CN110108692B - 高效光程折叠器件及拉曼探测器和系统 - Google Patents

Abstract

本申请属于激光探测领域，提供一种高效光程折叠器件及拉曼探测器和系统，高效光程折叠器件可以实现对光束的多次反射，具备较长的光程以及较高的光程体积比，体积小巧；拉曼探测器通过采用高效光程折叠器件，使激励激光可以多次通过样品室，反复激发待测样品，从而获得增强的拉曼光信号；拉曼探测系统通过采用拉曼探测器，对增强的拉曼光信号进行收集和光谱分析、体积小、光路结构稳定，可以有效提高待测样品的拉曼光谱分析结果的准确性和精度。

Description

高效光程折叠器件及拉曼探测器和系统

技术领域

本申请涉及激光探测领域，具体涉及一种高效光程折叠器件及拉曼探测器和系统。

背景技术

拉曼光谱是由激励光束的光子与待测样品分子进行非弹性碰撞产生的散射光信号。拉曼光信号含有物质识别非常重要的指纹光谱信息，相比于红外吸收光谱，拉曼光谱重叠少，且大多数重要的分子或基团都是拉曼活性的，许多红外非活性的对称分子，如N2、H2等都有拉曼光谱，因此拉曼光谱分析具有广阔的应用前景。拉曼光信号太弱且是散射光，能否对拉曼光信号进行增强是影响拉曼光谱分析结果可靠性的重要因素。

发明内容

有鉴于此，本申请实施例提供了一种高效光程折叠器件及拉曼探测器和系统，能够使激励激光可以多次通过样品室，反复激发待测样品，从而获得增强的拉曼光信号，有效提高待测样品的拉曼光谱分析结果的准确性和精度。

本申请实施例第一方面提供一种高效光程折叠器件，包括：

一个输入端，用于输入光束；

一个输出端，用于输出光束，所述输入端与所述输出端分离设置；

一个主平面反射镜；

一个凹面反射镜，具有一个焦平面，所述焦平面到所述凹面反射镜的距离为所述凹面反射镜的焦距f，所述焦平面具有一个原点，所述原点为所述主平面反射镜与凹面反射镜组成的光学系统的光轴在所述焦平面上的交点；

一个倾斜反射镜，为面积小于所述主平面反射镜的平面反射镜，所述倾斜反射镜的法线与所述主平面反射镜的法线之间的倾斜角为θ1且θ1不为零；

至少一个直角反射镜，所述直角反射镜的非反射面的面积小于所述主平面反射镜且所述直角反射镜的两个反射面朝向所述凹面反射镜设置；

所述输入端的入射面、所述输出端的出射面、所述主平面反射镜和所述倾斜反射镜共面且位于所述凹面反射镜的焦平面，所述输入端和所述输出端位于所述主平面反射镜的同一端；

光束从所述输入端输入，通过所述凹面反射镜、所述主平面反射镜、所述倾斜反射镜和所述至少一个直角反射镜之间的多次反射后，从所述输出端输出。

在一个实施例中，所述至少一个直角反射镜包括：

一个切角直角反射镜，相对所述输入端和所述输出端设置于所述主平面反射镜的另一端；

所述输入端的入射面、所述输出端的出射面、所述主平面反射镜、所述倾斜反射镜和所述切角直角反射镜的切角共面且位于所述凹面反射镜的焦平面。

在一个实施例中，所述至少一个直角反射镜包括：

一个直角反射镜，相对所述输入端和所述输出端设置于所述主平面反射镜的另一端；

一个切角直角反射镜，与所述输入端和所述输出端设置于所述主平面反射镜的同一端，所述直角反射镜和所述切角直角反射镜的中轴线错位Δx且Δx不为零；

所述输入端的入射面、所述输出端的出射面、所述主平面反射镜、所述倾斜反射镜和所述切角直角反射镜的切角共面且位于所述凹面反射镜的焦平面。

本申请实施例第二方面提供一种高效光程折叠器件，包括：

一个输入端，用于输入光束；

一个输出端，用于输出光束，所述输入端与所述输出端分离设置；

一个主平面反射镜；

一个凹面反射镜，具有一个焦平面，所述焦平面到所述凹面反射镜的距离为所述凹面反射镜的焦距f，所述焦平面具有一个原点，所述原点为所述主平面反射镜与凹面反射镜组成的光学系统的光轴在所述焦平面上的交点，所述主平面反射镜偏离所述焦平面设置且偏离量为Δf；

一个倾斜反射镜，面积小于所述主平面反射镜，所述倾斜反射镜包括相邻设置的两个反射面，其中一个反射面的法线与所述主平面反射镜的法线之间的倾斜角为θ1且θ1不为零，另一个反射面的法线与所述主平面反射镜的法线之间的倾斜角为θ2；

一个第一条反射镜，为面积小于所述主平面反射镜的平面反射镜，所述第一条反射镜的法线与入射其上的光束之间的倾斜角为γ1且γ1不为零；

所述输入端的入射面、所述输出端的出射面、所述主平面反射镜、所述倾斜反射镜和所述第一条反射镜共面，所述输入端和所述输出端位于所述主平面反射镜的同一端，所述第一条反射镜相对所述输入端和所述输出端设置于所述主平面反射镜的另一端；

光束从所述输入端输入，通过所述凹面反射镜、所述主平面反射镜、所述倾斜反射镜和所述第一条反射镜之间的多次反射后，从所述输出端输出。

在一个实施例中，本申请第二方面提供的高效光程折叠器件还包括：

一个第二条反射镜，为面积小于所述主平面反射镜的平面反射镜，所述第二条反射镜的法线与入射其上的光束之间的倾斜角为γ2且γ2不为零；

所述输入端的入射面、所述输出端的出射面、所述主平面反射镜、所述倾斜反射镜所述第一条反射镜和所述第二条反射镜共面，所述输入端、所述输出端和所述第二条反射镜位于所述主平面反射镜的同一端，或者，所述第一条反射镜和所述输出端位于所述主平面反射镜的同一端；

