CN111121966A - 拉曼光谱收集光纤、拉曼探头及拉曼光谱探测系统 - Google Patents
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Abstract
本发明适用于光谱探测技术领域，提供了一种拉曼光谱收集光纤、拉曼探头及拉曼光谱探测系统，通过一根多模光纤或多根多模光纤组成拉曼光谱收集光纤，使一根多模光纤的一端为圆形口径、作为拉曼光谱收集光纤的输入端，使一根多模光纤的另一端为矩形口径、作为拉曼光谱收集光纤的输出端；或者，使多根多模光纤的一端排布成二维面形矩阵、作为拉曼光谱收集光纤的输入端，使多根多模光纤的另一端排布成一维线形矩阵、作为拉曼光谱收集光纤的输出端；并使拉曼光谱收集光纤的输入端连接拉曼探头的拉曼光信号输出端；使拉曼光谱收集光纤的输出端连接光谱仪的拉曼光信号输入端，可以提高拉曼光信号的收集效率，降低拉曼光信号的能量损耗。
Description
技术领域
本发明属于光谱探测技术领域，尤其涉及一种拉曼光谱收集光纤、拉曼探头及拉曼光谱探测系统。
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，其频率相对激励光束有固定的偏移，向低频方向偏移的为斯托克斯线，向高频方向偏移的为反斯托克斯线。通常斯托克斯线要远强于反斯托克斯线，但即使斯托克斯线，其信号强度相对于瑞利散射强度也要弱2到3个数量级。拉曼光信号含有用于实现物质识别指纹光谱信息，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(氮气)、H2(氢气)、O2(氧气)等都有拉曼光谱，因此拉曼光谱分析具有广阔的应用前景。
目前，常用的拉曼光谱探测方式是通过拉曼探头将激光器输出的激励光束传输至待测样品，以激发出拉曼光信号，然后将拉曼光信号传输至光谱仪进行探测。然而，现有的拉曼探头的拉曼光信号的收集效率较低，并且由于光谱仪的狭缝宽度的限制，存在较大的能量损耗，从而严重降低了光谱仪探测拉曼光谱的灵敏度。
发明内容
有鉴于此，本发明实施例提供了一种拉曼光谱收集光纤、拉曼探头及拉曼光谱探测系统，以解决现有的拉曼探头的拉曼光信号的收集效率较低，并且由于光谱仪的狭缝宽度的限制，存在较大的能量损耗，从而严重降低了光谱仪探测拉曼光谱的灵敏度的问题。
本发明实施例的第一方面提供了一种拉曼光谱收集光纤，所述拉曼光谱收集光纤由一根多模光纤组成，所述一根多模光纤的一端为圆形口径、作为所述拉曼光谱收集光纤的输入端，所述一根多模光纤的另一端为矩形口径、作为所述拉曼光谱收集光纤的输出端；
或者，所述拉曼光谱收集光纤由多根多模光纤组成，所述多根多模光纤的一端排布成二维面形矩阵、作为所述拉曼光谱收集光纤的输入端，所述多根多模光纤的另一端排布成一维线形矩阵、作为所述拉曼光谱收集光纤的输出端；
其中，所述拉曼光谱收集光纤的输入端用于连接拉曼探头的拉曼光信号输出端，以输入拉曼光信号；所述拉曼光谱收集光纤的输出端用于连接光谱仪的拉曼光信号输入端，以输出所述拉曼光信号。
在一个实施例中，所述矩形口径正对所述光谱仪的狭缝且所述矩形口径的长度方向与所述狭缝的长度方向平行。
在一个实施例中，所述一维线形阵列正对所述光谱仪的狭缝且所述一维线形阵列的长度方向与所述狭缝的长度方向平行。
在一个实施例中，所述多根多模光纤包括一根中心光纤和多根圆周光纤；
所述多根圆周光纤的一端围绕所述中心光纤的一端的圆周分布，排布成所述二维面形矩阵；
所述多根圆周光纤的另一端对称分布于所述中心光纤的另一端两侧，排布成所述一维线形阵列。
在一个实施例中，所述多根多模光纤包括一根中心光纤、多根圆周光纤和多根外围光纤；
所述多根圆周光纤的一端围绕所述中心光纤的一端的圆周分布、所述多根外围光纤的一端围绕所述中心光纤的一端分布且每根所述外围光纤的一端与两根所述圆周光纤的一端相邻，排布成所述二维面形矩阵；
