CN110057807A - 液体环境中的多热点激发原路反馈拉曼光谱测试装置和方法 - Google Patents

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Abstract

液体环境中的多热点激发原路反馈拉曼光谱测试装置和方法，属于面向环境保护及环境监测的光学传感器技术领域。包括多个凹面反射镜，沿光路传播方向，激发光经光学滤波准直后入射到液体中的第一个凹面反射镜上，反射光束将形成第一个焦点，沿光路在第一个焦点后面一段距离r1后为第二个凹面反射镜，第二个凹面反射镜反射光束形成第二个焦点，依次类推共有n个凹面反射镜；第n‑1个凹面反射镜反射的光将形成第n‑1个焦点，第n个凹面反射镜垂直于其入射光束；上一个凹面反射镜的反射光作为下一个凹面反射镜的入射光。本发明将多焦点光学系统引入拉曼光谱测试装置，增加热点数量，提升拉曼光谱测试性能而达到痕量检测的水平。

Description

液体环境中的多热点激发原路反馈拉曼光谱测试装置和方法
技术领域
本发明属于面向环境保护及环境监测的光学传感器技术领域，涉及一种面向液体环境，特别是环境水中微量物质检测的光谱学测试装置和方法。
背景技术
拉曼光谱是一种包含了物质分子振动、转动信息的散射光谱。而每种分子都有其独特的光谱“指纹”，这些“指纹”可以用来对固态、液态、气态样品分子进行化学鉴别、组成成分等方面的研究和分析。作为一种快速、简单、可重复且无损伤的定量定性分析工具，目前已广泛应用于生物、化学、物理等领域。提高目标物的检测灵敏度、重复率及信噪比，是相关研究和器件研制的核心内容。
拉曼光谱测试装置一般是单热点激发，即将输出的激发光聚焦到一点，原路收集拉曼散射光谱信号。但仅利用了激发光焦点处光与样品的相互作用，液体待测物和激发光能量的利用率均很低。构建多个热点激发可以显著增强液体和激发光相互作用的体积或距离，从而显著提升拉曼散射信号强度与信噪比，实现在线高灵敏度样品检测。本发明正是基于上述考虑，提出将多焦点光学系统引入拉曼光谱测试装置，增加热点数量，提升拉曼光谱测试性能而达到痕量检测的水平。在此基础上研制具有稳定性好、灵敏度高的便携式的拉曼光谱检测仪器。
发明内容
本发明提出了一种适用于液体环境的多热点激发、原路反馈的拉曼光谱测试装置和方法。通过构建多个拉曼光谱激发热点，实现反馈机制和激发效率的倍增，利用激发光多次聚焦并且原路反馈，实现拉曼光谱的累加倍增，显著增强拉曼光谱信号的强度，从而提高液态物质中目标物的检测灵敏度，为溶液的检测提供新的技术方法。
本发明提出适用液体环境的基于多热点激发、原路反馈机制的一种拉曼光谱测试装置，其特征在于，包括多个凹面反射镜，沿光路传播方向，激发光经光学滤波准直后入射到液体中的第一个凹面反射镜上，反射光束将形成第一个焦点，沿光路在第一个焦点后面一段距离r1后为第二个凹面反射镜，第二个凹面反射镜反射光束形成第二个焦点，沿光路在第二个焦点后面一段距离r2后为第三个凹面反射镜，依次类推共有n个凹面反射镜；第n-2个凹面反射镜反射的光将形成第n-2个焦点，第n-2个焦点后面一段距离rn-2后为第n-1个凹面反射镜，第n-1个凹面反射镜反射的光将形成第n-1个焦点，第n个凹面反射镜垂直于其入射光束；上一个凹面反射镜的反射光作为下一个凹面反射镜的入射光。
优选n个凹面反射镜排列成两行，凹面反射镜的凹面朝向两行中间，两行的凹面反射镜相互交叉排布；所述的各个焦点位于两行间。
所述每个凹面反射镜的曲率和半径的大小可以相同或不同，且使得入射光能够在n个凹面反射镜间100％反射；
第i个焦点后面一段距离ri大于第i+1个凹面反射镜的1倍焦距，i为1至n-1；
采用上述的结构在最后一个凹面反射镜即第n个凹面反射镜将第n-1个凹面反射镜反射的光作为入射光束的同时还能够100％原路反射回来；利用凹面反射镜将激发光束多次聚焦后原路反馈，共形成2(n-1)个焦点。拉曼散射光信号强度是一般单次聚焦测试装置的2(n-1)倍。理论上，n可以为任意的自然数。考虑实际情况，n一般小于6。
凹面反射镜是在凹曲面上镀高反射率薄膜，实现对可见-近红外光的高效率反射和聚焦。反射膜材料可以是金、银、铜、铝等金属材料，是单层或多层介质膜。
测试时，将本发明所述的装置置于待测液体中，激发光经光学滤波准直后入射到液体中所述装置的第一个凹面反射镜的凹面上，经过原路收集拉曼散射光谱信号，然后进行测试。
本发明的优势特点：
1)本发明利用凹面反射镜将激发光多次聚焦，实现了多个热点同时激发待测液体，累加各个焦点产生的拉曼散射光谱，从而将拉曼光谱信号强度增强多倍。
2)原路反馈实现了100％反射激发光，使激发光焦点增加一倍，拉曼光谱信号强度随之增强一倍。
3)该方法设计简单、紧凑，不影响集成化小型化，实用性强，对客观条件要求不严格。
附图说明
图1、本发明“多热点激发原路反馈”方法的光路示意图。
①入射激发光束(实线)；②反射回的激发光束及拉曼散射光(虚线)；③凹面反射镜。
图2、实施例1“多热点激发原路反馈”方法的光路及尺寸示意图；
a、b、c分别对应第一二三个凹面反射镜。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步说明，但本发明并不限于以下实施例。
实施例1
第一二三个凹面反射镜尺寸、焦距均相同。平行激发光束入射，由第一个凹面反射镜反射后聚焦于第一个凹面镜焦点。第二个凹面反射镜在第一个焦点后两倍焦距位置，光束经第二个凹面反射镜反射后聚焦于两倍焦距处。第三个凹面反射镜在第二个焦点后两倍焦距处垂直光束放置，光束经第三个反射镜反射后原路返回。在三个凹面反射镜的反射下，激发光束聚焦了4次。则拉曼散射光谱信号强度增强至4倍。