光束从所述输入端输入，通过所述凹面反射镜、所述主平面反射镜、所述倾斜反射镜、所述第一条反射镜和所述第二条反射镜之间的多次反射后，从所述输出端输出。

在一个实施例中，本申请第二方面提供的高效光程折叠器件中，-5％f≤Δf≤-0.5％f；

或者，0.5％f≤Δf≤5％f。

在一个实施例中，本申请第二方面提供的高效光程折叠器件中，所述偏离量Δf为正，所述主平面反射镜到所述凹面反射镜的距离大于所述焦距f。

本申请实施例第三方面提供一种拉曼探测器，包括：

一个输入端，用于输入激励光束；

一个输出端，用于输出激励光束，所述输入端与所述输出端分离设置；

一个主平面反射镜；

一个凹面反射镜，具有一个焦平面，所述焦平面到所述凹面反射镜的距离为所述凹面反射镜的焦距f，所述焦平面具有一个原点，所述原点为所述主平面反射镜与凹面反射镜组成的光学系统的光轴在所述焦平面上的交点；

一个倾斜反射镜，为面积小于所述主平面反射镜的平面反射镜，所述倾斜反射镜的法线与所述主平面反射镜的法线之间的倾斜角为θ1且θ1不为零；

一个样品室，含有待测样品，置于所述倾斜反射镜区域和共轭区域中的至少一个，所述共轭区域与所述倾斜反射镜关于所述原点对称，所述倾斜反射镜区域和所述共轭区域中的至少一个镀有可反射激励光束且可透射拉曼光信号的多层介质膜；

至少一个拉曼信号输出装置，置于所述多层介质膜后远离所述样品室的一侧；

所述输入端的入射面、所述输出端的出射面、所述主平面反射镜、所述倾斜反射镜和所述拉曼信号输出装置的出射面共面且位于所述凹面反射镜的焦平面；

激励光束从所述输入端输入，通过所述凹面反射镜、所述主平面反射镜、所述样品室和所述倾斜反射镜之间的多次反射后，从所述输出端输出激励光束，所述激励光束通过所述样品室时激励出与所述激励光束波长不同的拉曼光信号，所述拉曼光信号从所述拉曼信号输出装置输出。

本申请实施例第四方面提供一种拉曼探测器，包括：

一个本申请实施例第一方面或第二方面提供的高效光程折叠器件；

一个样品室，含有待测样品，置于所述倾斜反射镜区域和共轭区域中的至少一个，所述共轭区域与所述倾斜反射镜关于所述原点对称，所述倾斜反射镜区域和所述共轭区域中的至少一个镀有可反射激励光束且可透射拉曼光信号的多层介质膜；

至少一个拉曼信号输出装置，置于所述多层介质膜后方远离所述样品室的一侧；

所述输入端的入射面、所述输出端的出射面、所述主平面反射镜、所述倾斜反射镜和所述拉曼信号输出装置的出射面共面且位于所述凹面反射镜的焦平面；

激励光束从所述输入端输入，通过所述凹面反射镜、所述主平面反射镜、所述样品室和所述倾斜反射镜之间的多次反射后，从所述输出端输出激励光束，所述激励光束通过所述样品室时激励出与所述激励光束波长不同的拉曼光信号，所述拉曼光信号从所述拉曼信号输出装置输出。

本申请实施例第五方面提供一种拉曼探测系统，包括：

一个本申请实施例第三方面或第四方面提供的拉曼探测器；

一个稳频激光器，与所述输入端连接，用于产生所述激励光束；以及

一个光谱仪，与所述拉曼信号输出装置连接，用于收集所述拉曼光信号，获得所述待测样品的拉曼光谱并进行光谱分析。

本申请实施例的第一方面和第二方面提供的高效光程折叠器件，可以实现对光束的多次反射，具备较长的光程以及较高的光程体积比，体积小巧；

本申请实施例的第三方面和第四方面提供的拉曼探测器，光程长、体积小、光路结构稳定，使激励激光可以多次通过样品室，反复激发待测样品，从而获得增强的拉曼光信号；

本申请实施例第五方面提供的拉曼探测系统，对增强的拉曼光信号进行光谱分析、体积小、光路结构稳定，可以有效提高待测样品的拉曼光谱分析结果的准确性和精度。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本申请实施例一提供的高效光程折叠器件的原理图；

图2是本申请实施例一提供的高效光程折叠器件光束位置在焦平面上的分布及倾斜反射镜的位置；

图3是本申请实施例一提供的高效光程折叠器件中倾斜反射镜倾斜方向说明；

图4是本申请实施例二提供的高效光程折叠器件的原理图；

图5是本申请实施例二提供的直角反射镜的实现方式；

图6是本申请实施例三提供的高效光程折叠器件的原理图；

图7是本申请实施例三提供的光束在两个直角反射镜之间传播的等效模型；

图8是本申请实施例四提供的高效光程折叠器件的原理图；

图9是本申请实施例四提供的倾斜反射镜的实现方式；

图10是本申请实施例五提供的高效光程折叠器件的原理图；

图11是本申请实施例六提供的拉曼探测器的原理图；

图12是本申请实施例七提供的拉曼探测系统的原理图。

具体实施方式

以下描述中，为了说明而不是为了限定，提出了诸如特定系统结构、技术之类的具体细节，以便透彻理解本申请实施例。然而，本领域的技术人员应当清楚，在没有这些具体细节的其它实施例中也可以实现本申请。在其它情况中，省略对众所周知的系统、装置、电路以及方法的详细说明，以免不必要的细节妨碍本申请的描述。

为了说明本申请所述的技术方案，下面通过具体实施例来进行说明。

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。

本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“包括”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。此外，术语“第一”和“第二”等是用于区别不同对象，而非用于描述特定顺序。

