CN110018150A - 一种基于距离选通模式的紫外远程拉曼分析仪 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于距离选通模式的紫外远程拉曼分析仪，主要包括266nm低重频纳秒脉冲激光器、望远聚焦光学系统、光栅光谱仪、日盲型ICCD探测器和时序控制单元。通过时序同步对纳秒脉冲紫外激光器和日盲型ICCD探测器进行触发同步和信号采集的时序同步控制，实现远距离目标的紫外拉曼信号激发、收集和探测。本发明可用于远距离目标的拉曼激发和信号采集，实现非接触式无损探测，可用于易燃易爆品、矿石、文物、珠宝等物品的检测，具有信噪比高、荧光干扰小、探测距离远等优势。
Description
技术领域：
本发明涉及远距离目标拉曼分析技术，尤其涉及一种基于距离选通模式的紫外远程拉曼分析仪。
背景技术：
拉曼光谱反应了分子内部振动、转动能级信息，是对分子化合物进行定性分析判据的一种技术，是分子识别的指纹光谱。拉曼技术具有非接触测量、检测速度快、无需制样的特点，被广泛应用于生物医药、化工制品、物理化学、材料科学、矿物矿石、爆炸物、文物古玩、易燃易爆品、液体试剂、刑事侦查等检测诊断中。
目前市场上常见拉曼光谱仪主要以532nm，785nm，1064nm等可见或近红外波长的激光作为激发源，所采集的信号极易受到荧光信号和外界杂散光的影响。且拉曼光谱的散射效率较低，只有激发光强度的10-6量级左右。
而且在非实验室条件下的检测作业中，特别是在机场、火车站等公共场的易燃易爆、危险爆炸物等管制物品检测，以及户外矿石矿物检测等场景时，常规连续激光作为拉曼光谱激发源的模式因工作距离较小不再适合。
发明内容：
为解决上述技术问题，本发明提供一种基于距离选通模式的紫外远程拉曼分析仪，可对易燃易爆品、爆炸品、矿石矿物等物品进行远距离检测，非接触式测量，无需制样的原位测量，时序控制的信号选通技术，拉曼光谱信噪比高，紫外波段荧光干扰信号弱。
本发明的基于距离选通模式的紫外远程拉曼分析仪，其包括：266nm低重频纳秒脉冲激光器、望远聚焦光学系统、陷波滤波片、离轴抛物面镜、光栅光谱仪、ICCD探测器和时序同步控制单元；
其中，所述266nm低重频纳秒脉冲激光器，作为待测目标的照明光源，用于激发目标拉曼散射信号；所述望远聚焦光学系统，收集所述266nm低重频纳秒脉冲激光器激发的拉曼散射信号，聚焦后形成平行光束；所述陷波滤波片，用于过滤所述望远聚焦光学系统聚焦后的平行光束，去除弹性散射光；所述离轴抛物面镜，会聚所述陷波滤波片过滤后的266nm拉曼信号，将其入射到光栅光谱仪狭缝；所述光栅光谱仪，用于收集拉曼信号的频域分析；所述ICCD探测器，用于紫外拉曼光谱信号的采集，同时避免环境杂散光影响；所述时序同步控制单元，用于调节脉冲激光器触发时序与日盲型ICCD探测器门控时序的同步控制。
有益效果：
1、相较于可见或近红外拉曼光谱技术，紫外拉曼光谱具有如下优点：(1)因拉曼光谱本征强度与激发光频率的四次方成正比，故紫外激光激发下的拉曼信号强度更大，信噪比更高；(2)大多数材料，荧光信号发生在可见波长区域，在紫外波段不能激发荧光信号，紫外拉曼位移信号可以有效避免荧光信号干扰；(3)紫外拉曼光谱与分子电子能级接近，易产生共振，提高拉曼光谱信号强度。(4)高温物体的黑体辐射波长集中在可见和近红外区域，紫外拉曼光谱在检测高温目标上具有独特的优势。因此，采用紫外拉曼光谱技术可以有效的提高拉曼信号强度和避免荧光干扰的影响。
2、利用纳秒脉冲激光作为激发源，通过时序同步控制以距离选通的工作模式进行拉曼光谱分析，具有非接触式测量、激光传输特性好、有效避免环境杂散光和荧光信号干扰等优势，特别适合远距离目标的非接触、无损伤探测。
3、基于时序同步控制的远程拉曼光谱可以同时解决样品荧光信号干扰、背向瑞利散射信号干扰、环境杂散光噪声干扰等问题，提高拉曼信号强度，适用于远程目标指纹光谱探测，提高拉曼信号信噪比和检测灵敏度。
附图说明：
附图1是一种基于距离选通模式的紫外远程拉曼分析仪的整体结构图。
附图2是基于532nm低重频脉冲激光器的远程拉曼分析仪的时序控制原理图。
附图标记如下：101-266nm低重频纳米脉冲激光器，102-待测目标，103-望远聚焦系统次镜，104-望远聚焦系统主镜，105-陷波滤波片，106-离轴抛物面镜，107-光栅光谱仪，108-ICCD探测器，109-时序同步控制单元。
具体实施方式
