CN113092437A - 一种远程拉曼光谱探测模组及远程探测光谱仪 - Google Patents
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Abstract
本公开是关于远程拉曼光谱探测模组及远程探测光谱仪。其包括激光器，分束器，发射探测光路，反射探测光路，光谱仪，光电探测器，ICCD和计算机。激光经分束器分成探测激光和同步参考激光；同步参考激光产生的脉冲信号作为ICCD开启的参考信号；探测激光在待测样品表面产生拉曼光谱，通过光谱仪达到ICCD光阴极面的同时，ICCD开始工作500ps然后停止。本申请可以有效的避免因激光器时间抖动(us量级)而导致ICCD的开启时间与拉曼光谱到达光阴极面时间不同步的问题；同时也避免ICCD工作时间过长(大于1ns)采集到荧光，从而提高远程探测结果的有效性和准确性。实现非接触式无损探测，可用于毒品、易燃易爆品、危化物检测与识别，具有信噪比高、探测距离远等优势。
Description
技术领域
本公开涉及激光测试技术领域，尤其涉及一种远程拉曼光谱探测模组及远程探测光谱仪。
背景技术
各国对安全问题愈加重视，一些重要的公共场所，如车站、机场等的易燃易爆、危险爆炸物、毒品的有效探测是防范爆炸案件及违法携带违禁品的重要途径。
相关技术中，用于危险物品检测的远程拉曼光谱仪多采用的是脉冲激光作为激发光源，该光源经准直、滤光、聚焦到样品上，该样品拉曼光谱后形成的拉曼散射信号反向传输至光谱仪进行分光，分光后得到的拉曼分光信号需要进入ICCD(Intensified ChargeCoupled Device，强型电荷耦合器件)探测器便于用户查看，但激光器固有的抖动(us基板)是难以克服的，尽管ICCD 通常处于待机状态，在接收到激光器发送的触发信号之后，ICCD开启并对拉曼分光信号进行光电转换后形成电信号，再通过显示屏输出样品的拉曼光谱。为了达到拉曼光谱到达ICCD的时间与触发信号控制ICCD开始工作时间同步，通常采用的是一种电触发模式，由于激光器本身存在时间抖动较大 (us)量级，而拉曼光谱几乎在皮秒量级完成，因此采用电触发模式会降低拉曼光谱仪的探测准确度、影响探测结果，同时还收集到大量的荧光。
发明内容
为克服相关技术中存在的问题，本公开实施例提供一种ps同步远程拉曼光谱仪。所述技术方案如下：
根据本公开实施例的第一方面，提供一种远程拉曼光谱探测模组，所述远程拉曼光谱探测模组包括激光器，分束器，发射探测光路，反射探测光路，光谱仪，光电探测器，ICCD和计算机；
所述激光器用于产生原始激光；
所述原始激光传输至所述分束器，经所述分束器分束得到探测激光和同步参考激光；所述同步参考激光传输至所述光电探测器，所述光电探测器根据所述同步参考激光产生触发信号，并将所述触发信号通过皮秒量级延迟控制电路后发送给所述ICCD，以便于所述ICCD在接收到所述触发信号时开启；
所述探测激光经过所述发射探测光路传输至待测样品后产生拉曼光谱；所述拉曼光谱经过所述反射探测光路传输至所述光谱仪；
所述光谱仪用于对所述反射探测光路的出射光进行分光，获取反映所述待测样品信息的光谱信号，并在所述ICCD开启的同时将所述光谱信号传输至所述ICCD；
所述ICCD用于将所述光谱信号进行光电转换，获取反映所述待测样品信息的电信号，并将所述电信号发送至所述计算机；
所述计算机用于处理并显示所述电信号。
本公开的实施例提供的技术方案可以包括以下有益效果：本申请采用与探测激光同步的同步参考激光产生控制ICCD工作的触发信号，可以有效的避免因激光器固有时间抖动而产生的ICCD的开启时间与接收光谱信号的时间不同步的问题，进而避免了由于ICCD未开启所以采集不到光谱信号或者开启后采集到空信号导致的探测准确度低的问题，同时也避免了荧光信号的干扰，提高了远程探测结果的有效性和准确性。实现非接触式无损探测，可用于毒品、易燃易爆品、危化物检测与识别，具有信噪比高、探测距离远等优势。