所述多根圆周光纤的另一端对称分布于所述中心光纤的另一端两侧，排布成所述一维线形阵列；或者，所述多根圆周光纤的另一端对称分布于所述中心光纤的另一端两侧、所述多根外围光纤的另一端对称分布于所述多根圆周光纤的另一端两侧，排布成所述一维线形阵列。
本发明实施例的第二方面提供了一种拉曼探头，包括：
激励光纤，用于连接激光器，接收所述激光器输出的激励激光；
准直透镜，设置于所述激励光纤的输出端，用于对所述激励激光进行准直；
带通滤波片，设置于所述准直透镜的出光侧，用于透射所述激励激光并滤除干扰信号；
反射镜，设置于所述带通滤波片的出光侧，用于反射所述激励激光，以改变所述激励激光的传输方向；
二向色性滤波片，设置于所述反射镜的反射侧，用于再次反射所述激励激光并透射拉曼光信号；
聚焦准直透镜，设置于所述二向色性滤波片的透射反射侧，用于将所述激励激光聚焦至待测样品，以在所述待测样品表面形成聚焦光斑、激发出所述拉曼光信号，并接收所述拉曼光信号、对所述拉曼光信号进行准直后出射至所述二向色性滤波片；
长通滤波片，设置于所述二向色性滤波片的透射侧，用于再次透射所述拉曼光信号并滤除杂散信号；
聚焦透镜，设置于所述长通滤波片的出光侧，用于对所述拉曼光信号进行聚焦；以及
如本发明实施例的第一方面所述的拉曼光谱收集光纤，设置于所述聚焦透镜的出光侧，用于连接光谱仪，接收所述拉曼光信号并输出至所述光谱仪。
本发明实施例的第三方面提供了一种拉曼探头，包括：
激励光纤，用于连接激光器，接收所述激光器输出的激励激光；
准直透镜，设置于所述激励光纤的输出端，用于对所述激励激光进行准直；
带通滤波片，设置于所述准直透镜的出光侧，用于透射所述激励激光并滤除干扰信号；
二向色性滤波片，设置于所述带通滤波片的出光侧，用于再次透射所述激励激光并反射拉曼光信号，以改变所述拉曼光信号的传输方向；
聚焦准直透镜，设置于所述二向色性滤波片的透射反射侧，用于将所述激励激光聚焦至待测样品，以在所述待测样品表面形成聚焦光斑、激发出所述拉曼光信号，并接收所述拉曼光信号、对所述拉曼光信号进行准直后出射至所述二向色性滤波片；
反射镜，设置于所述二向色性滤波片的反射侧，用于再次反射所述拉曼光信号，以再次改变所述拉曼光信号的传输方向；
长通滤波片，设置于所述反射镜的反射侧，用于透射所述拉曼光信号并滤除杂散信号；
聚焦透镜，设置于所述长通滤波片的出光侧，用于对所述拉曼光信号进行聚焦；以及
如本发明实施例的第一方面所述的拉曼光谱收集光纤，设置于所述聚焦透镜的出光侧，用于连接光谱仪，接收所述拉曼光信号并输出至所述光谱仪。
在一个实施例中，所述激励激光的波长为785nm±1nm，所述拉曼光信号的波长大于或等于785nm+Δλ1；其中，Δλ1的取值范围为6nm～330nm；
或者，所述激励激光的波长为532nm±1nm，所述拉曼光信号的波长大于或等于532nm+Δλ2；其中，Δλ2的取值范围为3nm～140nm；
或者，所述激励激光的波长为632.8nm±1nm，所述拉曼光信号的波长大于或等于632.8+Δλ3；其中，Δλ3的取值范围为5nm～208nm；
或者，所述激励激光的波长为1064nm±1nm，所述拉曼光信号的波长大于或等于1064nm+Δλ4；其中，Δλ4的取值范围为11nm～755nm。
本发明实施例的第四方面提供了一种拉曼光谱探测系统，包括：
激光器；
光谱仪；以及
如本发明实施例的第二方面或第三方面所述的拉曼探头，所述拉曼探头的激励光纤连接所述激光器，所述拉曼探头的拉曼光谱收集光纤连接所述光谱仪。
