CN109752361A - 推挽式光纤拉曼谱仪 - Google Patents

Abstract

本发明提供的是一种推挽式光纤拉曼谱仪。其特征是：它由光纤探头1、连接器2、三端口光纤环行器3、9和10、激光器4、波分复用器5、15和16、折射率匹配液6、窄带激光源7、双端口连接的光纤耦合器8和14、光纤自聚焦透镜准直器11和13、双面全反射镜13、差分式光电探测信号放大器17和18以及信号处理单元19和20组成。本发明采用全光纤设计，具备全光纤器件的优点，用光纤耦合器代替分束器，采用推挽式差动扫描镜作为光学延迟线，具有插入损耗动态平衡、扫描范围大、测量精度高等特点。将用于精确定位的窄带激光光源与待测拉曼光共光路，形成Mach‑Zehnder干涉测量系统，可实现窄带激光干涉信号对扫描光程的均匀校正。全光纤拉曼光谱仪系统呈完全对称形式，不需要可调衰减器的调节，而且采用差分光电探测信号放大器对微弱的拉曼光信号进行放大，不但增强了干涉信号的强度，也进一步提高了系统的信噪比。

Description

推挽式光纤拉曼谱仪

(一)技术领域

本发明涉及的是推挽式光纤拉曼谱仪，可用于各种物质分子成份和结构的分析与鉴定，属于光谱分析技术领域。

(二)背景技术

近年来，由于激光技术和光电信号转换器件迅猛的发展，拉漫光谱取得了很好的成效，随着人们更深入的研究，拉漫光谱技术得到越来越广泛的应用。

拉曼光谱是由物质的拉曼散射效应产生的，拉曼散射效应解释了物质的分子成份和结构，因此分析物质的拉曼光谱是了解物质分子信息十分有效的手段，在化学结构的测定方面，某些物质在红外光谱中没有吸收，而会表现出拉曼散射效应；在大气成份的测定方面，采用拉曼光谱法测定要比采用红外吸收光谱法分析的空间分辨率高很多，对于一些没有红外光谱分子结构对称的气体，只能采用拉曼光谱法进行分析；在石油的分析方面，拉曼光谱法是测定分子骨架链接方式的有效手段；在材料科学应用方面，AnthonyW.Musumeci和M.Chiorboli等人通过拉曼光谱法实现了测量晶体的品质和纯度。在宝石、钻石的鉴别方面，利用拉曼探针可以对宝石进行客观、准确、定量的检测。采用激光拉曼探针可以对红、兰宝石进行非破坏性鉴定；在生物医学方面，不但可以实现对各种疾病的检测，还可以对生物病菌的快速检测识别上，另外拉曼光谱技术还被应用在药物检测方面等，可以看出拉曼光谱技术应用非常的广泛，已经发展成为一种强有力的快速检测工具。

拉曼光谱仪根据光学原理的不同，可以分为色散型拉曼光谱仪和傅里叶变换拉曼光谱仪，在色散型拉曼光谱仪中重要的部件是单色仪，单色仪内部采用光栅结构对入射到单色仪的光进行色散分光，使用光栅时往往只利用了它的某一级光谱，由于光能量的分散，各级光谱的强度比较弱，在测量中带来很多不利的影响，而且色散型拉曼光谱仪容易受温度的影响，光谱信号随仪器温度变化产生波动，对测量结果带来较大的误差，相比色散型拉曼谱仪，傅里叶拉曼光谱仪采用双光束干涉的信号做傅里叶逆变换获取光谱，具有体积小、成本低、测量速度快等优点。