Claims (8)

1.一种液体环境中的多热点激发、原路反馈的拉曼光谱测试装置，其特征在于，包括多个凹面反射镜，沿光路传播方向，激发光经光学滤波准直后入射到液体中的第一个凹面反射镜上，反射光束将形成第一个焦点，沿光路在第一个焦点后面一段距离r1后为第二个凹面反射镜，第二个凹面反射镜反射光束形成第二个焦点，沿光路在第二个焦点后面一段距离r2后为第三个凹面反射镜，依次类推共有n个凹面反射镜；第n-2个凹面反射镜反射的光将形成第n-2个焦点，第n-2个焦点后面一段距离rn-2后为第n-1个凹面反射镜，第n-1个凹面反射镜反射的光将形成第n-1个焦点，第n个凹面反射镜垂直于其入射光束；上一个凹面反射镜的反射光作为下一个凹面反射镜的入射光。
2.按照权利要求1所述的一种液体环境中的多热点激发、原路反馈的拉曼光谱测试装置，其特征在于，n个凹面反射镜排列成两行，凹面反射镜的凹面朝向两行中间，两行的凹面反射镜相互交叉排布；所述的各个焦点位于两行间。
3.按照权利要求1所述的一种液体环境中的多热点激发、原路反馈的拉曼光谱测试装置，其特征在于，所述每个凹面反射镜的曲率和半径的大小相同或不同，且使得入射光能够在n个凹面反射镜间100％反射。
4.按照权利要求1所述的一种液体环境中的多热点激发、原路反馈的拉曼光谱测试装置，其特征在于，第i个焦点后面一段距离ri大于第i+1个凹面反射镜的1倍焦距，i为1至n-1。
5.按照权利要求1所述的一种液体环境中的多热点激发、原路反馈的拉曼光谱测试装置，其特征在于，n小于6。
6.按照权利要求1所述的一种液体环境中的多热点激发、原路反馈的拉曼光谱测试装置，其特征在于，采用上述的结构在最后一个凹面反射镜即第n个凹面反射镜将第n-1个凹面反射镜反射的光作为入射光束的同时还能够100％原路反射回来；利用凹面反射镜将激发光束多次聚焦后原路反馈，共形成2(n-1)个焦点；拉曼散射光信号强度是一般单次聚焦测试装置的2(n-1)倍。
7.按照权利要求1所述的一种液体环境中的多热点激发、原路反馈的拉曼光谱测试装置，其特征在于，凹面反射镜是在凹曲面上镀高反射率薄膜，实现对可见-近红外光的高效率反射和聚焦；反射膜材料是金、银、铜、铝金属材料中的一种或几种，采用单层或多层介质膜。
8.利用权利要求1-7任一项所述的装置进行拉曼光谱测试的方法，其特征在于，将测试时，将所述的装置置于待测液体中，激发光经光学滤波准直后入射到液体中所述装置的第一个凹面反射镜的凹面上，经过原路收集拉曼散射光谱信号，然后进行测试。
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