本发明实施例通过提供一种由一根多模光纤或多根多模光纤组成的拉曼光谱收集光纤，使所述一根多模光纤的一端为圆形口径、作为拉曼光谱收集光纤的输入端，使所述一根多模光纤的另一端为矩形口径、作为拉曼光谱收集光纤的输出端；或者，使所述多根多模光纤的一端排布成二维面形矩阵、作为拉曼光谱收集光纤的输入端，使所述多根多模光纤的另一端排布成一维线形矩阵、作为拉曼光谱收集光纤的输出端；并使拉曼光谱收集光纤的输入端用于连接拉曼探头的拉曼光信号输出端，以输入拉曼光信号；使拉曼光谱收集光纤的输出端用于连接光谱仪的拉曼光信号输入端，以输出拉曼光信号，通过将拉曼光谱收集光纤的输入端设置为圆形口径或二维面形矩阵，可以提高拉曼探头的拉曼光信号的收集效率，通过将拉曼光谱收集光纤的输出端设置为矩形口径或一维线形矩阵，可以降低输出至光谱仪的拉曼光信号的能量损耗，从而提高光谱仪探测拉曼光谱的灵敏度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明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发明的一些实施例，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是本发明实施例提供的拉曼光谱收集光纤的第一种结构示意图；
图2是本发明实施例提供的拉曼光谱收集光纤的第二种结构示意图；
图3是本发明实施例提供的拉曼光谱收集光纤的第三种结构示意图；
图4是本发明实施例提供的拉曼光谱收集光纤的第四种结构示意图；
图5是本发明实施例提供的带通滤波片的滤波特性示意图；
图6是本发明实施例提供的二向色性滤波片的滤波特性示意图；
图7是本发明实施例提供的长通滤波片的滤波特性示意图。
图8是本发明实施例提供的拉曼探头的第一种光路结构图；
图9是本发明实施例提供的拉曼探头的第二种光路结构图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明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发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都应当属于本发明保护的范围。
本发明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～图4任一附图所示，本发明的一个实施例提供一种拉曼光谱收集光纤1，应用于拉曼探头，可以提高拉曼探头的拉曼光信号的收集效率，降低输出至光谱仪的拉曼光信号的能量损耗，从而提高光谱仪探测拉曼光谱的灵敏度。
图1示例性的示出所述拉曼光谱收集光纤1由一根多模光纤10组成，所述一根多模光纤10的一端为圆形口径11、作为所述拉曼光谱收集光纤1的输入端，所述一根多模光纤10的另一端为矩形口径12、作为所述拉曼光谱收集光纤1的输出端；
图2～图4示例性的示出所述拉曼光谱收集光纤1由多根多模光纤20组成，所述多根多模光纤20的一端排布成二维面形矩阵21、作为所述拉曼光谱收集光纤1的输入端，所述多根多模光纤20的另一端排布成一维线形矩阵22、作为所述拉曼光谱收集光纤1的输出端；
其中，所述拉曼光谱收集光纤1的输入端用于连接拉曼探头的拉曼光信号输出端，以输入拉曼光信号；所述拉曼光谱收集光纤1的输出端用于连接光谱仪的拉曼光信号输入端，以输出所述拉曼光信号。
在应用中，当拉曼光谱收集光纤由一根多模光纤组成时，圆形口径的尺寸应当与拉曼探头的拉曼光信号输出端的尺寸相当，矩形口径的尺寸应当与光谱仪的狭缝的尺寸相当，以尽可能的提高拉曼光信号的收集效率，降低能量损坏。具体的，可以将圆形口径的尺寸设置为等于拉曼探头的拉曼光信号输出端的尺寸，将矩形口径的尺寸设置为等于光谱仪的狭缝的尺寸。
在一个实施例中，所述圆形口径的尺寸大于或等于所述拉曼探头的拉曼光信号输出端的尺寸，所述矩形口径的尺寸小于或等于所述光谱仪的狭缝的尺寸。
在应用中，当拉曼光谱收集光纤由一根多模光纤组成时，应当使拉曼光谱光纤的矩形口径正对光谱仪的狭缝，并使矩形口径的长度方向与狭缝的长度方向平行，从而使得拉曼光谱收集光纤输出的拉曼光信号能够尽可能多的被光谱仪的探测到，以降低能量损耗，提高光谱仪探测拉曼光谱的灵敏度。
在一个实施例中，所述矩形口径正对所述光谱仪的狭缝且所述矩形口径的长度方向与所述狭缝的长度方向平行。
