CN112129739A - 一种基于光纤表面增强拉曼探针的传感装置及工作方法 - Google Patents
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Abstract
本公开提供一种基于光纤表面增强拉曼探针的传感装置及工作方法，涉及光谱检测领域，包括依次布置的拉曼探头、准直透镜和光纤准直器，拉曼探头与激光器、光谱仪连接，连接有第一光纤的第一光纤准直器与准直透镜之间布置有可拆卸的平面镜组，平面镜组能够获取准直透镜出射的激光并反射至连接有第二光纤的第二光纤准直器，通过一个移位光学元件获得两路光路可逆、光损耗小的测量通道，可以随时测量光纤的拉曼散射光谱，实现了光纤拉曼散射背景光的抠除，便于利用光纤表面增强拉曼探针实现高灵敏度、便携性微量有毒有害物质拉曼光谱检测。
Description
技术领域
本公开涉及光谱检测领域，特别涉及一种基于光纤表面增强拉曼探针的传感装置及工作方法。
背景技术
本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术，并不必然构成现有技术。
物质辨别检测技术在食品安全、环境保护以及生命科学领域有很重要的应用，对于人们生活质量保障的重要性不言而喻。表面增强拉曼散射探测可提供关于分子精细结构的光谱信息，是一种高灵敏度、免标记探测的分子识别手段。近年来，借助于拉曼光谱仪的小型化和微型化，表面增强拉曼光谱技术已经从实验室技术逐渐发展成为一种现场快检技术，有望在迫切需要现场快速检测工具的食品安全、环境监测、国防和公共安全等领域得到广泛应用。
发明人发现，利用光纤体积小，所取样品少、灵敏度高以及便携性的优势，将表面增强拉曼散射与光纤相结合，研制了不同类型、不同形状的表面增强拉曼散射光纤探针，用以实现微量有毒有害液体的检测。但是目前利用表面增强拉曼散射光纤探针进行检验时，光纤本身受激也会产生拉曼散射光(中空光纤除外)，导致光纤的拉曼噪声与样品拉曼信号波段重叠，将会严重影响采集的拉曼光谱信号的质量。
发明内容
本发明公开的目的是针对现有技术存在的缺陷，提供一种基于光纤表面增强拉曼探针的传感装置及工作方法，通过一个移位光学元件获得两路光路可逆、光损耗小的测量通道，可以随时测量光纤的拉曼散射光谱，实现了光纤拉曼散射背景光的抠除，便于利用光纤表面增强拉曼探针实现高灵敏度、便携性微量有毒有害物质拉曼光谱检测。
本公开的第一目的是提供一种基于光纤表面增强拉曼探针的传感装置，采用以下技术方案：
包括依次布置的拉曼探头、准直透镜和光纤准直器，拉曼探头与激光器、光谱仪连接，连接有第一光纤的第一光纤准直器与准直透镜之间布置有可拆卸的平面镜组，平面镜组能够获取准直透镜出射的激光并反射至连接有第二光纤的第二光纤准直器。
进一步地，所述拉曼探头和准直透镜共线布置，拉曼探头的焦点位于准直透镜的焦距处。
进一步地，所述平面镜组包括间隔设置的多个平面镜，平面镜通过组合形成光路反射结构，用于通过全反射改变投射在其上光路的方向。
进一步地，所述平面镜有两个，镜面间隔且平行布置，其中一平面镜可拆卸的布置在第一光纤准直器与准直透镜之间。
进一步地，所述激光器为单频激光器，光谱仪为拉曼光谱仪，单频激光器、拉曼光谱仪通过光纤光路连接拉曼探头。
进一步地，所述第一光纤与第二光纤中任一为参考光纤，另一为光纤探针，二者长度相同，对应对接相应的光纤准直器。
进一步地，所述光纤探针的表面或端面修饰有表面增强拉曼材料。
本公开的第二目的是提供一种如上所述的基于光纤表面增强拉曼探针的传感装置的工作方法，包括以下步骤：
拉曼探头获取激光器输出的激光，经激发光纤后输出到准直透镜；
准直透镜输出的激光入射到第一光纤准直器上，并输入到第一光纤，由第一光纤产生的拉曼散射光依次经第一光纤准直器、准直透镜返回拉曼探头，由拉曼探头收集光纤传输到光谱仪；
在第一光纤准直器与准直透镜之间安装平面镜组；
改变准直透镜输出的激光的方向，使激光经过平面镜组后入射到第二光纤准直器上，并输入到第二光纤，由第二光纤产生的拉曼散射光依次经第二光纤准直器、平面镜组、准直透镜返回拉曼探头，由拉曼探头收集光纤传输到光谱仪。