自拉曼效应在1928年被发现以后。经过几十年的发展研发出了多种拉曼光谱仪。英国的雷尼绍公司与英国的Leeds University合作，首先研制成功新型的激光共聚焦显微拉曼光谱和光谱成像仪，实现了灵活和高灵敏度的测量；美国Ocean Optics公司研制出R3000型光谱仪拉曼系统，可实现对波长范围在200～2700cm^-1的水性液体、粉末、凝胶和表面介质的实时光谱分析；美国Nicolet公司研制出激光拉曼光谱仪及各种拉曼附件，实现了电子冷却范围宽、免维护，可提供丰富的Raman标准谱库等优点。以上光谱仪以优良的性能在市场上占有领先地位，但是其昂贵的成本使其难以广泛的应用。1986年，D.Bruce Chase在文献Fourier Transform Raman Spectroscopy中，提出一种傅里叶拉曼光谱仪并给出了详细的测量光路，阐述和分析了影响拉曼光谱的主要因素(Journal of the AmericanChemical Society,0002-7863；1986；108卷；24期)。Dao N Q，Jouan M在文献The Ramanlaser fiber optics(RLFO)method and its applications中提出了一种用于远程、在位多成分检测的拉曼探针检测方法(Sensors and Actuators B,0925-4005,1993；11卷；1-3期；147页)。申请号为201310393168.9专利公开发明了一种拉曼光谱仪，由激光器、拉曼采集装置、透射型光栅光谱仪等器件组成实现对物质定性和半定量的分析，但是其复杂的光路结构和较高的机械精度要求，很难实现高精度的测量。专利号为201410822647.2专利中公开发明了一种便携式拉曼光谱仪，采用纯光学器件搭建光路，可移动部件多，搭建的系统不稳定，信噪比较低。全光纤系统比其他常规的系统具有无可比拟的优越性，如灵敏度高、抗电磁干扰、耐腐蚀、结构简单、体积小、重量轻等优点，成为近三十年来国际光纤领域研究和应用的热点和重点。

专利号为201510149475.1专利中公开发明一种全光纤拉曼光谱仪，由激光器、光强可调衰减器、拉曼光纤探头、光纤滤波器和光纤F-P光谱仪组成的全光纤光路光谱仪系统，该系统中的可调衰减器需要空气隔离技术、位移错位技术或固态衰减技术在内的法兰式、在线式或阴阳式的光纤衰减器，工艺要求较高，而且采用光纤光栅滤波器进行滤波，对温度极其敏感，导致测量结果易受环境温度的影响。

本发明所提出的推挽式光纤拉曼谱仪，不但具备全光纤器件的优点，而且克服了在先技术上的不足，具有分辨率高、灵敏度高、扫描速度快且成本低的优点，为拉曼光谱仪技术提供了一种新的解决方法，可广泛用于各种物质分子成份和结构的分析与鉴定。

(三)发明内容

本发明公开了一种全光纤推挽式光纤拉曼谱仪，可用于拉曼谱的高效收集与精确检测，进而实现物质分子的分析与鉴定的功能。本发明采用全光纤设计，具备全光纤器件的优点，用光纤耦合器代替分束器，用差动扫描镜作为光学延迟线，不仅简化了光路，还具有扫描范围大、精度高等特点。将用于精确定位的激光光源与待测拉曼光共光路，形成差动式Mach-Zehnder干涉测量系统，可实现激光干涉信号对扫描光程的均匀校正。全光纤拉曼光谱系统呈完全对称形式，不需要可调衰减器的调节，而且采用差分光电探测信号放大器对微弱的拉曼光信号进行放大，不但增强了干涉信号的强度，也进一步提高了系统的信噪比。

本发明的目的在于提供一种结构简单紧凑、体积小、扫描光程范围大、实现等间隔采样和远程检测的推挽式光纤拉曼谱仪。

本发明的目的是这样实现的：

如图1所示，该推挽式光纤拉曼谱仪是由光纤探头1、连接器2、三端口光纤环行器3、9和10、激光器4、波分复用器5、15和16、折射率匹配液6、窄带激光源7、双端口连接的光纤耦合器8和14、光纤自聚焦透镜准直器11和13、双面全反射镜13、差分式光电探测信号放大器17和18以及信号处理单元19和20组成。所述系统中激发光源4发出的光经由三端口光纤环行器3后经由连接器2到达拉曼探针1，该激光束打到样品上激发拉曼散射信号，经过拉曼探头并从中提取拉曼散射信号，再次经过连接器2和环形器3，经过波分复用器5后，激发光的瑞利后向散射信号被分离并进一步被折射率匹配液6吸收，剩下的拉曼光信号经由双端口连接的光纤耦合器8被注入到推挽式光程扫描匹配装置处，该光程扫描匹配装置处由三端口环形器9和10、两个光纤自聚焦透镜准直器11、12和一个双面全反射镜13组成，该光程扫描匹配装置产生两束问讯光信号，经过双端口耦合器14、波分复用器15和16被差分式光电探测器17所接收并放大，该信号最后经由信号处理单元19处理给出测量结果。与此同时，窄带激光源7发出的光经由双端口耦合器8被注入到同一个推挽式光程扫描匹配装置处，再由光程扫描匹配装置产生两束问讯光信号，经过双端口耦合器14和波分复用器15、16，分离出来形成均匀的干涉条纹，被差分式光电探测器18所接收并放大，该信号最后经由信号处理单元20处理得到干涉信号。

