CN115656141A - 一种拉曼光谱探头 - Google Patents

Abstract

本发明涉及拉曼探测技术领域，公开了一种拉曼光谱探头，包括探头杆和手柄，所述探头杆与手柄衔接处设有至少一段隔热段，所述拉曼探头内部光路包括激光发射光路和信号收集光路；激光发射光路包括：激光器、出射光纤、依次同轴设置的第一准直透镜、激光线滤光片和反射镜；信号收集光路包括：依次同轴设置的第一聚焦镜、第一耦合透镜、光纤、第二准直透镜、二相色滤光片、长波通滤光片和第二耦合透镜；所述激光发射光路的部分和信号收集光路部分平行设置于手柄内，所述反射镜与二相色滤光片均呈45°角平行相对设置。本发明能够有效隔热适应高温探测环境，并且占空比能够较大提高，响应速度也大大提高，探测效率随之升高的拉曼光谱探头。

Description

一种拉曼光谱探头

技术领域

本发明涉及拉曼探测技术领域，具体涉及一种拉曼光谱探头。

背景技术

化学反应过程中，人们经常需要测试反应釜中的化学反应过程，拉曼光谱是一种很好的物质浓度监测方法。但是由于通常反应釜尺寸较大，有的尺寸甚至达10多米，而且经常温度较高。监测大反应釜内部的化学反应过程，是一个非常困难的事情。这个时候需要长杆探头(长度通常达到0.5-1m)，将反应釜内物质的拉曼信号导出，并且能够隔热，避免高温损坏拉曼光谱探头。且不同反应釜的尺寸存在非常大的差异，需要可定制不同长度的耐高温探头长度才能实现在线检测。

现有最接近的中国专利发明CN2012104691067公开了一种用于微型拉曼光谱仪的拉曼探头，其采用的是激发激光光路部分和信号收集光路部分平行设置，所述激发激光光路输出端设置45度反射镜，所述信号收集光路部分中第一片长波通滤光片为45度二相色滤光片，并与所述激发激光光路中反射镜对应，且将所述反射镜转折90度后的激发激光再次转折90度后引导至聚焦透镜，所述拉曼探头对应聚焦透镜设有聚焦反射镜，所述聚焦反射镜的焦点与所述聚焦透镜的焦点位置重合于被测样品位置上。但是在这个方案中，存在的技术问题是：在信号收集光路中，仅用一片长波通滤光片和45度二相色滤光片配合达到滤波效果，但是这种光路结构和整个探头硬件结构，在长距离光纤以及高温环境下无法适应，探头杆尺寸无法大范围调节，使用收纳不便；其次现有拉曼探头结构无法隔热，高温容易损坏探头；再次现有拉曼探头内部激光能量在长距离及高温环境下，有效延时扫描占总延时扫描的比例会降低，导致激光能量的浪费。

发明内容

为此，需要提供一种具有可伸缩，能够有效隔热适应高温探测环境，并且占空比能够较大提高，响应速度也大大提高，探测效率随之升高的拉曼光谱探头。

为实现上述目的，本发明提供了一种拉曼探头，包括探头杆和手柄，所述探头杆与手柄衔接处设有至少一段隔热段，所述拉曼探头内部光路包括激光发射光路和信号收集光路；激光发射光路包括：激光器、出射光纤、依次同轴设置的第一准直透镜、激光线滤光片和反射镜；信号收集光路包括：依次同轴设置的第一聚焦镜、第一耦合透镜、光纤、第二准直透镜、二相色滤光片、长波通滤光片和第二耦合透镜；所述激光发射光路的部分和信号收集光路部分平行设置于手柄内，所述反射镜与二相色滤光片均呈45°角平行相对设置。

进一步的，所述探头杆端口嵌设有蓝宝石窗口片。该蓝宝石窗口片能够有效保护探头杆，不会更改系统的放大倍率。

进一步的，所述探头杆前端内部设有第一安装槽，所述第一聚焦镜、第一耦合透镜同轴嵌设在第一安装槽内，所述蓝宝石窗口片嵌设在第一安装槽的开口处，第一安装槽外部螺纹连接有防尘保护帽。方便第一聚焦镜和第一耦合透镜的同轴固定，并且防尘保护帽为金属材质耐高温，并且和第一安装槽外部通过螺纹固定，使得整个探头杆前端没有胶水，可以在高温环境下正常工作。

进一步的，所述探头杆为采用304不锈钢、316不锈钢、钛合金、或哈氏合金制作而成的探头杆。

进一步的，所述手柄包括手持部和衔接部，所述手持部具有一贴合手部拿捏的凹陷部，所述手持部与衔接部连接处设有卡沿，相应地所述衔接部具有与卡沿适配的卡槽，衔接部与手持部之间通过卡沿与卡槽适配，并通过螺栓固定连接。

更进一步的，所述衔接部开设有用于供探头杆穿过的通孔。

更进一步的，所述手持部内部开设一容纳腔，所述容纳腔内设有固定组件，所述固定组件具有多个固定于容腔壁的固定柱，以及具有多个用于固定第一准直透镜、激光线滤光片、反射镜、第二准直透镜、二相色滤光片、长波通滤光片和第二耦合透镜的硅胶固定夹。固定件设置于容纳腔内能够让激光发射光路和信号收集光路中的各光学组成部件精准定位，保证使用过程中的稳定性。

进一步的，所述光纤长度根据探头杆长度调节。即通过定制长度的光纤和其适配的探头杆。

进一步的，所述第一准直透镜为非球面透镜，所述第一聚焦镜、第一耦合透镜、第二准直透镜、第二耦合透镜均为非球面透镜。

进一步的，所述隔热段采用隔热材料制作而成的隔热套，所述隔热套套设在探头杆上紧贴衔接部的一侧。隔热材料使用95瓷材质，隔热段距离50MM，大概占整个套头1/4的比例。