实施例一

如图1所示，本申请提供一种高效光程折叠器件100，包括：

一个输入端101，用于输入光束；

一个输出端102，用于输出光束，输入端101与输出端102分离设置；

一个主平面反射镜104；

一个凹面反射镜103，具有一个焦平面106，焦平面106到凹面反射镜103的距离107为凹面反射镜103的焦距f；焦平面106具有一个原点109，原点109是主平面反射镜104与凹面反射镜103组成的光学系统的光轴108在焦平面106上的交点；

一个倾斜反射镜105，为面积小于主平面反射镜104的平面反射镜，倾斜反射镜105的法线与主平面反射镜104的法线之间的倾斜角为θ1；倾斜角θ1不为零；

输入端101的入射面、输出端102的出射面、主平面反射镜104和倾斜反射镜105共面且位于凹面反射镜103的焦平面106；

光束从输入端101输入，通过凹面反射镜103、主平面反射镜104和倾斜反射镜105之间的多次反射后，从输出端102输出。

从光学特性来看，由于采用了共焦系统，在焦平面106上，光束的半径和发散半角将在两组取值间变换，与凹面反射镜103的反射次数无关，只与凹面反射镜103的反射次数的奇偶性有关。设输入端101输入光束的半径为A0，发散半角为β0，经过一次凹面反射镜103的反射到达焦平面106后光束的半径为A₁，发散角半为β₁，则有如下关系：

A₁＝β0·f (1)

β₁＝A0/f (2)

经过两次凹面反射镜103的反射到达焦平面106后光束的半径为A₂，发散半角为β₂，可以通过应用(1)和(2)式两次得到：

A₂＝β₁·f＝(A0/f)·f＝A0 (3)

β₂＝A₁/f＝(β0·f)/f＝β0 (4)

从(3)和(4)式可以看到，输入光束经两次凹面反射镜103反射后到达焦平面106后恢复了输入光束的特性(A0，β0)，容易看到经过偶数次凹面反射镜103的反射后，光束的特性将与输入光束相同；对奇数次凹面反射镜103的反射，光束的特性将取(1)和(2)所得到的半径和发散半角(A₁，β₁)。

对于输入光束的主光束位置和角度(相对主平面反射镜104与凹面反射镜103组成的光轴)的变换，在没有引入倾斜反射镜105的情况下，可以证明在经过四次凹面反射镜103的反射到达焦平面后，光束的主光束位置与输入光束的主光束位置重合，角度与输入光束的主光束角度关于光轴成镜像对称；由于光束的主光束位置与输入光束的主光束位置重合，光束不再被主平面反射镜104反射，而通过输入端101输出，因此在没有引入倾斜反射镜105的情况下，光束最多被凹面反射镜103反射四次，总光程受到很大限制。

本申请实施例一在凹面反射镜103和主平面反射镜104组成的共焦光学系统上，引入一个倾斜反射镜105，其位置偏离原点109一定距离，并位于输入光束经凹面反射镜103第一次反射或第三次反射到达焦平面106的位置，倾斜反射镜105改变了光束的反射角度，使光束经凹面反射镜103反射后，改变了随后偶数次反射光束在焦平面106上的位置，而奇数次反射光束在焦平面106上的位置不变，使得所有光束的位置不再与输入端101冲突，实现光束的多次反射。

可以证明，如图2所示，引入倾斜反射镜105后，在主平面反射镜104所处的焦平面106上，经凹面反射镜1+4n(n＝0，1，2，3······)次反射后，光束的位置在同一个位置，记为P₁(即21)；经凹面反射镜3+4n(n＝0，1，2，3······)次反射后，光束的位置在同一个位置，记为P₃(即22)；经凹面反射镜4+4n(n＝0，1，2，3······)次反射后，光束的位置为P₄、P₈、P₁₂······，它们与输入光束的位置P₀在一条直线上，记为L₄(即23)；经凹面反射镜2+4n(n＝0，1，2，3······)次反射后，光束的位置为P₂、P₆、P₁₀······，它们在一条直线上，记为L₂(即204)。

为了说明方便，图2和图3中，倾斜反射镜105选在了经凹面反射镜103第三次反射后光束在焦平面的位置P₃(即22)，它的法线25与主平面反射镜104的法线26形成一个倾斜角θ1，沿两个法线形成的平面与焦平面106相交形成的棱线方向作一矢量，称作移位矢量ΔP(即27)，其长度由下式定义：

ΔP＝tan(2θ1)·f(5)

容易证明对分布在L₂上光束位置P₂、P₆、P₁₀······，和分布在L₄的光束位置P₀、P₄、P₈、P₁₂······，相邻光束位置间隔即为由(5)式给出的ΔP，并且L₂和L₄平行于ΔP。可以看到ΔP包含了倾斜反射镜的倾斜角θ1大小和方向。

由共焦光学系统的性质可知P₁(21)与P₃(22)关于焦平面的原点109是对称的，为使倾斜反射镜105不对P₁上的光束干扰，倾斜反射镜105偏离焦平面原点109的距离大于P₁或P₃上的光束半径A₁，由前述(1)式可知A₁＝β0·f；同时为保证倾斜反射镜105能反射到达其上的所有光束能量，其通光直径大于P₁或P₃上的光束直径2·A₁，即2β0·f。

为避免倾斜反射镜105对L₂或L₄上光束的干扰，倾斜角θ1方向的选取使得移位矢量ΔP的方向不在输入端101和P₃(22)的连线方向上，与之形成一定夹角，经过偶数次凹面反射镜103的反射后，光束到达焦平面106时输入光束的中心到倾斜反射镜105的边界的距离大于输入光束的半径A0，从而使以L₂或L₄上以光束直径为宽度的通光带不与倾斜反射镜105重叠。