本发明的差动式光程扫描匹配装置中，两光纤自聚焦透镜准直器被固定在一个精密滑移台两侧的固定基座上，光学反射镜被固定在可以滑移的平台上，分别正对着两光纤准直器，该光程扫描匹配装置通过移动光学反射镜来改变该两束光信号的光程差，实现对光源光程变化的精确测量。

本发明将窄带激光光源与拉曼光信号形成了共光路Mach-Zehnder型干涉测量系统，由于扫描速度的非均匀性，可能会引起干涉条纹时域及频域信号均与理想干涉条纹存在误差，因此，这样的干涉信号需要得到校正。

为了实现对扫描镜的位移进行精确测量，本发明采用了窄带激光器作为位置测量光源，将该光源注入同一个光路中，窄带激光将产生一个均匀的干涉条纹信号，这个信号就可以用来对扫描镜进行精确的位置测量。但是在光程扫描测量装置中，由于扫描速度的非均匀性，导致干涉条纹时域及频域信号均与理想干涉条纹存在误差，因此，这样的干涉信号需要得到重建和校正。得到矫正的空间位移信号进一步被用于对拉曼干涉信号空间采集的校准。

本发明中将光程扫描位置测量系统与拉曼光测量系统合二而一，将窄带激光光源与待测拉曼光形成了共光路Mach-Zehnder型干涉测量系统，因而，二者的扫描速度不均匀性是相同的，因而可借助于窄带激光干涉信号对扫描光程的均匀校正，完成拉曼光干涉信号的校准，如图4所示。

(四)附图说明

图1是推挽式光纤拉曼谱仪结构示意图。由光纤拉曼探头1、连接器2、三端口光纤环行器3、9和10、激光器4、波分复用器5、15和16、折射率匹配液6、窄带激光源7、双端口连接的光纤耦合器8和14、光纤自聚焦透镜准直器11和13、双端面全反射镜13、差分式光电探测信号放大器17和18、以及信号处理单元19和20组成。

图2是经过调整了的推挽式光纤拉曼谱仪。图2所示的推挽式光纤拉曼谱仪结构示意图与图1所示的在结构上的主要差别在于：系统中采用了干涉滤波器取代了图1系统中的波分复用器5。

图3是瑞利、拉曼散射过程原理示意图。

图4是推挽式光纤拉曼谱仪等间隔采样示意图。

图5是采用推挽式光纤拉曼谱仪得到的光谱示意图。

(五)具体实施方式

下面结合附图来进一步阐述本发明。

图1给出了推挽式光纤拉曼谱仪结构示意图。该推挽式光纤拉曼谱仪是由光纤拉曼探头1、连接器2、三端口光纤环行器3、9和10、激光器4、波分复用器5、15和16、折射率匹配液6、窄带激光源7、双端口连接的光纤耦合器8和14、光纤自聚焦透镜准直器11和13、双面全反射镜13、差分式光电探测信号放大器17和18以及信号处理单元19和20组成。所述系统中激光源4发出的光经由三端口光纤环行器3后经由连接器2到达拉曼探针1，该激光束打到样品上激发拉曼散射信号，经过拉曼探头将后向散射信号反射回来，该信号中即包含了拉曼后向散射信号，也包含了激发光源的瑞利后向散射信号。为了从中提取拉曼散射信号，反射回的信号再次经过连接器2和环形器3，经过波分复用器5后，将激发光源的瑞利后向散射信号分离出来，并进一步被折射率匹配液6吸收，剩下的拉曼光信号经由双端口连接的光纤耦合器8被注入到推挽式光程扫描匹配装置处，该光程扫描匹配装置处由三端口环形器9和10、两个光纤自聚焦透镜准直器11、12和一个双面全反射镜13组成，该光程扫描匹配装置产生两束问讯光信号，经过双端口耦合器14、波分复用器15和16被差分式光电探测器17所接收并放大，该信号最后经由信号处理单元19处理给出测量结果。与此同时，窄带激光源7发出的光经由双端口耦合器8被注入到同一个推挽式光程扫描匹配装置处，再由光程扫描匹配装置产生两束问讯光信号，经过双端口耦合器14和波分复用器15、16分离出来，形成均匀的干涉条纹，被差分式光电探测器18所接收并放大，该信号最后经由信号处理单元20处理得到干涉信号。