在应用中，当拉曼光谱收集光纤由多根多模光纤组成时，所述二维面形矩阵的尺寸应当与拉曼探头的拉曼光信号输出端的尺寸相当，所述一维线形矩阵的尺寸应当与光谱仪的狭缝的尺寸相当，以尽可能的提高拉曼光信号的收集效率，降低能量损耗。具体的，可以将二维矩形矩阵的尺寸设置为等于拉曼探头的拉曼光信号输出端的尺寸，将一维线形矩阵的尺寸设置为等于光谱仪的狭缝的尺寸。
在一个实施例中，所述二维矩形矩阵的尺寸大于或等于所述拉曼探头的拉曼光信号输出端的尺寸，所述一维线形矩阵的尺寸小于或等于所述光谱仪的狭缝的尺寸。
在应用中，当拉曼光谱收集光纤由多根多模光纤组成时，应当使拉曼光谱光纤的一维线形阵列正对光谱仪的狭缝，并使一维线形阵列的长度方向与狭缝的长度方向平行，从而使得拉曼光谱收集光纤输出的拉曼光信号能够尽可能多的被光谱仪的探测到，以降低能量损耗，提高光谱仪探测拉曼光谱的灵敏度。
在一个实施例中，所述一维线形阵列正对所述光谱仪的狭缝且所述一维线形阵列的长度方向与所述狭缝的长度方向平行。
在应用中，二维面形阵列可以是任意规则形状的二维阵列，例如，矩形阵列、圆形阵列、六边形阵列以及其他任意多边形阵列等。具体地，二维面形阵列可以设置为圆形阵列或正多边形阵列等规则形状的阵列，有利于提高拉曼光谱收集光纤的结构稳定性。
在一个实施例中，所述多根多模光纤包括一根中心光纤和多根圆周光纤；
所述多根圆周光纤的一端围绕所述中心光纤的一端的圆周分布，排布成所述二维面形矩阵；
所述多根圆周光纤的另一端对称分布于所述中心光纤的另一端两侧，排布成所述一维线形阵列。
在应用中，当所述多根多模光纤包括一根中心光纤和多根圆周光纤时，二维面形矩阵具体可以为圆形阵列或正多边形阵列。由于位于二维面形矩阵的中心位置的中心光纤的拉曼光信号的收集效率最高，基本上没有能量损耗，因此，在一维线形阵列中，将中心光纤设置在圆周光纤之间的中间位置，可以降低输出至光谱仪的拉曼光信号的能量损耗，提高光谱仪探测拉曼光谱的灵敏度。
如图2所示，示例性的示出了拉曼光谱收集光纤1由七根多模光纤20组成时，二维面形矩阵21和一维线形矩阵22的结构示意图；其中，七根多模光纤20中包括一根中心光纤201和六根圆周光纤202。
在一个实施例中，所述多根多模光纤包括一根中心光纤、多根圆周光纤和多根外围光纤；
所述多根圆周光纤的一端围绕所述中心光纤的一端的圆周分布、所述多根外围光纤的一端围绕所述中心光纤的一端分布且每根所述外围光纤的一端与两根所述圆周光纤的一端相邻，排布成所述二维面形矩阵；
所述多根圆周光纤的另一端对称分布于所述中心光纤的另一端两侧，排布成所述一维线形阵列；或者，所述多根圆周光纤的另一端对称分布于所述中心光纤的另一端两侧、所述多根外围光纤的另一端对称分布于所述多根圆周光纤的另一端两侧，排布成所述一维线形阵列。
在应用中，当所述多根多模光纤包括一根中心光纤、多根圆周光纤和多根外围光纤时，二维面形矩阵具体可以为矩形阵列、圆形阵列或任意多边形阵列。由于位于二维面形矩阵的中心位置的中心光纤和围绕中心光纤设置的圆周光纤的拉曼光信号的收集效率高于外围光纤，因此，在一维线形阵列中，将中心光纤设置在圆周光纤之间的中间位置，并将外围光纤设置在圆周光纤的两侧，可以降低输出至光谱仪的拉曼光信号的能量损耗，提高光谱仪探测拉曼光谱的灵敏度；也可以仅将中心光纤设置在圆周光纤之间的中间位置，仅采用中心光纤和圆周光纤排布成一维矩阵，输出拉曼光信号至光谱仪。
如图3所示，示例性的示出了拉曼光谱收集光纤1由九根多模光纤20组成时，二维面形矩阵21和一维线形矩阵22的结构示意图；其中，九根多模光纤20中包括一根中心光纤201、四根圆周光纤202和四根外围光纤203，四根圆周光纤202对称分布于中心光纤202的两侧，排布成一维线形矩阵22。
如图4所示，示例性的示出了拉曼光谱收集光纤1由九根多模光纤20组成时，二维面形矩阵21和一维线形矩阵22的结构示意图；其中，九根多模光纤20中包括一根中心光纤201、四根圆周光纤202和四根外围光纤203，四根圆周光纤202对称分布于中心光纤202的两侧、四根外围光纤203对称分布于四根圆周光纤202的两侧，排布成一维线形矩阵22。
