CN111879748B - 一种拉曼光谱信号增强结构及采用该结构的探测系统光路 - Google Patents

一种拉曼光谱信号增强结构及采用该结构的探测系统光路 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种拉曼光谱信号增强结构及采用该结构的探测系统光路，结构包括反射增强腔，内可放置待测多层样品；反射增强腔一面开口,开口处设置狭缝；激光从介质带通滤波片入射以在所述狭缝处进行信号收集。探测系统光路包括拉曼光谱信号增强结构、聚焦入射光路和信号收集光路；激光通过聚焦入射光路进入拉曼光谱信号增强结构，狭缝处的增强信号通过信号收集光路进入光谱仪。本发明的有益效果为：本发明通过介质带通滤波片对入射光子的角度选择性使随机方向上从样品中产生的光子反射，随机地重新回到待测样品再次发生拉曼散射效应，大幅度增加激发光与样品耦合概率，增加内层成分拉曼光子强度，实现空间偏移拉曼信号的增强。

Description

一种拉曼光谱信号增强结构及采用该结构的探测系统光路
技术领域
本发明属于光谱学领域，具体涉及一种拉曼光谱信号增强结构及采用该结构的探测系统光路。
背景技术
拉曼光谱分析技术(Conventional Raman，CR)是基于拉曼散射效应，在光与物质相互作用的过程中，对不同于入射光频率的散射光谱进行分析，得到相关的分子振动、转动信息，从而建立起来的一种对分子结构的研究技术，可以根据不同物质的拉曼光谱结构对物质成分进行鉴别。由于能够对待测样品进行无损、无接触测试，具有耗时短、用量小等特点，并在样品分析过程中不会造成化学、机械、光化学及热分解，目前拉曼光谱分析技术已经被广泛应用于化学、材料、生物、地质等诸多领域。
其中，空间偏移拉曼光谱(Spatially Offset Raman Spectroscopy，SORS)技术是近年来出现的一种新型光谱探测技术，与传统的拉曼光谱技术相比，其光谱收集系统中的信号收集点与激发光入射点在空间位置上有一定的偏移距离。通过该技术，能够实现在抑制表层成分拉曼光谱及荧光的同时，较好地提取内部成分的拉曼光谱，从而实现快速、无损、无接触的内部隐藏物质成分鉴别。由于该技术具有高度的光谱特异性，并且具有快速、无损、非侵入的优势，在药品真伪检测、疾病诊断、违禁品检测、爆炸物及远程爆炸物的安检等方面有诸多应用，部分研究结果已经形成产品并投入使用。
一般来说，当激光入射到待测样品上，产生的瑞利散射信号及荧光强度约为入射光强的10-6，产生的拉曼散射信号为入射光强的10-12，而SORS信号仅为入射光强的10-14。作为一种十分微弱的信号探测技术，提高待测样品微弱的空间偏移拉曼信号强度以及降低探测过程中瑞利散射和荧光的干扰，提高整体系统的信噪比，是SORS技术能否得到进一步发展需要解决的关键问题，因此针对该方向的研究乃至拉曼光谱技术发展具有十分重要的意义。
美国的M.V.Schulmerich等人采用锥透镜和透镜组合式辐照结构，克服了SORS技术研究初期采用的点式辐照结构中激光能量不足的弊端，增强了施加到待测样品上的激光功率，使收集到的空间偏移拉曼信号增强，但不利于实现无损探测；维也纳技术大学的B.Zachhuber等为进行远距离爆炸物检测，利用脉宽4.4nm、频率10Hz的脉冲式YAG激光器及高性能ICCD探测器提高整体系统的信号强度及信噪比，在12m距离处照射厚度为1.5mm的高密度聚乙烯瓶中的NaClO3固体及异丙醇液体，但此种方式对于激光器及CCD探测器指标具有一定要求，成本较高，不利于实际应用。
目前大部分针对信号增强的解决方式都存在一定不足：1)增强入射激光强度会导致样品的受损，不利于无损探测；2)采用高灵敏度低噪声探测设备会使得系统造价大大增加，费用较高3；)延长信号采集时间不利于实现即时、快速探测等。所以如何在不影响已有效果的前提下，将微弱的拉曼光谱信号实现有效增强，以提升整体系统探测效果，是本设计需解决的关键问题。
有鉴于此，特提出本发明。
发明内容