在一个实施例中，所述发射探测光路包括第一透镜，传输光纤，准直器，第一滤波片和第二透镜；
所述探测激光经过所述第一透镜聚焦后耦合进所述传输光纤中；
所述传输光纤将所述探测激光传输至所述准直器；
所述准直器将所述探测激光进行准直形成平行探测激光，并将所述平行探测激光传输至所述第一滤波片；
所述平行探测激光在所述第一滤波片表面进行反射后传输至所述第二透镜；
所述第二透镜对所述平行探测激光进行聚焦，使得所述平行探测激光照射至所述待测样品。
在一个实施例中，所述传输光纤的长度与从所述同步参考激光传输至所述光电探测器至所述光电探测器向所述ICCD发送所述触发信号之间的第一时长，以及从所述探测激光传输至所述第一透镜至所述光谱信号传输至所述 ICCD之间的第二时长相关。
在一个实施例中，所述反射探测光路包括所述第二透镜，所述第一滤波片和过滤准直组件；
所述拉曼光谱经过所述第二透镜聚焦后传输至所述第一滤波片，并在通过所述第一滤波片之后传输至所述过滤准直组件；
所述过滤准直组件用于对所述拉曼光谱进行过滤和准直，形成平行拉曼光谱，并将所述平行拉曼光谱传输至所述光谱仪。
在一个实施例中，所述第一滤波片设置有反射所述平行探测激光，且透射拉曼散射光、荧光以及可见光的膜层。
在一个实施例中，所述过滤准直组件包括第二滤波片，第三透镜和光阑；
从所述第一滤波片透过的所述拉曼光谱经过所述第二滤波片过滤后形成滤波拉曼光谱；
所述滤波拉曼光谱传输至所述第三透镜形成所述平行拉曼光谱；
所述平行拉曼光谱经过所述光阑汇聚后进入到所述光谱仪进光口的狭缝内。
在一个实施例中，所述第二滤波片用于过滤所述拉曼光谱中波长小于或等于预设波长阈值的光束，形成所述滤波拉曼光谱。
在一个实施例中，所述光谱仪为拉曼光谱仪。
根据本公开实施例的第二方面，提供一种远程探测光谱仪，所述远程探测光谱仪包括第一方面任一实施例所述的远程拉曼光谱探测模组和机壳；
所述机壳为适配于所述远程拉曼光谱探测模组且包裹所述远程拉曼光谱探测模组的壳体，所述远程拉曼光谱探测模组包括的多个部件均直接或间接与所述机壳固定。
应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本公开。
附图说明
此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本公开的实施例，并与说明书一起用于解释本公开的原理。
图1是根据一示例性实施例示出的远程拉曼光谱探测模组的结构示意图。
图2是使用532nm激光器的远程拉曼光谱探测模组在不同距离下探测石膏的拉曼光谱谱图。
图3是根据一示例性实施例示出的远程拉曼光谱探测模组的结构示意图。
图4是根据一示例性实施例示出的远程拉曼光谱探测模组的结构示意图。
图5是根据一示例性实施例示出的远程拉曼光谱探测模组的结构示意图。
具体实施方式
这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本公开相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本公开的一些方面相一致的装置和方法的例子。
本公开实施例提供一种远程拉曼光谱探测模组10，如图1所示，远程拉曼光谱探测模组10包括激光器101，分束器102，发射探测光路103，反射探测光路104，光谱仪105，光电探测器106，ICCD107和计算机108。
其中，激光器101用于产生原始激光，该原始激光可以为波长为532nm，频率为1000Hz的高重频脉冲激光，但本申请并不以此为限，即该原始激光还可以是近紫外、深紫外以及可见或者红外等波长的激光，其频率也可以为其他高重频，脉冲宽度可以为ns(纳秒)、ps(皮秒)或者fs(飞秒)，能量可以为uJ(微焦)或mJ(毫焦)。