实施例一中通过提供一种由一根多模光纤或多根多模光纤组成的拉曼光谱收集光纤，使所述一根多模光纤的一端为圆形口径、作为拉曼光谱收集光纤的输入端，使所述一根多模光纤的另一端为矩形口径、作为拉曼光谱收集光纤的输出端；或者，使所述多根多模光纤的一端排布成二维面形矩阵、作为拉曼光谱收集光纤的输入端，使所述多根多模光纤的另一端排布成一维线形矩阵、作为拉曼光谱收集光纤的输出端；并使拉曼光谱收集光纤的输入端用于连接拉曼探头的拉曼光信号输出端，以输入拉曼光信号；使拉曼光谱收集光纤的输出端用于连接光谱仪的拉曼光信号输入端，以输出拉曼光信号，通过将拉曼光谱收集光纤的输入端设置为圆形口径或二维面形矩阵，可以提高拉曼探头的拉曼光信号的收集效率，通过将拉曼光谱收集光纤的输出端设置为矩形口径或一维线形矩阵，可以降低输出至光谱仪的拉曼光信号的能量损耗，从而提高光谱仪探测拉曼光谱的灵敏度。
实施例二
如图5所示，本发明的一个实施例提供一种拉曼探头100，包括：
激励光纤2，用于连接激光器，接收所述激光器输出的激励激光；
准直透镜3，设置于所述激励光纤2的输出端，用于对所述激励激光进行准直；
带通滤波片4，设置于所述准直透镜3的出光侧，用于透射所述激励激光并滤除干扰信号；
反射镜5，设置于所述带通滤波片的出光侧，用于反射所述激励激光，以改变所述激励激光的传输方向；
二向色性滤波片6，设置于所述反射镜5的反射侧，用于再次反射所述激励激光并透射拉曼光信号；
聚焦准直透镜7，设置于所述二向色性滤波片6的透射反射侧，用于将所述激励激光聚焦至待测样品200，以在所述待测样品200表面形成聚焦光斑、激发出所述拉曼光信号，并接收所述拉曼光信号、对所述拉曼光信号进行准直后出射至所述二向色性滤波片6；
长通滤波片8，设置于所述二向色性滤波片7的透射侧，用于再次透射所述拉曼光信号并滤除杂散信号；
聚焦透镜9，设置于所述长通滤波片7的出光侧，用于对所述拉曼光信号进行聚焦；以及
实施例一中的拉曼光谱收集光纤1，设置于所述聚焦透镜9的出光侧，用于连接光谱仪，接收所述拉曼光信号并输出至所述光谱仪。
在应用中，根据激励激光的波长选择工作波长涵盖激励激光的波长的带通滤波片和二向色性滤波片，根据拉曼光信号的波长选择工作波长涵盖拉曼光信号的波长的长通滤波片。
在一个实施例中，所述激励激光的波长为785nm±1nm，所述拉曼光信号的波长大于或等于785nm+Δλ1；其中，Δλ1的取值范围为6nm～330nm；
或者，所述激励激光的波长为532nm±1nm，所述拉曼光信号的波长大于或等于532nm+Δλ2；其中，Δλ2的取值范围为3nm～140nm；
或者，所述激励激光的波长为632.8nm±1nm，所述拉曼光信号的波长大于或等于632.8+Δλ3；其中，Δλ3的取值范围为5nm～208nm；
或者，所述激励激光的波长为1064nm±1nm，所述拉曼光信号的波长大于或等于1064nm+Δλ4；其中，Δλ4的取值范围为11nm～755nm。
在应用中，Δλ1、Δλ2、Δλ3和Δλ4的大小可以根据实际需要设置为其对应的取值范围中的任意值。应理解，上述实施例中列出的激励激光和对应的拉曼光信号的波长是示例性的，本领域技术人员根据实际需要还可以选用其他波长。
如图6所示，示例性的示出了激励激光的波长为785nm时，带通滤波片4的滤波特性示意图。
如图7所示，示例性的示出了激励激光的波长为785nm时，二向色性滤波片6的滤波特性示意图。
如图8所示，示例性的示出了激励激光的波长为785nm时，长通滤波片8的滤波特性示意图。
在应用中，拉曼探头还可以包括用于固定其所包括的各光学器件的壳体，壳体的形状可以根据实际需要进行设置。壳体可以设置为柱形体、矩形体、梯形体等任意的规则形状，以使得拉曼探头的结构紧凑、体积小巧、便于携带。