针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的是提供一种拉曼光谱信号增强结构及采用该结构的探测系统光路，本技术方案能够实现探测信号强度、信噪比的有效增强，提供了一种无损、快速、经济实用的隐藏物质探测方案。
本发明的技术方案如下：
一种拉曼光谱信号增强结构，包括由反射镜围成的反射增强腔；所述反射增强腔内可放置待测多层样品；所述反射增强腔一面开口,开口处设置有由顶部反射镜和介质带通滤波片拼合而成的狭缝；激光从介质带通滤波片上的预设位置入射以在所述狭缝处进行空间偏移拉曼信号收集。
进一步地，上述的拉曼光谱信号增强结构，所述反射增强腔外侧布置有屏蔽层。
进一步地，上述的拉曼光谱信号增强结构，所述介质带通滤波片和顶部反射镜能够相对运动以改变所述狭缝的位置和/或宽度。
进一步地，上述的拉曼光谱信号增强结构，所述介质带通滤波片和顶部反射镜通过滑轨安装在所述反射增强腔的开口处以便能够调整偏移距离；所述偏移距离为激光的入射点到狭缝的距离。
进一步地，上述的拉曼光谱信号增强结构，所述反射增强腔内部为立方体形状。
相应地，本发明还提供了一种采用上述拉曼光谱信号增强结构的探测系统光路，包括拉曼光谱信号增强结构、聚焦入射光路和信号收集光路；激光器发射的激光通过聚焦入射光路进入所述拉曼光谱信号增强结构，所述拉曼光谱信号增强结构狭缝处的增强信号通过信号收集光路进入光谱仪。
进一步地，上述的探测系统光路，所述聚焦入射光路上设置有低通滤波元件以滤除激光器产生的放大自发辐射。
进一步地，上述的探测系统光路，所述信号收集光路上设置有二向色镜和多层介质耦合滤波组合元件以对收集信号中带有的瑞利散射光、背景光和/或杂散光进行滤除。
本发明的有益效果如下：
本发明的增强结构，通过介质带通滤波片对入射光子的角度选择性使入射激光从一侧不受阻碍地穿过，而另一侧则在随机方向上将从样品中产生的光子反射回去，随机地重新回到待测样品中，与内部介质再次作用发生拉曼散射效应，使得激发光与样品耦合概率大幅度增加，从而增强了激光光子与介质的相互作用过程，增加内层成分拉曼光子强度，实现空间偏移拉曼信号的增强。
附图说明
图1为本发明的拉曼光谱信号增强结构的示意图。
图2为本发明的探测系统光路的结构示意图。
上述附图中，1、拉曼光谱信号增强结构；101、介质带通滤波片；102、顶部反射镜；103、反射镜；104、表层介质；105、内层介质；106、屏蔽层；2、激光器；3、光谱仪；4、低通滤波片；5、多层介质耦合滤波组合元件；6、二向色镜。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。
如图1所示，本发明公开了一种拉曼光谱信号增强结构1，包括由反射镜103围成的反射增强腔。反射增强腔可以对内部产生的光子进行多次反射及信号激发。所述反射增强腔内部为立方体形状，内可放置待测多层样品(本实施例中分为表层介质104和内层介质105)；所述反射增强腔一面开口，开口处设置有由顶部反射镜102和介质带通滤波片101拼合而成的狭缝；激光从介质带通滤波片101上的预设位置入射以在所述狭缝处进行空间偏移拉曼信号收集。所述反射增强腔外侧布置有屏蔽层106。本实施例中屏蔽层106为金属封装的外壳，避免引入非探测样品的拉曼信号。本实施例中顶部反射镜102和反射镜103均为高反射率反射镜。
所述介质带通滤波片101和顶部反射镜102能够相对运动以改变所述狭缝的位置和/或宽度。所述介质带通滤波片101和顶部反射镜102通过滑轨安装在所述反射增强腔的开口处以便能够调整偏移距离(图中Δs)；所述偏移距离为激光的入射点到狭缝的距离。
介质带通滤波片101具有对入射光子的角度选择性，随着光子与设定的正常入射方向的偏差增大，其透射谱线会发生偏移。这种特性使得它如同单向的镜子，将一束入射激光从一侧不受阻碍地穿过，而另一侧则将随机方向上从样品中产生的光子反射回去。由于激光进入样品的入射点处是光子损失最大的地方，大部分光子在激发出拉曼信号前已经从该点逃逸，所以通过该结构将样品中的逸出光子重新反射回去。采用的滤波元件被设计为透射特定角度的入射光，则在其另一侧未以该角度出射的光子大部分将会被反射，随机地重新回到待测样品中，与内部介质再次作用发生拉曼散射效应，使得激发光与样品耦合概率大幅度增加，从而增强了激光光子与介质的相互作用过程，增加内层成分拉曼光子强度，实现空间偏移拉曼信号的增强。