输出端102可以取在L₂或L₄上，优选取在与输入端共线的L₄上，即输出端102位于输入光束被凹面反射镜103反射4的正整数倍次数之后达到焦平面106的位置，因此输入端101和输出端102在L₄(23)的两侧；输出端102的这种配置方式使得输出光束的位置和角度对凹面反射镜103相对主平面反射镜104的角度为位置偏差不敏感，光学系统具有很高的稳定性。

在一个实施例中，所述输入端是带有第一尾纤的第一光纤准直器，光束通过所述第一光纤准直器输入；

或者，所述输入端是带有第一尾纤阵列的第一光纤准直器阵列，光束通过所述第一光纤准直器阵列输入；

或者，所述输入端是所述主平面反射镜上的通光孔或开角，光束从自由空间进入所述输入端；

或者，所述输入端是第一光纤或第一光纤阵列；

所述输出端是带有第二尾纤的第二光纤准直器，所述输出光束通过所述第二光纤准直器输出；

或者，所述输出端是带有第二尾纤阵列的第二光纤准直器阵列，所述输出光束通过所述第二光纤准直器阵列输出；

或者，所述输出端是所述主平面反射镜上的通光孔或开角，所述输出光束从所述输出端输出至自由空间；

或者，所述输出端是第二光纤或第二光纤阵列。

图1中示例性的示出了输入端101和输出端102是主平面反射镜104上的通光孔或开角的情况。

在具体应用中，通光孔和开角的形式适合发散角较大的非相干输入光束情况，光束通过自由空间传播方式输入；对于输入光束为发散角较小的相干光束，如激光，选择光纤或光纤准直器作为光束输入端，输出端相应地选择光纤或光纤准直器输出光束，也可选择自由空间输出光束。

本实施例可以实现对光束的多次反射，具备较长的光程以及较高的光程体积比，体积小巧。

实施例二

如图4所示，在实施例一的基础上，本实施例提供一种高效光程折叠器件200，在高效光程折叠器件100的基础上增加一个位于输出端102位置处的切角直角反射镜201和一个输出端202，并去掉输出端102。

在本实施例中，切角直角反射镜201的非反射面的面积小于主平面反射镜103且切角直角反射镜201的两个反射面朝向凹面反射镜103设置，切角直角反射镜201的其中一个反射面在焦平面106上的正投影覆盖输出端102位置；

输出端202用于取代输出端102输出光束，输入端101与输出端202分离设置且输入端101和输出端202位于主平面反射镜104的同一端，切角直角反射镜201相对输入端101和输出端202设置于主平面反射镜104的另一端；

输入端101的入射面、输出端202的出射面、主平面反射镜104的反射面、倾斜反射镜105的反射面和切角直角反射镜201的切角共面且位于凹面反射镜103的焦平面106。

在具体应用中，切角直角反射镜可以是具有切角的直角棱镜型反射镜或具有切角的双反射型反射镜，切角直角反射镜两个反射面呈90°。切角直角反射镜可以等效替换为无切角的直角反射镜，同理，直角反射镜可以是直角棱镜型反射镜或双反射型反射镜，直角反射镜两个反射面呈90°。

本实施例中，采用切角直角反射镜是为了便于装配，通过将切角直角反射镜的切角设置于主平面反射镜且与主平面反射镜共面，使得切角直角反射镜可以稳固地固定于主平面反射镜的反射面。

如图5所示，示例性的示出了一个具有切角的直角棱镜型反射镜51，包括一个镀有增透膜的非反射面511和两个反射面(分别表示为512和513)；

一个具有切角的双反射型反射镜52，包括一个非反射面521和两个反射面(分别表示为522和523)；

一个直角棱镜型反射镜53，包括一个镀有增透膜的非反射面531和两个反射面(分别表示为532和533)；

一个双反射型反射镜54，包括一个非反射面541和两个反射面(分别表示为542和543)。

在具体应用中，由于直角棱镜型反射镜表面的反射作用会使光能损失，为了减少入射至直角棱镜型反射镜表面的光束的光能损失，需要在直角棱镜型反射镜的表面镀一层透明介质薄膜(即增透膜)，以增加光束的透过率。

本实施例中通过采用一个切角直角反射镜201放置于输出端102位置，使原本经由输出端102输出的光束在切角直角反射镜201的两个反射面之间平移，并逆向返回凹面反射镜103、主平面反射镜104和倾斜反射镜105构成的三镜系统，再次通过三镜系统的多次反射后，在切角直角反射镜201的两个反射面之间进一步平移，并再次逆向返回三镜系统，如此反复平移并逆向返回三镜系统之后，最终经由输出端202输出，由于切角直角反射镜201使光束平移，从而使得输入端101和输出端202可以分离设置。

本实施例在实施例一的基础上进一步的增加了光束的反射次数，相比于实施例一具备更长的光程以及更高的光程体积比。

应当理解的是，实施例二所提供的高效光程折叠器件200相对于实施例一所提供的高效光程折叠器件100的工作原理基本相同，实施例二中仅着重介绍两者之间的区别点，实施例一中的其他实施方式亦可等效应用于实施例二，此处不再赘述。

实施例三

如图6所示，在实施例一的基础上，本实施例提供一种高效光程折叠器件300，在高效光程折叠器件100的基础上增加一个输入端301、一个输出端302、一个位于输出端102位置处的直角反射镜303和一个位于输入端101位置处的切角直角反射镜304，并去掉输入端101和输出端102。

在本实施例中，输入端301用于取代输入端101输入光束，输出端302用于取代输出端101输出光束，输入端301与输出端302分离设置且输入端301和输出端302位于主平面反射镜104的同一端；

直角反射镜303相对输入端301和输出端302设置于主平面反射镜104的另一端，直角反射镜303的非反射面的面积小于主平面反射镜103且直角反射镜303的两个反射面朝向凹面反射镜103设置，直角反射镜303的其中一个反射面在焦平面106上的正投影覆盖输出端102位置；