如图8所示，示例性的示出拉曼探头100还包括壳体101，壳体101为矩形体且包括用于固定激励光纤2、准直透镜3、带通滤波片4和反射镜5的激励激光通道，以及用于固定二向色性滤波片6、聚焦准直透镜7、长通滤波片8、聚焦透镜9和拉曼光谱收集光纤1的拉曼光信号通道。
实施例二中通过提供一种由准直透镜、带通滤波片、反射镜、二向色性滤波片、聚焦准直透镜、长通滤波片、聚焦透镜以及实施例一中的拉曼光谱收集光纤实现的高效透射式拉曼探头，结构简单，易于实现，且可以提高拉曼探头的拉曼光信号的收集效率，降低输出至光谱仪的拉曼光信号的能量损耗，从而提高光谱仪探测拉曼光谱的灵敏度。
实施例三
如图9所示，本发明的一个实施例提供一种拉曼探头100，包括：
激励光纤2，用于连接激光器，接收所述激光器输出的激励激光；
准直透镜3，设置于所述激励光纤2的输出端，用于对所述激励激光进行准直；
带通滤波片4，设置于所述准直透镜3的出光侧，用于透射所述激励激光并滤除干扰信号；
二向色性滤波片6，设置于所述带通滤波片4的出光侧，用于再次透射所述激励激光并反射拉曼光信号，以改变所述拉曼光信号的传输方向；
聚焦准直透镜7，设置于所述二向色性滤波片6的透射反射侧，用于将所述激励激光聚焦至待测样品200，以在所述待测样品200表面形成聚焦光斑、激发出所述拉曼光信号，并接收所述拉曼光信号、对所述拉曼光信号进行准直后出射至所述二向色性滤波片6；
反射镜5，设置于所述二向色性滤波片6的反射侧，用于再次反射所述拉曼光信号，以再次改变所述拉曼光信号的传输方向；
长通滤波片8，设置于所述反射镜5的反射侧，用于透射所述拉曼光信号并滤除杂散信号；
聚焦透镜9，设置于所述长通滤波片8的出光侧，用于对所述拉曼光信号进行聚焦；以及
实施例一中的拉曼光谱收集光纤1，设置于所述聚焦透镜9的出光侧，用于连接光谱仪，接收所述拉曼光信号并输出至所述光谱仪。
在应用中，根据激励激光的波长选择工作波长涵盖激励激光的波长的带通滤波片和二向色性滤波片，根据拉曼光信号的波长选择工作波长涵盖拉曼光信号的波长的长通滤波片。
在一个实施例中，所述激励激光的波长为785nm±1nm，所述拉曼光信号的波长大于或等于785nm+Δλ1；其中，Δλ1的取值范围为6nm～330nm；
或者，所述激励激光的波长为532nm±1nm，所述拉曼光信号的波长大于或等于532nm+Δλ2；其中，Δλ2的取值范围为3nm～140nm；
或者，所述激励激光的波长为632.8nm±1nm，所述拉曼光信号的波长大于或等于632.8+Δλ3；其中，Δλ3的取值范围为5nm～208nm；
或者，所述激励激光的波长为1064nm±1nm，所述拉曼光信号的波长大于或等于1064nm+Δλ4；其中，Δλ4的取值范围为11nm～755nm。
在应用中，Δλ1、Δλ2、Δλ3和Δλ4的大小可以根据实际需要设置为其对应的取值范围中的任意值。应理解，上述实施例中列出的激励激光和对应的拉曼光信号的波长是示例性的，本领域技术人员根据实际需要还可以选用其他波长。
在应用中，拉曼探头还可以包括用于固定其所包括的各光学器件的壳体，壳体的形状可以根据实际需要进行设置。壳体可以设置为柱形体、矩形体、梯形体等任意的规则形状，以使得拉曼探头的结构紧凑、体积小巧、便于携带。
如图9所示，示例性的示出拉曼探头100还包括壳体101，壳体101为矩形体且包括用于固定激励光纤2、准直透镜3、带通滤波片4和二向色性滤波片6的激励激光通道，以及用于固定聚焦准直透镜7、反射镜5、长通滤波片8、聚焦透镜9和拉曼光谱收集光纤1的拉曼光信号通道。
实施例三中通过提供一种由准直透镜、带通滤波片、反射镜、二向色性滤波片、聚焦准直透镜、长通滤波片、聚焦透镜以及实施例一中的拉曼光谱收集光纤实现的高效反射式拉曼探头，结构简单，易于实现，且可以提高拉曼探头的拉曼光信号的收集效率，降低输出至光谱仪的拉曼光信号的能量损耗，从而提高光谱仪探测拉曼光谱的灵敏度。
本发明的一个实施例还提供一种拉曼光谱探测系统，包括：
激光器；
光谱仪；以及