通过该结构能够在实现偏移距离Δs可调的同时，避免为实现入射激光和信号收集点产生偏移距离，而需要在镜面打孔造成的元件损坏及操作困难，提高散射信号利用率。同时，由于探测过程中光子的散粒噪声是影响信噪比的主要因素，而该类噪声的强度虽然随平均光强增加而增长，但其增速低于光信号自身强度的增加速度，从而实现了探测系统信噪比的提升。
本发明利用滤波片和顶部反射镜102间狭缝进行信号收集，狭缝宽度可控，能够有效避免在光学镜片上进行微型打孔实现信号收集的方式，避免镜片镀膜损坏，滤波效果降低等不利影响，能够在不增加入射激光强度、不提高设备成本、不延长探测时间的前提下，实现探测信号强度、信噪比的有效增强，开展无损、快速、经济实用的隐藏物质探测。
如图2所示，本发明还提供了一种采用上述拉曼光谱信号增强结构1的探测系统光路，包括拉曼光谱信号增强结构1、聚焦入射光路和信号收集光路；激光器2发射的激光通过聚焦入射光路进入放置待测样品的所述拉曼光谱信号增强结构1，通过滑轨调整偏移距离Δs以获得最佳偏移距离，所述拉曼光谱信号增强结构1的狭缝处的增强信号通过信号收集光路进入光谱仪3。所述增强信号通过光谱仪光纤探头进行收集，利用高灵敏度光谱仪实现内部隐藏物质的空间偏移拉曼信号的探测。
本探测系统光路通过由凸透镜、柱透镜等组成的大口径收集透镜组对狭缝处产生的空间偏移拉曼信号进行收集，聚焦至光纤处，并通过光谱仪3进行光谱分析。
为保障微弱空间偏移拉曼信号的有效激发，选用窄线宽、光束质量高、波长稳定度高激光器(比如窄线宽785nm、532nm等的激光器)作为激发光源，尽可能减少宽带荧光对系统产生的影响。
所述聚焦入射光路上设置有低通滤波元件(低通滤波片4)以滤除激光器2产生的放大自发辐射(ASE)，避免在光谱中形成较宽的基底平台，干扰信号探测。
所述信号收集光路上设置有二向色镜6和多层介质耦合滤波组合元件5以对收集信号中带有的瑞利散射光、背景光和/或杂散光进行滤除。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若对本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其同等技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (7)

1.一种拉曼光谱信号增强结构，其特征在于，包括由反射镜围成的反射增强腔；所述反射增强腔内可放置待测多层样品；所述反射增强腔一面开口,开口处设置有由顶部反射镜和介质带通滤波片拼合而成的狭缝；激光从介质带通滤波片上的预设位置入射以在所述狭缝处进行空间偏移拉曼信号收集，所述介质带通滤波片和顶部反射镜能够相对运动以改变所述狭缝的位置和/或宽度。
2.如权利要求1所述的拉曼光谱信号增强结构，其特征在于，所述反射增强腔外侧布置有屏蔽层。
3.如权利要求2所述的拉曼光谱信号增强结构，其特征在于，所述介质带通滤波片和顶部反射镜通过滑轨安装在所述反射增强腔的开口处以便能够调整偏移距离；所述偏移距离为激光的入射点到狭缝的距离。
4.如权利要求1-3任一所述的拉曼光谱信号增强结构，其特征在于，所述反射增强腔内部为立方体形状。
5.一种采用权利要求1-4任一所述的拉曼光谱信号增强结构的探测系统光路，其特征在于，包括拉曼光谱信号增强结构、聚焦入射光路和信号收集光路；激光器发射的激光通过聚焦入射光路进入所述拉曼光谱信号增强结构，所述拉曼光谱信号增强结构狭缝处的增强信号通过信号收集光路进入光谱仪,所述激光器选用窄线宽、光束质量高、波长稳定度高的激光器。
6.如权利要求5所述的探测系统光路，其特征在于，所述聚焦入射光路上设置有低通滤波元件以滤除激光器产生的放大自发辐射。
7.如权利要求5所述的探测系统光路，其特征在于，所述信号收集光路上设置有二向色镜和多层介质耦合滤波组合元件以对收集信号中带有的瑞利散射光、背景光和/或杂散光进行滤除。
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