原始激光传输至分束器102，经分束器102分束得到探测激光和同步参考激光。同步参考激光传输至光电探测器106，光电探测器106根据同步参考激光产生触发信号，并将触发信号通过皮秒量级延迟控制电路后发送给 ICCD107，以便于ICCD107在接收到触发信号时开启。
示例的，分束器102一般为石英玻璃，可以与原始激光的传输方向呈45°角放置。由于光触发不需要太大的激光能量即可实现，因此在进行分束时可以将原始激光的5％分为同步参考激光，剩余的95％分为探测激光，即5％的原始激光在分束器102的表面经过反射形成同步参考激光，95％的原始激光被分束器102透射形成探测激光。
同步参考激光经过光电探测器106的光电转换产生触发信号，该触发信号可以触发ICCD107开启，通过合理的设置发射探测光路103和反射探测光路104的光程，可以使得该ICCD107开启的时间与光谱仪105用将光谱信号传输至ICCD107的时间同步，避免出现ICCD107已开启但光谱仪105还没有传输该光谱信号，或者光谱仪105已经将光谱信号传输至ICCD107，但该 ICCD107还未开启的情况。
可选的，该触发信号可以为方波信号，例如该激光器101产生激光时为高电平，不产生激光时为低电平，该ICCD107可以在方波信号为高电平时开启，接收光谱仪105传输的光谱信号；在方波信号为低电平时关闭，降低功耗。
探测激光经过发射探测光路103传输至待测样品后产生拉曼光谱。拉曼光谱经过反射探测光路104传输至光谱仪105。
示例的，探测激光在照射至待测样品之后可以激发待测样品产生拉曼散射以形成包括拉曼散射光的拉曼光谱。本公开实施例以探测待测样品的拉曼光谱为例，但并不以此为限，其他可以体现待测样品成分的光谱信息均可以作为本申请的示例。
光谱仪105用于对反射探测光路104的出射光进行分光，获取反映待测样品信息的光谱信号，并在ICCD107开启的同时将光谱信号传输至 ICCD107。
示例的，光谱仪105可以为拉曼光谱仪，反射探测光路104的出射光从该光谱仪105的入射狭缝进入内腔之后，由该内腔中设置的衍射光栅将该出射光在空间域上分开，获取到反映待测样品信息的光谱信号。同时，该光谱仪105还可以将反射探测光路104的出射光中的干扰光去除，仅保留拉曼光谱信号。
ICCD107用于将光谱信号进行光电转换，获取反映待测样品信息的电信号，并将电信号发送至计算机108。该计算机108用于处理电信号，以便于显示该待测样品信息，以及用户所需的与该待测样品信息相关的其他信息。
示例的，ICCD107可以在开启的同时接收到光谱仪105传输的拉曼光谱信号，避免了采集空信号的情况，即可以及时接收光谱仪105传输的拉曼光谱信号，并将其转换为反映待测样品拉曼光谱信息的电信号发送给计算机 108，便于该计算机108显示。可选的，该计算机108可以为平板电脑，台式机或者笔记本，本公开实施例对此不作限定。具体的，检测人员还可以指示计算机108显示标准谱图，通过对该待测样品的拉曼光谱信息与标准拉曼光谱数据库中的标准谱图对比，可以对被测样品的定性与定量分析。
具体的，图2为使用532nm激光器的远程拉曼光谱探测模组10在不同距离下探测石膏的拉曼光谱谱图，通过该谱图可知石膏也在波数1000至1100 之间存在一个明显的特征吸收峰，随着距离的增加，该特征吸收峰逐渐下降，但不影响对其光谱特性的判断，即在远程情况下依然可以通过对其特征吸收峰的检测确定待测样品中是否包括危险物品。
本申请采用与探测激光同步的同步参考激光产生控制ICCD107工作的触发信号，可以有效的避免因激光器101时间抖动而产生的ICCD107的开启时间与接收光谱信号的时间不同步的问题，进而避免了由于ICCD107未开启所以采集不到光谱信号或者开启后采集到空信号导致的探测准确度低的问题，提高了远程探测结果的有效性和准确性。实现非接触式无损探测，可用于毒品、易燃易爆品、危化物检测与识别，具有信噪比高、探测距离远等优势。