实施例二或实施例三中的拉曼探头，所述拉曼探头的激励光纤连接所述激光器，所述拉曼探头的拉曼光谱收集光纤连接所述光谱仪。
在应用中，激光器可以根据实际需要选择发射波长与激励激光的波长匹配的激光器，光谱仪可以根据实际需要选择探测波长与拉曼光信号的波长匹配的光谱仪，本实施例中不做特别限定。拉曼光谱探测系统还可以包括一个用于固定激光器、光谱仪和拉曼探头的支架，以使拉曼光谱探测系统结构和光路稳定且便于移动。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种拉曼光谱收集光纤，其特征在于，所述拉曼光谱收集光纤由一根多模光纤组成，所述一根多模光纤的一端为圆形口径、作为所述拉曼光谱收集光纤的输入端，所述一根多模光纤的另一端为矩形口径、作为所述拉曼光谱收集光纤的输出端；
或者，所述拉曼光谱收集光纤由多根多模光纤组成，所述多根多模光纤的一端排布成二维面形矩阵、作为所述拉曼光谱收集光纤的输入端，所述多根多模光纤的另一端排布成一维线形矩阵、作为所述拉曼光谱收集光纤的输出端；
其中，所述拉曼光谱收集光纤的输入端用于连接拉曼探头的拉曼光信号输出端，以输入拉曼光信号；所述拉曼光谱收集光纤的输出端用于连接光谱仪的拉曼光信号输入端，以输出所述拉曼光信号。
2.如权利要求1所述的拉曼光谱收集光纤，其特征在于，所述矩形口径正对所述光谱仪的狭缝且所述矩形口径的长度方向与所述狭缝的长度方向平行。
3.如权利要求1所述的拉曼光谱收集光纤，其特征在于，所述一维线形阵列正对所述光谱仪的狭缝且所述一维线形阵列的长度方向与所述狭缝的长度方向平行。
4.如权利要求1或3所述的拉曼光谱收集光纤，其特征在于，所述多根多模光纤包括一根中心光纤和多根圆周光纤；
所述多根圆周光纤的一端围绕所述中心光纤的一端的圆周分布，排布成所述二维面形矩阵；
所述多根圆周光纤的另一端对称分布于所述中心光纤的另一端两侧，排布成所述一维线形阵列。
5.如权利要求1或3所述的拉曼光谱收集光纤，其特征在于，所述多根多模光纤包括一根中心光纤、多根圆周光纤和多根外围光纤；
所述多根圆周光纤的一端围绕所述中心光纤的一端的圆周分布、所述多根外围光纤的一端围绕所述中心光纤的一端分布且每根所述外围光纤的一端与两根所述圆周光纤的一端相邻，排布成所述二维面形矩阵；
所述多根圆周光纤的另一端对称分布于所述中心光纤的另一端两侧，排布成所述一维线形阵列；或者，所述多根圆周光纤的另一端对称分布于所述中心光纤的另一端两侧、所述多根外围光纤的另一端对称分布于所述多根圆周光纤的另一端两侧，排布成所述一维线形阵列。
6.一种拉曼探头，其特征在于，包括：
激励光纤，用于连接激光器，接收所述激光器输出的激励激光；
准直透镜，设置于所述激励光纤的输出端，用于对所述激励激光进行准直；
带通滤波片，设置于所述准直透镜的出光侧，用于透射所述激励激光并滤除干扰信号；
反射镜，设置于所述带通滤波片的出光侧，用于反射所述激励激光，以改变所述激励激光的传输方向；
二向色性滤波片，设置于所述反射镜的反射侧，用于再次反射所述激励激光并透射拉曼光信号；
聚焦准直透镜，设置于所述二向色性滤波片的透射反射侧，用于将所述激励激光聚焦至待测样品，以在所述待测样品表面形成聚焦光斑、激发出所述拉曼光信号，并接收所述拉曼光信号、对所述拉曼光信号进行准直后出射至所述二向色性滤波片；
长通滤波片，设置于所述二向色性滤波片的透射侧，用于再次透射所述拉曼光信号并滤除杂散信号；
聚焦透镜，设置于所述长通滤波片的出光侧，用于对所述拉曼光信号进行聚焦；以及
如权利要求1～5任一项所述的拉曼光谱收集光纤，设置于所述聚焦透镜的出光侧，用于连接光谱仪，接收所述拉曼光信号并输出至所述光谱仪。
7.如权利要求6所述的拉曼探头，其特征在于，所述激励激光的波长为785nm±1nm，所述拉曼光信号的波长大于或等于785nm+Δλ1；其中，Δλ1的取值范围为6nm～330nm；