切角直角反射镜304与输入端301和输出端302设置于主平面反射镜104的同一端，切角直角反射镜304的非反射面的面积小于主平面反射镜103且切角直角反射镜304的两个反射面朝向凹面反射镜103设置，切角直角反射镜304的其中一个反射面在焦平面106上的正投影覆盖输入端101位置，切直角反射镜304的两个反射面在焦平面106上的正投影均未覆盖输入端301和输出端302位置，直角反射镜303和切角直角反射镜304的中轴线错位Δx且Δx不为零；

输入端301的入射面、输出端302的出射面、主平面反射镜104、倾斜反射镜105和切角直角反射镜304的切角共面且位于凹面反射镜103的焦平面106。

在具体应用中，直角反射镜和切角直角反射镜的具体类型参见实施例二，此处不再赘述。

图6中示例性的示出直角反射镜303和切角直角反射镜304均为直角棱镜型反射镜。

图7示例性的示出了光束在直角反射镜303和切角直角反射镜304之间反复平移和反射的等效模型；图7中两条虚线分别为直角反射镜303和切角直角反射镜304的中轴线，带箭头的实线表示光束，两条光束之间的距离为2*Δx，即光束在直角反射镜303和切角直角反射镜304之间的单次平移距离为2倍的Δx。

本实施例中通过采用一个直角反射镜303放置于输出端102位置，一个切角直角反射镜304放置于输入端101位置，使原本经由输出端102输出的光束在直角反射镜303的两个反射面之间平移，并逆向返回凹面反射镜103、主平面反射镜104和倾斜反射镜105构成的三镜系统，再次通过三镜系统的多次反射后，在切角直角反射镜304的两个反射面之间进一步平移，并再次逆向返回三镜系统，再次在直角反射镜303的两个反射面之间平移，如此反复平移并逆向返回三镜系统之后，最终经由输出端302输出，由于直角反射镜303使光束平移，从而使得输入端301和输出端302可以分离设置。

本实施例在实施例一的基础上进一步的增加了光束的反射次数，相比于实施例一具备更长的光程以及更高的光程体积比；并且由于直角反射镜设置于输出端位置，切角直角反射镜设置于输入端位置，使得经直角反射镜和切角直角反射镜反射的光束在主平面反射镜和凹面反射镜上的光斑位置与三镜系统相同，系统的稳定性高。

在一个实施例中，实施例三所提供的高效光程折叠器件300还可以包括设置于直角反射镜303和切角直角反射镜304之间的至少一个其他直角反射镜(可以是有切角的切角直角反射镜)，所述其他直角反射镜的非反射面的面积小于所述主平面反射镜且所述其他直角反射镜的两个反射面朝向所述凹面反射镜设置。

应当理解的是，实施例三所提供的高效光程折叠器件300相对于实施例一所提供的高效光程折叠器件100的工作原理基本相同，实施例三中仅着重介绍两者之间的区别点，实施例一中的其他实施方式亦可等效应用于实施例三，此处不再赘述。

实施例四

如图8所示，在实施例一的基础上，本实施例提供一种高效光程折叠器件400，在高效光程折叠器件100的基础上增加一个输出端401和一个位于输出端102位置处的第一条反射镜402，去掉输出端102，将倾斜反射镜105等效替换为倾斜反射镜403，并使主平面反射镜104偏离焦平面106设置且偏离量为Δf，即主平面反射镜104与凹面反射镜103之间的距离偏离焦距f。

在本实施例中，第一条反射镜402，为面积小于主平面反射镜104的平面反射镜，第一条反射镜402的法线与入射其上的光束之间的倾斜角为γ1且γ1不为零；

倾斜反射镜403包括相邻设置的两个反射面，其中一个反射面的法线与主平面反射镜104的法线之间的倾斜角为θ1且θ1不为零；另一个反射面的法线与主平面反射镜104的法线之间的倾斜角为θ2；

输入端101的入射面、输出端401的出射面、主平面反射镜104、倾斜反射镜403和第一条反射镜402共面，输入端101和输出端401位于主平面反射镜104的同一端且输出端401设置于输入端101旁，第一条反射镜402相对输入端101和输出端401设置于主平面反射镜的另一端；

光束从输入端101输入，通过凹面反射镜103、主平面反射镜104、倾斜反射镜403和第一条反射镜402之间的多次反射后，从输出端401输出。

在一个实施例中，倾斜反射镜403的一个反射面相对于主平面反射镜倾斜设置，另一个反射面相对于主平面反射镜平行，即θ2为零。

在一个实施例中，倾斜反射镜403的两个反射面相对于主平面反射镜倾斜设置且相互对称，即θ1与θ2之和为零。

图8示例性的示出倾斜反射镜403的两个反射面相对于主平面反射镜倾斜设置且相互对称的情况。

如图9所示，示例性的示出了倾斜反射镜403的两种实现方式；在一种实现方式中，倾斜反射镜403的一个反射面相对于主平面反射镜倾斜设置，另一个反射面相对于主平面反射镜平行；在另一种实现方式中，倾斜反射镜403的两个反射面相对于主平面反射镜倾斜设置且相互对称。

在本实施例中，倾斜反射镜403可以设置于原点109附近。

在本实施例中，第一条反射镜402的法线与入射其上的光束带有一个角度，使得反射光束反射到倾斜反射镜403后位置有所偏离，如不返回到P3位置，而是返回到与P3同一反射面但横向位置不同的P4位置，结合主平面反射镜与凹面反射镜的离焦作用，反射光束将逆向但不原路返回，返回光束轨迹在位置上将与正向轨迹分离，导致输出端401与输入端101的位置分离，可以实现输入光束和输出光束的空间分离。