在一个实施例中，如图3所示，发射探测光路103包括第一透镜1031，传输光纤1032，准直器1033，第一滤波片1034和第二透镜1035。
其中，探测激光经过第一透镜1031聚焦后耦合进传输光纤1032中。
传输光纤1032将探测激光传输至准直器1033。
准直器1033将探测激光进行准直形成平行探测激光，并将平行探测激光传输至第一滤波片1034。
平行探测激光在第一滤波片1034表面进行反射后传输至第二透镜1035。
第二透镜1035对平行探测激光进行聚焦，使得平行探测激光照射至待测样品。
示例的，第一透镜1031为聚焦透镜，探测激光经该第一透镜1031聚焦后耦合进传输光纤1032中，通过该传输光纤1032的长度可以控制从探测激光传输至第一透镜1031至光谱信号传输至ICCD107之间的第二时长，使得该第二时长与从同步参考激光传输至光电探测器106至光电探测器106向 ICCD107发送触发信号之间的第一时长相同，即该传输光纤1032的长度该第一时长和第二时长相关。具体的，在不设置传输光纤1032的情况下，检测ICCD107开启的时间与接收到光谱信号的时间之间的延迟时间s，例如，采用示波器替代该ICCD107进行检测，检测到该延迟时间s之后即可计算该传输光纤1032的长度L＝延迟时间s*光在光纤中的传输速度v。
该第一滤波片1034可以设置有反射平行探测激光，且透射拉曼散射光、荧光以及可见光的膜层，即反射该平行探测激光，同时透射该平行探测激光经过待测样品反射和散射之后的拉曼光谱。
在一个实施例中，如图4所示，反射探测光路104包括第二透镜1035，第一滤波片1034和过滤准直组件1041。
其中，拉曼光谱经过第二透镜1035聚焦后传输至第一滤波片1034，并在通过第一滤波片1034之后传输至过滤准直组件1041。
过滤准直组件1041用于对拉曼光谱进行过滤和准直，形成平行拉曼光谱，并将平行拉曼光谱传输至光谱仪105。
示例的，以待测样品在从第二透镜1035出射的平行探测激光的激发下产生拉曼散射光为例，包括有该拉曼散射光的拉曼光谱再次经过该第二透镜 1035后传输至第一滤波片1034，由于该第一滤波片1034设置的膜层具有透射拉曼散射光、荧光以及可见光的特性，因此包括该拉曼散射光的拉曼光谱几乎可以完全从该第一滤波片1034透射，并传输至过滤准直组件1041，避免了在传输过程中造成的光谱信息的丢失。
在一个实施例中，如图5所示，该过滤准直组件1041包括第二滤波片 1041a，第三透镜1041b和光阑1041c。
其中，从第一滤波片1034透过的拉曼光谱经过第二滤波片1041a过滤后形成滤波拉曼光谱。
滤波拉曼光谱传输至第三透镜1041b形成平行拉曼光谱。
平行拉曼光谱经过光阑1041c汇聚后进入到光谱仪进光口的狭缝内。
示例的，该第二滤波片1041a用于过滤拉曼光谱中波长小于或等于预设波长阈值的光束，形成滤波拉曼光谱，即该第二滤波片1041a可以过滤预设波长阈值以下的所有波长的光，以该预设波长阈值为532nm(纳米)为例，即该第二滤波片1041a可以过滤波长为532nm及波长小于532nm的光波，在拉曼光谱进入光谱仪105之前，尽可能的过滤掉待测样品表面反射产生的激光、荧光及可见光，仅保留拉曼散射光，避免在观测拉曼光谱时产生干扰。
本公开实施例公开一种远程拉曼光谱探测模组，该模组可以采用与探测激光同步的同步参考激光产生控制ICCD107工作的触发信号，有效的避免因激光器101时间抖动而产生的ICCD107的开启时间与接收光谱信号的时间不同步的问题，进而避免了由于ICCD107未开启所以采集不到光谱信号或者开启后采集到空信号导致的探测准确度低的问题，提高了远程探测结果的有效性和准确性。同时，该模组通过传输光纤1032的长度调整从探测激光传输至第一透镜1031至光谱信号传输至ICCD107之间的第二时长，使得该该第二时长与从同步参考激光传输至光电探测器106至光电探测器106向ICCD107 发送触发信号之间的第一时长相同，由于光纤的可弯曲，使得整个模组的结构简单，体积较小，空间利用率高，符合在人流量密集的场景下的远程探测要求；而且通过光纤传输光信号的成本较低，能量损耗也较低，满足了小型化和低成本的市场需求。
