光学件上开出孔，作为激光的入射口，目的是让拉曼激光入射至腔内，这就导致系统变得复杂且昂贵，而且激光在腔内的谐振次数是有限的或者是随着反射次数增加，激光的功率快速下降，激光的能量逐渐减小，最终的结果是拉曼增强的量级都受到了很大的限制。现有方法难以实现拉曼强度较大增强，导致这一问题的主要原因是拉曼的激光与气体腔是分开的。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种基于外腔谐振的拉曼增强结构，能够将激光与气体腔合二为一，提高拉曼强度，实现多波长拉曼光谱的检测。
本发明提出的一种基于外腔谐振的拉曼增强结构，该拉曼增强结构为Littrow腔内增强结构，包括半导体激光器、气室、光栅、滤光片和光谱仪，所述气室设置在Littrow内腔结构中，所述半导体激光器和光栅相对设置在所述气室的两侧，所述半导体激光器和气室之间设有第一聚焦透镜，所述光栅与所述气室之间设有第一准直透镜，所述滤光片与所述气室呈并排平行间隔设置，所述滤光片与所述半导体激光器和光栅三者之间呈三角连线设置，所述滤光片与所述气室之间设有第二准直透镜，所述光谱仪设置与所述滤光片呈并排平行间隔设置，所述光谱仪位于所述滤光片远离所述气室的一侧，光谱仪与所述滤光片之间设有第二聚焦透镜。
进一步的，所述第一聚焦透镜与所述第一准直透镜对称设置在所述气室的两侧。
进一步的，所述第二聚焦透镜与所述第二准直透镜对称设置在所述滤光片的两侧。
进一步的，所述光栅呈倾斜设置，所述光栅的角度可调。
进一步的，所述光栅为闪耀光栅。
本发明提出的一种基于外腔谐振的拉曼增强结构，该拉曼增强结构为Littman腔内增强结构，包括半导体激光器、气室、光栅、直角棱镜、滤光片和光谱仪，所述气室设置在Littman内腔结构中，所述光栅和直角棱镜相对设置在所述气室的两侧，所述半导体激光器设在所述光栅的一侧并朝所述光栅发射激光，所述半导体激光器与所述光栅之间设有第三准直透镜，所述光栅与所述气室之间设有第三聚焦透镜，所述气室与所述直角棱镜之间设有第四准直透镜，所述滤光片与所述气室呈并排平行间隔设置，所述滤光片与所述光栅和直角棱镜三者之间呈三角连线设置，所述滤光片与所述气室之间设有第五准直透镜，所述光谱仪设置与所述滤光片呈并排平行间隔设置，所述光谱仪位于所述滤光片远离所述气室的一侧，光谱仪与所述滤光片之间设有第四聚焦透镜。
进一步的，所述第三聚焦透镜与所述第四准直透镜对称设置在所述气室的两侧。
进一步的，所述第四聚焦透镜与所述第五准直透镜对称设置在所述滤光片的两侧。
进一步的，所述光栅呈倾斜设置，所述光栅的角度可调。
进一步的，所述光栅为闪耀光栅。
借由上述方案，本发明至少具有以下优点：本发明基于外腔谐振的拉曼增强结构将气室置于激光的谐振腔内，即将气室置于外腔反馈式半导体激光器的外腔之中，这样就将激光与气室合二为一，不存在激光斜入射至气体腔内导致激发次数减少的问题，也不存在在光学元件上打孔导致系统更加复杂昂贵的问题；另外采用该结构的拉曼系统可以实现拉曼激光的单纵模输出以及波长可调谐，可以实现多波长拉曼光谱的检测。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。
附图说明
图1为本发明Littrow腔内增强结构的示意图；
图2为本发明Littman腔内增强结构的示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
实施例一：如图1所示，Littrow腔内增强结构：半导体激光器1发出的激光经第一聚焦透镜2聚焦于气室(石英气体容器)3的中心，聚焦光束经过第一准直透镜4准直后投射在闪耀光栅5上，由于闪耀光栅的衍射效率极高，接近100％，因此闪耀光栅几乎不存在零级出射，-1级衍射光束沿入射光方位原路返回，经过第一透镜后再次聚焦于气室之中，聚焦光束经过第一聚焦透镜2后，重新进入半导体激光器内部形成参与激光腔内的模式竞争。由于半导体激光器的模式竞争可以使得半导体激光器能够单纵模输出，进一步的，该单纵模激光再次从半导体激光器端面输出并重复以上的传输过程。这样将气室置于Littrow内腔结构中，能够对气室中的气体实现大量次数的重复激发，能够极大增大拉曼散射光的强度。拉曼散射光通过第二准直透镜6进行准直，准直光进入滤光片7滤除瑞利散射光后由第二聚焦透镜8收集进入光谱仪9进行拉曼光谱分析。所有的透镜具有增透型介质膜，透射率约为99.5％。