或者，所述激励激光的波长为532nm±1nm，所述拉曼光信号的波长大于或等于532nm+Δλ2；其中，Δλ2的取值范围为3nm～140nm；
或者，所述激励激光的波长为632.8nm±1nm，所述拉曼光信号的波长大于或等于632.8+Δλ3；其中，Δλ3的取值范围为5nm～208nm；
或者，所述激励激光的波长为1064nm±1nm，所述拉曼光信号的波长大于或等于1064nm+Δλ4；其中，Δλ4的取值范围为11nm～755nm。
8.一种拉曼探头，其特征在于，包括：
激励光纤，用于连接激光器，接收所述激光器输出的激励激光；
准直透镜，设置于所述激励光纤的输出端，用于对所述激励激光进行准直；
带通滤波片，设置于所述准直透镜的出光侧，用于透射所述激励激光并滤除干扰信号；
二向色性滤波片，设置于所述带通滤波片的出光侧，用于再次透射所述激励激光并反射拉曼光信号，以改变所述拉曼光信号的传输方向；
聚焦准直透镜，设置于所述二向色性滤波片的透射反射侧，用于将所述激励激光聚焦至待测样品，以在所述待测样品表面形成聚焦光斑、激发出所述拉曼光信号，并接收所述拉曼光信号、对所述拉曼光信号进行准直后出射至所述二向色性滤波片；
反射镜，设置于所述二向色性滤波片的反射侧，用于再次反射所述拉曼光信号，以再次改变所述拉曼光信号的传输方向；
长通滤波片，设置于所述反射镜的反射侧，用于透射所述拉曼光信号并滤除杂散信号；
聚焦透镜，设置于所述长通滤波片的出光侧，用于对所述拉曼光信号进行聚焦；以及
如权利要求1～5任一项所述的拉曼光谱收集光纤，设置于所述聚焦透镜的出光侧，用于连接光谱仪，接收所述拉曼光信号并输出至所述光谱仪。
9.如权利要求8所述的拉曼探头，其特征在于，所述激励激光的波长为785nm±1nm，所述拉曼光信号的波长大于或等于785nm+Δλ1；其中，Δλ1的取值范围为6nm～330nm；
或者，所述激励激光的波长为532nm±1nm，所述拉曼光信号的波长大于或等于532nm+Δλ2；其中，Δλ2的取值范围为3nm～140nm；
或者，所述激励激光的波长为632.8nm±1nm，所述拉曼光信号的波长大于或等于632.8+Δλ3；其中，Δλ3的取值范围为5nm～208nm；
或者，所述激励激光的波长为1064nm±1nm，所述拉曼光信号的波长大于或等于1064nm+Δλ4；其中，Δλ4的取值范围为11nm～755nm。
10.一种拉曼光谱探测系统，其特征在于，包括：
激光器；
光谱仪；以及
如权利要求6～9任一项所述的拉曼探头，所述拉曼探头的激励光纤连接所述激光器，所述拉曼探头的拉曼光谱收集光纤连接所述光谱仪。
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|---|---|---|---|---|
| CN111766228A (zh) * | 2020-07-14 | 2020-10-13 | 中国科学院西安光学精密机械研究所 | 一种非侵入式拉曼光纤探头 |
| CN113252636A (zh) * | 2021-05-06 | 2021-08-13 | 河北大学 | 深度识别拉曼光谱分析系统及分析方法 |
| CN113390509A (zh) * | 2021-08-16 | 2021-09-14 | 港湾之星健康生物(深圳)有限公司 | 超微量Raman-Stokes散射光传感器 |
| WO2023097815A1 (zh) * | 2021-12-01 | 2023-06-08 | 中国科学院光电技术研究所 | 基于拉曼光谱的颗粒检测分析系统及方法 |
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2020
- 2020-01-07 CN CN202010014879.0A patent/CN111121966A/zh active Pending
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