进一步地，所述平面镜组分时安装在第一光纤准直器和准直透镜之间。
进一步地，所述光谱仪分析由拉曼探头反馈回的散射光并生成光谱，对第一光纤和第二光纤的拉曼散射光进行比对分析。
与现有技术相比，本公开具有的优点和积极效果是：
(1)通过一个移位光学元件获得两路光路可逆、光损耗小的测量通道，可以随时测量光纤的拉曼散射光谱，实现了光纤拉曼散射背景光的抠除，便于利用光纤表面增强拉曼探针实现高灵敏度、便携性微量有毒有害物质拉曼光谱检测；
(2)采用反光镜组对准直透镜射出的激光和光纤准直器反射的激光进行全反射，得到光路可逆、光损耗小的测量通道，相较于传统方式采用分光片、分光棱镜、角度旋转棱镜、电控光开关形成的光通路具有插入损耗低、光路可逆、不带电、简单可靠的优点；
(3)将参考光纤和光纤探针同时接入测量装置，可以随时测量光纤的拉曼散射光谱，实现了光纤拉曼散射背景光的实时扣除；
(4)对光纤表面增强拉曼探针进行远端测量，无需聚焦，具有便携性，可避免检测人员直接接触危险物品，减少对人体的危害。
附图说明
构成本公开的一部分的说明书附图用来提供对本公开的进一步理解，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的不当限定。
图1为本公开实施例1、2中传感装置的整体结构示意图；
图2为本公开实施例1、2中激光器在270mA驱动电流下1mm芯径光纤的拉曼散射光谱图；
图3为本公开实施例1、2中激光器在450mA驱动电流下1mm芯径光纤的拉曼散射光谱图；
图4为本公开实施例1、2中测量的0.1ug/mL的罗丹明6G溶液的拉曼散射光谱图(未扣除光纤的拉曼背景光)；
图5为本公开实施例1、2中测量的0.1ug/mL的罗丹明6G溶液的拉曼散射光谱图(扣除了光纤的拉曼背景光)。
其中：1、单频激光器；2、拉曼探头；3、准直透镜；4、第一平面镜；5、第二平面镜；6、第一光纤准直器；7、第二光纤准直器；8、参考光纤；9、光纤探针；10、拉曼光谱仪；11、计算机。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本公开提供进一步地说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本公开所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本公开的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合；
为了方便叙述，本公开中如果出现“上”、“下”、“左”、“右”字样，仅表示与附图本身的上、下、左、右方向一致，并不对结构起限定作用，仅仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位，以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本公开的限制。
正如背景技术中所介绍的，现有技术中利用表面增强拉曼散射光纤探针进行检验时，光纤本身受激也会产生拉曼散射光，导致光纤的拉曼噪声与样品拉曼信号波段重叠，将会严重影响采集的拉曼光谱信号的质量；针对上述问题，本公开提出了一种基于光纤表面增强拉曼探针的传感装置及工作方法。
光纤表面增强拉曼探针具有远距离、在线检测、痕量检测且无需聚焦检测的技术优势，但是光纤本身的拉曼散射光限制了多类型光纤表面增强拉曼探针的灵活应用；
物质的拉曼散射光随激发光强度和光谱仪积分时间的增加而增强，因此只在测量开始存储参考光纤的拉曼散射光不能满足测量装置抵消拉曼背景光的要求。
本公开中，采用手动移位平面反射镜构建了两个光通路，用于实现参考光纤拉曼散射背景光获取和光纤表面增强拉曼探针信号拉曼散射光的获取，这两个通路都能实现激发光的无损耗顺行和拉曼散射光的无损耗逆行，这样在光谱测量过程中就不需要来回插拔参考光纤和光纤探针。
实施例1
本公开的一种典型的实施方式中，如图1-图5所示，提出了一种基于光纤表面增强拉曼探针的传感装置。
主要包括单频激光器、拉曼探头、准直透镜、第一平面镜、第二平面镜、第一光纤准直器、第二光纤准直器、参考光纤、光纤探针和拉曼光谱仪等组成；