本公开实施例提供一种ps同步的远程拉曼光谱仪105，远程拉曼光谱仪 105包括第一方面任一实施例的远程拉曼光谱探测模组10和机壳。该机壳为适配于远程拉曼光谱探测模组10且包裹该远程拉曼光谱探测模组10的壳体，该远程拉曼光谱探测模组10包括的多个部件均直接或间接与该机壳固定。
示例的，远程拉曼光谱探测模组10包括激光器101，分束器102，发射探测光路103，反射探测光路104，光谱仪105，光电探测器106，ICCD107 和计算机108。
其中，激光器101用于产生原始激光，该原始激光可以为波长为532nm，频率为1000Hz的高重频脉冲激光。
原始激光传输至分束器102，经分束器102分束得到探测激光和同步参考激光。同步参考激光传输至光电探测器106，光电探测器106根据同步参考激光产生触发信号，并将触发信号发送给ICCD107，以便于ICCD107在接收到触发信号时开启。
探测激光经过发射探测光路103传输至待测样品后产生拉曼光谱。拉曼光谱经过反射探测光路104传输至光谱仪105。
光谱仪105用于对反射探测光路104的出射光进行分光，获取反映待测样品信息的光谱信号，并在ICCD107开启的同时将光谱信号传输至 ICCD107。示例的，光谱仪105可以为拉曼光谱仪。
ICCD107用于将光谱信号进行光电转换，获取反映待测样品信息的电信号，以便于显示该待测样品信息，以及用户所需的与该待测样品信息相关的其他信息。
在一个实施例中，该发射探测光路103包括第一透镜1031，传输光纤 1032，准直器1033，第一滤波片1034和第二透镜1035。
其中，探测激光经过第一透镜1031聚焦后耦合进传输光纤1032中。
传输光纤1032将探测激光传输至准直器1033。
准直器1033将探测激光进行准直形成平行探测激光，并将平行探测激光传输至第一滤波片1034。
平行探测激光在第一滤波片1034表面进行反射后传输至第二透镜1035。
第二透镜1035对平行探测激光进行聚焦，使得平行探测激光照射至待测样品。
本公开实施例提供一种远程探测光谱仪，该光谱仪采用与探测激光同步的同步参考激光产生控制ICCD107工作的触发信号，可以有效的避免因激光器101时间抖动而产生的ICCD107的开启时间与接收光谱信号的时间不同步的问题，进而避免了由于ICCD107未开启所以采集不到光谱信号或者开启后采集到空信号导致的探测准确度低的问题，提高了远程探测结果的有效性和准确性。同时，该光谱仪通过传输光纤1032的长度调整从探测激光传输至第一透镜1031至光谱信号传输至ICCD107之间的第二时长，使得该第二时长与从同步参考激光传输至光电探测器106至光电探测器106向ICCD107发送触发信号之间的第一时长相同，简化了光谱仪的结构，使得整个光谱仪的体积较小，空间利用率高，符合在人流量密集的场景下的远程探测要求；而且通过光纤传输光信号的成本较低，能量损耗也较低，满足了小型化和低成本的市场需求。
本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的公开后，将容易想到本公开的其它实施方案。本申请旨在涵盖本公开的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本公开的一般性原理并包括本公开未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本公开的真正范围和精神由下面的权利要求指出。