通过调整第一聚焦透镜与半导体激光器的相对的空间位置，从而将激光聚焦于气室之内，然后调整第一准直透镜的位置，使得激光准直输出并投影至光栅上。调整光栅的角度，使得光栅的一级衍射光能够返回至半导体激光器的腔内，完成激光的单纵模调整。此时可用高分辨光谱仪进行激光波长的测试，如波长不能满足需求，那么需要继续调整光栅的角度。激光单纵模调整完毕之后，将第二透镜准直以及第二聚焦透镜安装至初始位置，利用瑞利散射微调第二聚焦透镜的空间位置，使得瑞利散射光斑能够收集进入光谱仪中，然后安装滤光片，至此即完成整套系统的调试安装。如果需要进行多波长的拉曼光谱测试，只需微调闪耀光栅的角度就可以实现激发波长的切换，进行不同波长的激发。
实施例二：如图2所示，Littman腔内增强结构：半导体激光器1发出的激光经过第三准直透镜22准直后照射在光栅5上，由于光栅的-1级衍射效率极高，接近100％，几乎不存在零级反射光，-1级衍射光经过第三聚焦透镜23，第三聚焦透镜的焦点位于气室3之内，聚焦光束经过第四准直透镜24准直后进入直角棱镜10中，调整直角直角棱镜的角度，由于直角棱镜的全反射作用，反射光按原光路返回进入半导体激光器的腔参与模式竞争。由于半导体激光器的模式竞争可以使得半导体激光器能够单纵模输出，进一步的，该单纵模激光再次从半导体激光器端面输出并重复以上的传输过程。这样将气室置于Littman内腔结构中，能够对气室中的气体实现大量次数的重复激发，能够极大增大拉曼散射光的强度。拉曼散射光通过第五准直透镜25进行准直，准直光进入滤光片7滤除瑞利散射光后由第四聚焦透镜26收集进入光谱仪9进行拉曼光谱分析。所有的透镜具有增透型介质膜，透射率约为99.5％。
如果需要进行多波长的拉曼光谱测试，只需微调闪耀光栅的角度就可以实现激发波长的切换，进行不同波长的激发。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，并不用于限制本发明，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种基于外腔谐振的拉曼增强结构，其特征在于：该拉曼增强结构为Littrow腔内增强结构，包括半导体激光器、气室、光栅、滤光片和光谱仪，所述气室设置在Littrow内腔结构中，所述半导体激光器和光栅相对设置在所述气室的两侧，所述半导体激光器和气室之间设有第一聚焦透镜，所述光栅与所述气室之间设有第一准直透镜，所述滤光片与所述气室呈并排平行间隔设置，所述滤光片与所述半导体激光器和光栅三者之间呈三角连线设置，所述滤光片与所述气室之间设有第二准直透镜，所述光谱仪设置与所述滤光片呈并排平行间隔设置，所述光谱仪位于所述滤光片远离所述气室的一侧，光谱仪与所述滤光片之间设有第二聚焦透镜。
2.根据权利要求1所述的一种基于外腔谐振的拉曼增强结构，其特征在于：所述第一聚焦透镜与所述第一准直透镜对称设置在所述气室的两侧。
3.根据权利要求2所述的一种基于外腔谐振的拉曼增强结构，其特征在于：所述第二聚焦透镜与所述第二准直透镜对称设置在所述滤光片的两侧。
4.根据权利要求3所述的一种基于外腔谐振的拉曼增强结构，其特征在于：所述光栅呈倾斜设置，所述光栅的角度可调，所述光栅为闪耀光栅。
5.根据权利要求4所述的一种基于外腔谐振的拉曼增强结构，其特征在于：所述气室为石英气体容器。
6.一种基于外腔谐振的拉曼增强结构，其特征在于：该拉曼增强结构为Littman腔内增强结构，包括半导体激光器、气室、光栅、直角棱镜、滤光片和光谱仪，所述气室设置在Littman内腔结构中，所述光栅和直角棱镜相对设置在所述气室的两侧，所述半导体激光器设在所述光栅的一侧并朝所述光栅发射激光，所述半导体激光器与所述光栅之间设有第三准直透镜，所述光栅与所述气室之间设有第三聚焦透镜，所述气室与所述直角棱镜之间设有第四准直透镜，所述滤光片与所述气室呈并排平行间隔设置，所述滤光片与所述光栅和直角棱镜三者之间呈三角连线设置，所述滤光片与所述气室之间设有第五准直透镜，所述光谱仪设置与所述滤光片呈并排平行间隔设置，所述光谱仪位于所述滤光片远离所述气室的一侧，光谱仪与所述滤光片之间设有第四聚焦透镜。
7.根据权利要求6所述的一种基于外腔谐振的拉曼增强结构，其特征在于：所述第三聚焦透镜与所述第四准直透镜对称设置在所述气室的两侧。
8.根据权利要求7所述的一种基于外腔谐振的拉曼增强结构，其特征在于：所述第四聚焦透镜与所述第五准直透镜对称设置在所述滤光片的两侧。
9.根据权利要求8所述的一种基于外腔谐振的拉曼增强结构，其特征在于：所述光栅呈倾斜设置，所述光栅的角度可调，所述光栅为闪耀光栅。
10.根据权利要求9所述的一种基于外腔谐振的拉曼增强结构，其特征在于：所述气室为石英气体容器。
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