在一个实施例中，偏离量Δf为焦距f的±0.5％～5％，即-5％f≤Δf≤-0.5％f或0.5％f≤Δf≤5％f。

在一个实施例中，所述偏离量Δf为正，所述主平面反射镜到所述凹面反射镜的距离大于所述焦距f。

在具体应用中，选择偏离量为正，即主平面反射镜104与凹面反射镜103之间的距离大于焦距f，倾斜反射镜403本身的厚度补偿作用使得倾斜反射镜403的反射面位于焦平面106附近(倾斜反射镜403的反射面相对于焦平面106的偏离量小于0.5％f)，使得高效光程折叠器件400输出的光束的光斑具有最小像差。

本实施例所提供的高效光程折叠器件400相对于实施例一所提供的高效光程折叠器件100，光程增加一倍。

应当理解的是，本实施例所提供的高效光程折叠器件400相对于实施例一所提供的高效光程折叠器件100的工作原理基本相同，本实施例中仅着重介绍两者之间的区别点，实施例一中的其他实施方式亦可等效应用于本实施例，此处不再赘述。

实施例五

如图10所示，在实施例四的基础上，本实施例提供一种高效光程折叠器件500，在光程折叠器400的基础上增加一个第二条反射镜501。

在本实施例中，第二条反射镜501，为面积小于主平面反射镜104的平面反射镜，第二条反射镜501的法线与入射其上的光束之间的倾斜角为γ2且γ2不为零；

输入端101的入射面、输出端401的出射面、主平面反射镜104、倾斜反射镜403、第一条反射镜402和第二条反射镜501共面，输入端101、输出端401和第二条反射镜501位于主平面反射镜104的同一端，或者，第一条反射镜402和输出端401位于主平面反射镜104的同一端；

光束从输入端101输入，通过凹面反射镜103、主平面反射镜104、倾斜子反射镜403、第一条反射镜402和第二条反射镜501之间的多次反射后，从输出端401输出。

在具体应用中，本实施例所提供的五镜系统构成的高效光程折叠器件500相当于在四镜系统构成的光程折叠系统400的基础上增加一个第二条反射镜501。

在本实施例中，第二条反射镜501的法线与入射其上的光束之间带有一定角度，第二条反射镜501在四镜系统的基础上反射原本将由输出端401输出的光束，使光束再次沿正向传播。第二条反射镜501的法线取向使得再次沿正向传播的光束入射至倾斜反射镜403、凹面反射镜103和主平面反射镜104组成的三镜系统，正向传播至第一条反射镜402并被第一条反射镜402反射，沿同一个三镜系统返回至第二条反射镜501并被反射，如此循环往复，直到光束达到输出端401被输出。

在本实施例中，输出端401可以和第一条反射镜402位于主平面反射镜104的同一端，也可以和第二条反射镜501位于主平面反射镜104的同一端。图10中示例性的示出输出端401和第二条反射镜501位于主平面反射镜104的同一端。

本实施例所提供的高效光程折叠器件500相对于实施例一所提供的高效光程折叠器件100，光程最大可增加2(n-1)倍，其中，n为光束在到达输出端之前被循环往复的次数，n≥1且n为整数。

应当理解的是，本实施例所提供的高效光程折叠器件500相对于实施例四所提供的高效光程折叠器件400的工作原理基本相同，本实施例中仅着重介绍两者之间的区别点，实施例四中的其他实施方式亦可等效应用于本实施例，此处不再赘述。

实施例六

在实施例一～实施例五中任一项的基础上，本实施例提供一种拉曼探测器，在高效光程折叠器件100～500中任一个的基础上增加一个样品室和至少一个拉曼信号输出装置；

在本实施例中，所述输入端用于输入激励光束；

所述输出端用于输出激励光束；

所述样品室含有待测样品，置于所述倾斜反射镜区域和共轭区域中的至少一个，所述共轭区域与所述倾斜反射镜关于所述原点对称，所述倾斜反射镜区域和所述共轭区域中的至少一个镀有可反射激励光束且可透射拉曼光信号的多层介质膜；

所述至少一个拉曼信号输出装置，置于所述多层介质膜后远离所述样品室的一侧；

所述输入端的入射面、所述输出端的出射面、所述主平面反射镜、所述倾斜反射镜和所述拉曼信号输出装置的出射面共面且位于所述凹面反射镜的焦平面；

激励光束从所述输入端输入，通过所述凹面反射镜、所述主平面反射镜、所述样品室和所述倾斜反射镜之间的多次反射后，从所述输出端输出激励光束，所述激励光束通过所述样品室时激励出与所述激励光束波长不同的拉曼光信号，所述拉曼光信号从所述拉曼信号输出装置输出。

在本实施例中，定义与倾斜反射镜关于原点对称的区域为共轭区域，样品室置于倾斜反射镜区域和共轭区域中的至少一个，倾斜反射镜区域和共轭区域中的至少一个镀有可反射激励光束且可透射拉曼光信号的多层介质膜，多层介质膜后方设置有至少一个拉曼信号输出装置；当样品室置于倾斜反射镜区域时，倾斜反射镜区域镀有多层介质膜，拉曼信号输出装置设置于倾斜反射镜区域后方远离样品室的一侧；当样品室置于共轭区域时，共轭区域镀有多层介质膜，拉曼信号输出装置设置于共轭区域后方远离样品室的一侧。

在具体应用中，样品室的通光面(包括朝向凹面反射镜的一面和朝向主平面反射镜的一面)镀有可透过光线的增透膜。

在具体应用中，待测样品可以是气体或液体，当待测样品为气体时，可以去除样品室，将凹面反射镜103、主平面反射镜104和倾斜反射镜105组成的光学系统的腔体本身作为气体的容器。