为了更好的理解本推挽式光纤拉曼谱仪是如何实现的，下面结合图3对拉曼产生的原理以及系统实现拉曼谱还原的方法进行简要的阐述：

拉曼散射是分子对光子的一种非弹性散射效应。当用一定频率的激发光照射分子时，一部分散射光的频率和入射光的频率相等。这种散射是分子对光子的一种弹性散射。只有分子和光子间的碰撞为弹性碰撞，没有能量交换时，才会出现这种散射。该散射称为瑞利散射。还有一部分散射光的频率和激发光的频率不等，这种散射成为拉曼散射。拉曼散射发生跃迁，产生两种能量差：

ΔE＝h(ν₀-Δν) (1)

ΔE＝h(ν₀+Δν) (2)

拉曼散射中频率减少的称为斯托克斯散射，频率增加的散射称为反斯托克斯散射，斯托克斯散射通常要比反斯托克斯散射强得多，拉曼光谱仪通常测定的大多是斯托克斯散射，也统称为拉曼散射。散射光与入射光之间的频率差Δν称为拉曼位移，拉曼位移Δν与入射光频率无关，是表征分子振-转能级的特征物理量，这是拉曼光谱可以作为分子结构定性分析的依据。

依据傅里叶变换光谱学的基本原理，利用干涉图与光谱图之间傅里叶变换的对应关系，通过测量干涉图,对干涉图实施傅里叶变换来测定光谱图。但是动镜移动速度的微小变化都会改变数据点采集的位置，因而影响到光谱的测量。由于本发明采用了共光路Mach-Zehnder型干涉测量系统，实现了对待测拉曼光干涉图的等光程差的数据采集。因而，完全克服了由于扫描镜不均匀运动所带来的影响，可以获得精确的拉曼光谱的测量。

Claims (5)

1.推挽式光纤拉曼谱仪。其特征是：它由光纤探头1、连接器2、三端口光纤环行器3、9和10、激光器4、波分复用器5、15和16、折射率匹配液6、窄带激光源7、双端口连接的光纤耦合器8和14、光纤自聚焦透镜准直器11和13、双面全反射镜13、差分式光电探测信号放大器17和18以及信号处理单元19和20组成。所述系统中激光源4发出的光经由三端口光纤环行器3后经由连接器2到达光纤探针1，该激光束打到样品上激发拉曼散射信号，经过光纤探头并从中提取拉曼散射信号，再次经过连接器2和环形器3，经过波分复用器5后，激发光的瑞利后向信号被分离并被折射率匹配液6吸收，而剩下的拉曼光信号经由双端口连接的光纤耦合器8被注入到推挽式光程扫描匹配装置处，该光程扫描匹配装置处由三端口环形器9和10、两个光纤自聚焦透镜准直器11、12和一个双端面全反射镜13组成，该光程扫描匹配装置产生两束问讯光信号，经过双端口耦合器14、波分复用器15和16被差分式光电探测器17所接收并放大，该信号最后经由信号处理单元19处理给出测量结果。与此同时，窄带激光源7发出的光经由双端口耦合器8被注入到同一个推挽式光程扫描匹配装置处，再由光程扫描匹配装置产生两束问讯光信号，经过双端口耦合器14和波分复用器15、16，形成均匀的干涉条纹，被差分式光电探测器18所接收并放大，该信号最后经由信号处理单元20处理得到干涉信号。

2.根据权利要求1所述的推挽式光纤拉曼光谱仪，其特征是：该差动式光程扫描匹配装置中两光纤自聚焦透镜准直器被固定在一个精密滑移台的两侧固定的基座上，平行的双面光学反射镜被固定在可以滑移的平台上，正对着两侧的光纤准直器，该光程扫描匹配装置通过移动光学反射镜来改变反射镜两侧光信号的光程差，实现对光程变化的匹配扫描测量。

3.根据权利要求1所述的推挽式光纤拉曼光谱仪，其特征是：将窄带激光光源与拉曼光信号形成了共光路Mach-Zehnder型干涉测量系统，可实现激光干涉信号对扫描光程的均匀校正。

4.根据权利要求1所述的推挽式光纤拉曼光谱仪，其特征是：系统中采用了围绕拉曼激发光波长的波分复用器(WDM)，以分离较强的激发光的后向瑞利散射信号。被分离出来的瑞利散射信号被匹配液6所吸收。

5.根据权利要求1所述的推挽式光纤拉曼光谱仪，其特征是：系统中还可以采用围绕拉曼激发光波长的干涉型光学滤波器取代波分复用器，以分离较强的激发光的后向瑞利散射信号。