远程拉曼光谱分析技术对数十米外的目标进行有效的探测，并通过时序同步控制ICCD探测器在拉曼信号达到的时间进行“开门”选通，有效降低环境杂散光和背景荧光干扰，提高拉曼信号信噪比；同时采用紫外拉曼光谱技术可以有效的提高拉曼信号强度和避免荧光干扰的影响。基于此原理详细论述本申请专利。
如图1所示，一种基于266nm低重频脉冲激光器的远程拉曼分析仪，包括：266nm低重频纳秒脉冲激光器101，待测目标102，,望远聚焦系统次镜103，望远聚焦系统主镜104，陷波滤波片105，离轴抛物面镜106，光栅光谱仪107，ICCD探测器108，时序同步控制单元109。
其工作原理如下：
266nm低重频纳秒脉冲激光器101，出射1-20Hz重复频率脉冲激光打到待测目标102表面。待测目标102激发的拉曼散射信号，经103和104构成的望远聚焦系统收集后形成平行光束，并通过陷波滤波片105过滤掉266nm的弹性散射光，经离轴抛物面镜106聚焦后，光信号入射到光栅光谱仪107的狭缝。光栅光谱仪107对采集的拉曼信号进行频域分光，后进入ICCD探测器108进行信号探测。时序同步控制单元109以外触发控制的形式，调节266nm低重频纳秒脉冲激光器101和ICCD探测器108的时序同步，在回波拉曼信号到达ICCD探测器的时刻“开门”采集信号。
如图2所示，外触发纳秒激光脉冲信号、拉曼散射信号、ICCD选通时序的工作频率相同，带宽分别为ΔT2、ΔT2、ΔT3，脉冲激光发射时间与拉曼信号到达探测器的时间间隔为Δt，为使收集的拉曼信号被ICCD探测器有效探测，带宽ΔT3>ΔT2。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
Claims (10)
1.一种基于距离选通模式的紫外远程拉曼分析仪，其特征在于，包括：266nm低重频脉冲激光器、望远聚焦光学系统、陷波滤波片、离轴抛物面镜、光栅光谱仪、ICCD探测器和时序同步控制单元；
所述266nm低重频脉冲激光器，作为待测目标的照明光源，用于激发目标拉曼散射信号；
所述望远聚焦光学系统，收集所述266nm低重频脉冲激光器激发的拉曼散射信号，聚焦后形成平行光束；
所述陷波滤波片，用于过滤所述望远聚焦光学系统聚焦后的平行光束，去除弹性散射光；
所述离轴抛物面镜，会聚所述陷波滤波片过滤后的266nm拉曼信号，将其入射到光栅光谱仪狭缝；
所述光栅光谱仪，用于收集拉曼信号的频域分析；
所述ICCD探测器，用于紫外拉曼光谱信号的采集；
所述时序同步控制单元，用于调节脉冲激光器触发时序与日盲型ICCD探测器门控时序的同步控制。
2.根据权利1所述的基于距离选通模式的紫外远程拉曼分析仪，其特征在于：所述ICCD探测器为日盲型ICCD探测器，其最小光学门宽<20ns，响应波段为200-700nm。
3.根据权利1所述的基于距离选通模式的紫外远程拉曼分析仪，其特征在于：所述266nm低重频纳秒脉冲激光器，激光波长为266nm，脉宽<10ns，重复频率1-20Hz，具有外触发功能。
4.根据权利1所述的基于距离选通模式的紫外远程拉曼分析仪，其特征在于：所述望远聚焦光学系统采用卡塞-格林式结构作为目标拉曼信号的光学收集系统，主镜、次镜间距调节可实现对目标聚焦，且镜面表面镀膜为铝，反射波段200-1100nm。
5.根据权利1所述的基于距离选通模式的紫外远程拉曼分析仪，其特征在于：所述266nm低重频脉冲激光光路与望远光学系统光路，采用小角入射的非共轴设计。
6.根据权利1所述的基于距离选通模式的紫外远程拉曼分析仪，其特征在于：所述陷波滤光片为脉冲激光对应波长的窄带滤光片，中心波长266nm，带宽为±5nm。
7.根据权利1所述的基于距离选通模式的紫外远程拉曼分析仪，其特征在于：所述光栅光谱仪为紫外波段光栅光谱仪，波谱范围200-1100nm。
8.根据权利2所述的基于距离选通模式的紫外远程拉曼分析仪，其特征在于：所述266nm低重频纳秒脉冲激光器与日盲型ICCD探测器通过所述时序控制单元进行时序控制，日盲型ICCD探测器选通门控仅在收集信号到达时间开启。
9.根据权利1所述的基于距离选通模式的紫外远程拉曼分析仪，其特征在于，所述时序同步控制单元的通道数≥4，抖动<50ps。
10.根据权利1所述的基于距离选通模式的紫外远程拉曼分析仪，其特征在于，所述离轴抛物面镜，表面镀膜为铝，反射波段200-1100nm，反射率>90％。
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20190716 |
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