应当理解的是，本公开并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本公开的范围仅由所附的权利要求来限制。
Claims (9)
1.一种远程拉曼光谱探测模组，其特征在于，所述远程拉曼光谱探测模组包括激光器，分束器，发射探测光路，反射探测光路，光谱仪，光电探测器，ICCD和计算机；
所述激光器用于产生原始激光；
所述原始激光传输至所述分束器，经所述分束器分束得到探测激光和同步参考激光；所述同步参考激光传输至所述光电探测器，所述光电探测器根据所述同步参考激光产生触发信号，并将所述触发信号通过皮秒量级延迟控制电路后发送给所述ICCD，以便于所述ICCD在接收到所述触发信号时开启；
所述探测激光经过所述发射探测光路传输至待测样品后产生拉曼光谱；所述拉曼光谱经过所述反射探测光路传输至所述光谱仪；
所述光谱仪用于对所述反射探测光路的出射光进行分光，获取反映所述待测样品信息的光谱信号，并在所述ICCD开启的同时将所述光谱信号传输至所述ICCD；
所述ICCD用于将所述光谱信号进行光电转换，获取反映所述待测样品信息的电信号，并将所述电信号发送至所述计算机；
所述计算机用于处理并显示所述电信号。
2.根据权利要求1所述的远程拉曼光谱探测模组，其特征在于，所述发射探测光路包括第一透镜，传输光纤，准直器，第一滤波片和第二透镜；
所述探测激光经过所述第一透镜聚焦后耦合进所述传输光纤中；
所述传输光纤将所述探测激光传输至所述准直器；
所述准直器将所述探测激光进行准直形成平行探测激光，并将所述平行探测激光传输至所述第一滤波片；
所述平行探测激光在所述第一滤波片表面进行反射后传输至所述第二透镜；
所述第二透镜对所述平行探测激光进行聚焦，使得所述平行探测激光照射至所述待测样品。
3.根据权利要求2所述的远程拉曼光谱探测模组，其特征在于，
所述传输光纤的长度与从所述同步参考激光传输至所述光电探测器至所述光电探测器向所述ICCD发送所述触发信号之间的第一时长，以及从所述探测激光传输至所述第一透镜至所述光谱信号传输至所述ICCD之间的第二时长相关。
4.根据权利要求2或3所述的远程拉曼光谱探测模组，其特征在于，所述反射探测光路包括所述第二透镜，所述第一滤波片和过滤准直组件；
所述拉曼光谱经过所述第二透镜聚焦后传输至所述第一滤波片，并在通过所述第一滤波片之后传输至所述过滤准直组件；
所述过滤准直组件用于对所述拉曼光谱进行过滤和准直，形成平行拉曼光谱，并将所述平行拉曼光谱传输至所述光谱仪。
5.根据权利要求4所述的远程拉曼光谱探测模组，其特征在于，所述第一滤波片设置有反射所述平行探测激光，且透射拉曼散射光、荧光以及可见光的膜层。
6.根据权利要求4所述的远程拉曼光谱探测模组，其特征在于，所述过滤准直组件包括第二滤波片，第三透镜和光阑；
从所述第一滤波片透过的所述拉曼光谱经过所述第二滤波片过滤后形成滤波拉曼光谱；
所述滤波拉曼光谱传输至所述第三透镜形成所述平行拉曼光谱；
所述平行拉曼光谱经过所述光阑汇聚后进入到所述光谱仪进光口的狭缝内。
7.根据权利要求4所述的远程拉曼光谱探测模组，其特征在于，所述第二滤波片用于过滤所述拉曼光谱中波长小于或等于预设波长阈值的光束，形成所述滤波拉曼光谱。
8.根据权利要求1至3任意一项权利要求所述的远程拉曼光谱探测模组，其特征在于，所述光谱仪为拉曼光谱仪。
9.一种远程探测光谱仪，其特征在于，所述远程探测光谱仪包括权利要求1至8任意一项权利要求所述的远程拉曼光谱探测模组和机壳；
所述机壳为适配于所述远程拉曼光谱探测模组且包裹所述远程拉曼光谱探测模组的壳体，所述远程拉曼光谱探测模组包括的多个部件均直接或间接与所述机壳固定。
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