在一个实施例中，所述拉曼信号输出装置是带有尾纤的光纤准直器，所述拉曼光信号通过所述光纤准直器输出；

或者，所述拉曼信号输出装置是带有尾纤阵列的光纤准直器阵列，所述拉曼光信号通过所述光纤准直器阵列输出；

或者，所述拉曼信号输出装置是所述主平面反射镜上的通光孔或开角，所述拉曼光信号从所述拉曼信号输出装置的自由空间中输出；

或者，所述拉曼信号输出装置是光纤或光纤阵列。

在一个实施例中，所述拉曼探测器还包括：

耦合透镜，设置于所述拉曼信号输出装置之前靠近所述样品室的一侧，用于将所述拉曼光信号耦合至所述至少一个拉曼信号输出装置的出射面。

在具体应用中，耦合透镜可以是凸透镜。

本实施例提供的拉曼探测器，光程长、体积小、光路结构稳定，使激励激光可以多次通过样品室，反复激发待测样品，从而获得增强的拉曼光信号。

应当理解的是，本实施例提供的高效光程折叠器件相对于实施例实施例一～五任一项所提供的高效光程折叠器件的工作原理基本相同，本实施例中仅着重介绍两者之间的区别点，实施例一～五中的其他实施方式亦可等效应用于本实施例，此处不再赘述。

如图11所示，示例性的示出了在实施例一的基础上实现的拉曼探测器600，在高效光程折叠器件100的基础上增加一个样品室601和两个拉曼信号输出装置(分别表示为602和603)。

在图11中，样品室601置于倾斜反射镜105区域和共轭区域604，拉曼信号输出装置602为第三光纤，拉曼信号输出装置603为第四光纤。

应当理解的是，图11所示的拉曼探测器600相对于实施例一所提供的高效光程折叠器件100的工作原理基本相同，图11仅着重示出两者之间的区别点，实施例一中的其他实施方式亦可等效应用于本实施例，此处不再赘述。

实施例七

在实施例六的基础上，本实施例提供一种拉曼探测系统，在实施例六的基础上增加一个激光器和一个光谱仪。

在本实施例中，所述激光器与所述输入端连接，用于产生所述激励光束

所述光谱仪与所述拉曼信号输出装置连接，用于收集所述拉曼光信号，获得所述待测样品的拉曼光谱并进行光谱分析。

在具体应用中，激光器可以为稳频激光器，激光器的类型具体可以为半导体激光器。光谱仪可以是具备光噪声和激励光束滤除功能的光谱仪。

如图12所示，示例性的示出了在实施例六所提供的拉曼探测器600的基础上实现的拉曼探测系统700，输入端101是与激光器701连接的第一光纤，拉曼信号输出装置602和603与光谱仪702连接。

本实施例提供的拉曼探测系统，对增强的拉曼光信号进行光谱分析、体积小、光路结构稳定，可以有效提高待测样品的拉曼光谱分析结果的准确性和精度。

应当理解的是，本实施例所提供的拉曼探测系统相对于实施例六所提供的拉曼探测器的工作原理基本相同，本实施例中仅着重介绍两者之间的区别点，实施例六中的其他实施方式亦可等效应用于本实施例，此处不再赘述。

以上所述仅为本申请的较佳实施例而已，并不用以限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种高效光程折叠器件，其特征在于，包括：

一个输入端，用于输入光束；

一个输出端，用于输出光束，所述输入端与所述输出端分离设置；

一个主平面反射镜；

一个凹面反射镜，具有一个焦平面，所述焦平面到所述凹面反射镜的距离为所述凹面反射镜的焦距f，所述焦平面具有一个原点，所述原点为所述主平面反射镜与凹面反射镜组成的光学系统的光轴在所述焦平面上的交点；

一个倾斜反射镜，为面积小于所述主平面反射镜的平面反射镜，所述倾斜反射镜的法线与所述主平面反射镜的法线之间的倾斜角为θ1且θ1不为零；

至少一个直角反射镜，所述直角反射镜的非反射面的面积小于所述主平面反射镜且所述直角反射镜的两个反射面朝向所述凹面反射镜设置；

所述输入端的入射面、所述输出端的出射面、所述主平面反射镜和所述倾斜反射镜共面且位于所述凹面反射镜的焦平面，所述输入端和所述输出端分离设置且位于所述主平面反射镜的同一端，一个直角反射镜相对所述输入端和所述输出端设置于所述主平面反射镜的另一端；

光束从所述输入端输入，通过所述凹面反射镜、所述主平面反射镜、所述倾斜反射镜和所述至少一个直角反射镜之间的多次反射后，从所述输出端输出；其中，原本经由所述输出端输出的光束在所述直角反射镜的两个反射面之间平移，并逆向返回所述凹面反射镜、所述主平面反射镜和所述倾斜反射镜构成的三镜系统，再次通过所述三镜系统的多次反射后，在所述直角反射镜的两个反射面之间进一步平移，并再次逆向返回所述三镜系统，如此反复平移并逆向返回所述三镜系统之后，最终经由所述输出端输出。

2.如权利要求1所述的高效光程折叠器件，其特征在于，所述至少一个直角反射镜包括：

一个切角直角反射镜，相对所述输入端和所述输出端设置于所述主平面反射镜的另一端；

所述输入端的入射面、所述输出端的出射面、所述主平面反射镜、所述倾斜反射镜和所述切角直角反射镜的切角共面且位于所述凹面反射镜的焦平面。

3.如权利要求1所述的高效光程折叠器件，其特征在于，所述至少一个直角反射镜包括：

一个直角反射镜，相对所述输入端和所述输出端设置于所述主平面反射镜的另一端；

一个切角直角反射镜，与所述输入端和所述输出端设置于所述主平面反射镜的同一端，所述直角反射镜和所述切角直角反射镜的中轴线错位∆x且∆x不为零；

所述输入端的入射面、所述输出端的出射面、所述主平面反射镜、所述倾斜反射镜和所述切角直角反射镜的切角共面且位于所述凹面反射镜的焦平面。

4.一种高效光程折叠器件，其特征在于，包括：

一个输入端，用于输入光束；

一个输出端，用于输出光束，所述输入端与所述输出端分离设置；

一个主平面反射镜；

一个凹面反射镜，具有一个焦平面，所述焦平面到所述凹面反射镜的距离为所述凹面反射镜的焦距f，所述焦平面具有一个原点，所述原点为所述主平面反射镜与凹面反射镜组成的光学系统的光轴在所述焦平面上的交点，所述主平面反射镜偏离所述焦平面设置且偏离量为∆f；