其中，依次布置的拉曼探头、准直透镜和光纤准直器能够形成光路，拉曼探头与激光器、光谱仪连接，连接有第一光纤的第一光纤准直器与准直透镜之间布置有可拆卸的平面镜组，平面镜组能够获取准直透镜出射的激光并反射至连接有第二光纤的第二光纤准直器；
其中，所述平面镜组为间隔设置的多个平面镜，平面镜通过组合形成光路反射结构，用于通过全反射改变投射在其上光路的方向；
由于平面镜的全反射效果，对于准直透镜发送到平面镜组的光线和光纤准直器反馈到平面镜组的光线都能够进行反射，获得两路光路可逆、光损耗小的测量通道。
采用反光镜组对准直透镜射出的激光和光纤准直器反射的激光进行全反射，得到光路可逆、光损耗小的测量通道，相较于传统方式采用分光片、分光棱镜、角度旋转棱镜、电控光开关形成的光通路具有插入损耗低、光路可逆、不带电、简单可靠的优点。
在本实施例中，所述平面镜有两个，镜面间隔且平行布置，其中一平面镜可拆卸的布置在第一光纤准直器与准直透镜之间；
平面镜组可拆卸的布置在准直透镜与光纤准直器之间的光路上，从而通过安装和拆除平面镜，改变光路的传递方向，能够满足两条光纤准直器的需求。
所述激光器为单频激光器，光谱仪为拉曼光谱仪，单频激光器、拉曼光谱仪通过光纤光路连接拉曼探头；
所述第一光纤与第二光纤中任一为参考光纤，另一为光纤探针，二者长度相同，对应对接相应的光纤准直器；
在本实施例中，第一光纤为参考光纤，第二光纤为光纤探针，同样的，也可以将第一光纤布置为光纤探针，第二光纤布置为参考光纤。
对于第一光纤和第二光纤，其可以选择为同类型光纤，且具有一样的长度；
也可以将光纤探针布置为为不同结构，光纤探针表面或端面修饰了表面增强拉曼材料。
对于光线源部分的配置，拉曼探头和准直透镜共线布置，拉曼探头的焦点位于准直透镜的焦距处；拉曼探头与单频激光器的波长相匹配；
激光器为单频激光器，光谱仪为拉曼光谱仪，单频激光器、拉曼光谱仪通过光纤光路连接拉曼探头。
在本实施例中，对于上述个各元件的具体参数配置：
单频激光器输出光信号的波长为785nm，功率100mW，拉曼探头为内置785nm滤光片的拉曼收集及分光装置。
所述单频激光器，拉曼探头、拉曼光谱仪通过光纤光路连接。
所述拉曼探头焦距7.5mm，且焦点位于准直透镜的焦距处。
所述准直透镜焦距40mm，用于把拉曼探头输出的聚焦光变成准直光束。
所述第一平面镜通过手动来控制，可以在对应位置安装不遮挡光路的底座，可以将平面镜安装在此底座上固定。
所述第一光纤准直器、参考光纤、第二光纤准直器和光纤探针都具有SMA905的接头。
所述参考光纤与光纤探针为1mm芯径0.37数值孔径的光纤，且长度60mm。
所述光纤探针端面修饰了50nm的金颗粒。通过移液器将0.1ug/mL的罗丹明6G溶液样品滴加在光纤探针端面敏感区。
通过一个移位光学元件获得两路光路可逆、光损耗小的测量通道，可以随时测量光纤的拉曼散射光谱，实现了光纤拉曼散射背景光的抠除，便于利用光纤表面增强拉曼探针实现高灵敏度、便携性微量有毒有害物质拉曼光谱检测。
实施例2
本公开的另一典型实施方式中，如图1-图5所示，给出一种如实施例1中的基于光纤表面增强拉曼探针的传感装置的工作方法。
包括以下步骤：
所述第一平面镜4处于离开状态时，单频激光器1发出的激发光入射到拉曼探头2的激发光纤后，由拉曼探头的油浸物镜输出，经准直透镜3、入射到第一光纤准直器6上；
最后输入到参考光纤8，由参考光纤产生的拉曼散射光经第一光纤准直器6、准直透镜返回拉曼探头，再由拉曼探头收集光纤传输到拉曼光谱仪10，由计算机11软件保存参考光纤的拉曼散射光谱，用作背景光。
所述第一平面镜4处于插入状态时，单频激光器发出的激发光入射到拉曼探头的激发光纤后，由拉曼探头的油浸物镜输出，经准直透镜、第一平面镜4、第二平面镜5、入射到第二光纤准直器7上；
最后输入到光纤探针9，由光纤探针9产生的拉曼散射光经第二光纤准直器7、第二平面镜5、第一平面镜4、准直透镜进入拉曼探头，再由拉曼探头收集光纤传输到拉曼光谱仪10，进而由计算机11软件显示出扣除光纤拉曼散射光背景后的待测物质的拉曼散射光谱
结合实施例1，并结合附图，对于实施例1中各元件参数下的工作过程，叙述如下：
第一平面镜4处于离开状态时，功率为100mW的785nm波长的激光从激光器发出，入射到拉曼探头的激发光纤后，由拉曼探头的油浸物镜输出，经准直透镜、入射到第一光纤准直器6上，最后输入到参考光纤，由参考光纤产生的拉曼散射光经第一光纤准直器6、准直透镜返回拉曼探头，再由拉曼探头收集光纤传输到拉曼光谱仪，由计算机软件保存参考光纤的拉曼散射光谱，用作背景光。第一平面镜4处于插入状态时，785nm激光器发出的激发光入射到拉曼探头的激发光纤后，由拉曼探头的油浸物镜输出，经准直透镜、第一平面镜4、第二平面镜5、入射到第二光纤准直器7上，最后输入到带有0.1ug/mL罗丹明6G溶液的光纤探针，由光纤探针产生的拉曼散射光经第二光纤准直器7、第二平面镜5、第一平面镜4、准直透镜进入拉曼探头，再由拉曼探头收集光纤传输到拉曼光谱仪，进而由计算机软件显示出扣除光纤拉曼散射光背景后的0.1ug/mL罗丹明6G溶液的拉曼散射光谱。
将参考光纤和光纤探针同时接入测量装置，可以随时测量光纤的拉曼散射光谱，实现了光纤拉曼散射背景光的实时扣除；
对光纤表面增强拉曼探针进行远端测量，无需聚焦，具有便携性，可避免检测人员直接接触危险物品，减少对人体的危害。
以上所述仅为本公开的优选实施例而已，并不用于限制本公开，对于本领域的技术人员来说，本公开可以有各种更改和变化。凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种基于光纤表面增强拉曼探针的传感装置，其特征在于，包括依次布置的拉曼探头、准直透镜和光纤准直器，拉曼探头与激光器、光谱仪连接，连接有第一光纤的第一光纤准直器与准直透镜之间布置有可拆卸的平面镜组，平面镜组能够获取准直透镜出射的激光并反射至连接有第二光纤的第二光纤准直器。
2.如权利要求1所述的基于光纤表面增强拉曼探针的传感装置，其特征在于，所述拉曼探头和准直透镜共线布置，拉曼探头的焦点位于准直透镜的焦距处。
3.如权利要求1所述的基于光纤表面增强拉曼探针的传感装置，其特征在于，所述平面镜组包括间隔设置的多个平面镜，平面镜通过组合形成光路反射结构，用于通过全反射改变投射在其上光路的方向。
4.如权利要求3所述的基于光纤表面增强拉曼探针的传感装置，其特征在于，所述平面镜有两个，镜面间隔且平行布置，其中一平面镜可拆卸的布置在第一光纤准直器与准直透镜之间。
5.如权利要求1所述的基于光纤表面增强拉曼探针的传感装置，其特征在于，所述激光器为单频激光器，光谱仪为拉曼光谱仪，单频激光器、拉曼光谱仪通过光纤光路连接拉曼探头。
6.如权利要求1所述的基于光纤表面增强拉曼探针的传感装置，其特征在于，所述第一光纤与第二光纤中任一为参考光纤，另一为光纤探针，二者长度相同，对应对接相应的光纤准直器。
7.如权利要求6所述的基于光纤表面增强拉曼探针的传感装置，其特征在于，所述光纤探针的表面或端面修饰有表面增强拉曼材料。
8.一种如权利要求1-7任一项所述的基于光纤表面增强拉曼探针的传感装置的工作方法，其特征在于，包括以下步骤：
拉曼探头获取激光器输出的激光，经激发光纤后输出到准直透镜；
准直透镜输出的激光入射到第一光纤准直器上，并输入到第一光纤，由第一光纤产生的拉曼散射光依次经第一光纤准直器、准直透镜返回拉曼探头，由拉曼探头收集光纤传输到光谱仪；
在第一光纤准直器与准直透镜之间安装平面镜组；
改变准直透镜输出的激光的方向，使激光经过平面镜组后入射到第二光纤准直器上，并输入到第二光纤，由第二光纤产生的拉曼散射光依次经第二光纤准直器、平面镜组、准直透镜返回拉曼探头，由拉曼探头收集光纤传输到光谱仪。
9.如权利要求8所述的工作方法，其特征在于，所述平面镜组分时安装在第一光纤准直器和准直透镜之间。
10.如权利要求8所述的工作方法，其特征在于，所述光谱仪分析由拉曼探头反馈回的散射光并生成光谱，对第一光纤和第二光纤的拉曼散射光进行比对分析。
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2020
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