一个倾斜反射镜，面积小于所述主平面反射镜，所述倾斜反射镜包括相邻设置的两个反射面，其中一个反射面的法线与所述主平面反射镜的法线之间的倾斜角为θ1且θ1不为零，另一个反射面的法线与所述主平面反射镜的法线之间的倾斜角为θ2；

一个第一条反射镜，为面积小于所述主平面反射镜的平面反射镜，所述第一条反射镜的法线与入射其上的光束之间的倾斜角为γ1且γ1不为零；

所述输入端的入射面、所述输出端的出射面、所述主平面反射镜、所述倾斜反射镜和所述第一条反射镜共面，所述输入端和所述输出端位于所述主平面反射镜的同一端，所述第一条反射镜相对所述输入端和所述输出端设置于所述主平面反射镜的另一端；

光束从所述输入端输入，通过所述凹面反射镜、所述主平面反射镜、所述倾斜反射镜和所述第一条反射镜之间的多次反射后，从所述输出端输出。

5.如权利要求4所述的高效光程折叠器件，其特征在于，还包括：

一个第二条反射镜，为面积小于所述主平面反射镜的平面反射镜，所述第二条反射镜的法线与入射其上的光束之间的倾斜角为γ2且γ2不为零；

所述输入端的入射面、所述输出端的出射面、所述主平面反射镜、所述倾斜反射镜所述第一条反射镜和所述第二条反射镜共面，所述输入端、所述输出端和所述第二条反射镜位于所述主平面反射镜的同一端，或者，所述第一条反射镜和所述输出端位于所述主平面反射镜的同一端；

光束从所述输入端输入，通过所述凹面反射镜、所述主平面反射镜、所述倾斜反射镜、所述第一条反射镜和所述第二条反射镜之间的多次反射后，从所述输出端输出。

6.如权利要求4或5所述的高效光程折叠器件，其特征在于，-5%f≤∆f≤-0.5%f；

或者，0.5%f≤∆f≤5%f。

7.如权利要求6所述的高效光程折叠器件，其特征在于，所述偏离量∆f为正，所述主平面反射镜到所述凹面反射镜的距离大于所述焦距f。

8.一种拉曼探测器，其特征在于，包括：

一个输入端，用于输入激励光束；

一个输出端，用于输出激励光束，所述输入端与所述输出端分离设置；

一个主平面反射镜；

一个凹面反射镜，具有一个焦平面，所述焦平面到所述凹面反射镜的距离为所述凹面反射镜的焦距f，所述焦平面具有一个原点，所述原点为所述主平面反射镜与凹面反射镜组成的光学系统的光轴在所述焦平面上的交点；

一个倾斜反射镜，为面积小于所述主平面反射镜的平面反射镜，所述倾斜反射镜的法线与所述主平面反射镜的法线之间的倾斜角为θ1且θ1不为零；

一个样品室，含有待测样品，置于所述倾斜反射镜的反射面所在的区域和共轭区域中的至少一个，所述共轭区域位于所述主平面反射镜的反射面且与所述倾斜反射镜关于所述原点和所述光轴对称，所述倾斜反射镜区域和所述共轭区域中的至少一个镀有可反射激励光束且可透射拉曼光信号的多层介质膜；

至少一个拉曼信号输出装置，置于所述多层介质膜后远离所述样品室的一侧；

所述输入端的入射面、所述输出端的出射面、所述主平面反射镜、所述倾斜反射镜和所述拉曼信号输出装置的出射面共面且位于所述凹面反射镜的焦平面；

激励光束从所述输入端输入，通过所述凹面反射镜、所述主平面反射镜、所述样品室和所述倾斜反射镜之间的多次反射后，从所述输出端输出激励光束，所述激励光束通过所述样品室时激励出与所述激励光束波长不同的拉曼光信号，所述拉曼光信号从所述拉曼信号输出装置输出。

9.一种拉曼探测器，其特征在于，包括：

一个如权利要求1~7任一项所述的高效光程折叠器件；

一个样品室，含有待测样品，置于所述倾斜反射镜区域的反射面所在的和共轭区域中的至少一个，所述共轭区域位于所述主平面反射镜的反射面且与所述倾斜反射镜关于所述原点和所述光轴对称，所述倾斜反射镜区域和所述共轭区域中的至少一个镀有可反射激励光束且可透射拉曼光信号的多层介质膜；

至少一个拉曼信号输出装置，置于所述多层介质膜后方远离所述样品室的一侧；

所述输入端的入射面、所述输出端的出射面、所述主平面反射镜、所述倾斜反射镜和所述拉曼信号输出装置的出射面共面且位于所述凹面反射镜的焦平面；

激励光束从所述输入端输入，通过所述凹面反射镜、所述主平面反射镜、所述样品室和所述倾斜反射镜之间的多次反射后，从所述输出端输出激励光束，所述激励光束通过所述样品室时激励出与所述激励光束波长不同的拉曼光信号，所述拉曼光信号从所述拉曼信号输出装置输出。

10.一种拉曼探测系统，其特征在于，包括：

一个如权利要求8或9所述的拉曼探测器；

一个稳频激光器，与所述输入端连接，用于产生所述激励光束；以及

一个光谱仪，与所述拉曼信号输出装置连接，用于收集所述拉曼光信号，获得所述待测样品的拉曼光谱并进行光谱分析。

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