上述技术方案具有以下有益效果：

本发明通过采用可定制长度的浸入式耐高温原位拉曼探头，达到工业生产过程监测，获得准确的结果并快速转换为工程师做出决策的依据。可以解决不同测试条件和不同工作距离需求的拉曼探头长度差异，方便使用人员操作，提高测试效率。高温原位拉曼探头可根据使用的不同反应釜深度定制探头长度，可实现远距离控制；通过软件算法监测不同成分在反应釜中随时间的变化，为使用人员及时提供有效数据。

本发明探头最大长度可以到几百米，光纤可以弯折，外部的结构件可以根据光纤的弯折设计，可以适应几乎所有的反应釜的测量，可以很容易地定制，非常适用于液体、固体、粉末的原位在线测量，为药品生产、工业生产、科学研究等化学反应过程提供更快速、更安全的实时监测数据。可以适合不同尺寸(特别是大尺寸)的反应釜的拉曼光谱监测，且可以弯折以测不同角度的物质成分，另外所测得的拉曼信号更强，更容易生产调试，拉曼探头杆长度可随意定制。

本发明采用隔热段设置在探头杆上，探头杆中间采用隔热材料，将探头杆隔成两端，避免热量快速传导至手柄，以至损害手柄，能够耐受高温。

附图说明

图1为具体实施方式所述一种拉曼探头立体结构示意图。

图2为具体实施方式所述一种拉曼探头正视示意图。

图3为具体实施方式图2的左视图。

图4为具体实施方式所述一种拉曼探头侧视示意图。

图5为具体实施方式图3的B-B剖视视图。

图6为图5的局部放大示意图。

图7为具体实施方式所述一种拉曼探头另一侧视示意图。

附图标记说明：

1.探头杆；101.第一安装槽；2.手柄；201.手持部；202.衔接部；203凹陷部；204.卡沿；205卡槽；206螺栓(或螺丝)；207.容纳腔；208.固定组件；2081.固定柱；2082硅胶固定夹；3.蓝宝石窗口片；4.隔热段；5.第一准直透镜；6.激光线滤光片；7.反射镜；8.第一聚焦镜；9.第一耦合透镜；10.光纤；11.第二准直透镜；12.二相色滤光片；13.长波通滤光片；14.第二耦合透镜；15.激光器。

具体实施方式

为详细说明技术方案的技术内容、构造特征、所实现目的及效果，以下结合具体实施例并配合附图详予说明。

请参阅图1-7所示，本实施例的一种拉曼探头，包括探头杆1和手柄2，所述探头杆1横截面为圆柱状，所述探头杆1采用304不锈钢、316不锈钢、钛合金、或哈氏合金制作而成，采用金属材料制作而成的探头杆1能够适应不同环境，特别是高温环境，避免探头杆1在高温环境中受损。探头杆1长度是手柄2的1-N倍(N为正整数)，优选1.5-2倍。探头杆端口嵌设有蓝宝石窗口片3，该蓝宝石窗口片能够有效保护探头杆1，不会更改系统的放大倍率。探头杆1前端内部设有第一安装槽101，所述蓝宝石窗口片3嵌设在第一安装槽101的开口处，第一安装槽101外部螺纹连接有防尘保护帽(未示意)，保护帽，主要为了防尘，在未使用是启动防止灰尘的作用。所述防尘保护帽为金属材质耐高温，并且和第一安装槽101外部通过螺纹固定，使得整个探头杆1前端没有胶水，可以在高温环境下正常工作。

所述探头杆1与手柄2衔接处设有至少一段隔热段4，所述隔热段4是采用隔热材料制作而成的隔热套4，所述隔热套4套设在探头杆上紧贴衔接部的一侧。隔热材料使用95瓷材质，隔热段距离50MM，大概占整个套头1/4的比例。

所述隔热段4的设置，将探头杆隔成两段，能够有效隔绝探头杆1探测环境中的热源传导至手柄2内，避免手柄2内的光学组件在高温下受损产生数据偏差，保障整个拉曼探头的稳定性和准确性。

所述手柄包括手持部201和衔接部202，所述手持部201具有一贴合手部拿捏的凹陷部203，陷部203整体底部区域为趋于平滑的平面，凹陷部203底部平滑平面还设置有开关按键以及显示面板，既方便手持又方便按压及阅读相关检测数据。所述手持部201与衔接部202的连接处设有卡沿204，相应地所述衔接部202具有与卡沿204适配的卡槽205，衔接部201与手持部202之间通过卡沿204与卡槽适配205，并通过螺栓206固定连接。衔接部201与手持部202卡合后，在适配处开设有相对应的螺孔，通过将螺栓206插入螺孔可以将衔接部201与手持部202两者锁固。所述衔接部202开设有用于供探头杆穿过的通孔。所述第一聚焦镜8、第一耦合透镜9同轴嵌设在第一安装槽101内，第一安装槽101方便第一聚焦镜8和第一耦合透镜9的同轴固定。

所述拉曼探头内部光路包括激光发射光路和信号收集光路；激光发射光路包括：激光器、出射光纤、依次同轴设置的第一准直透镜5、激光线滤光片6和反射镜7；信号收集光路包括：依次同轴设置的第一聚焦镜8、第一耦合透镜9、光纤10、第二准直透镜11、二相色滤光片12、长波通滤光片13和第二耦合透镜14；

所述激光发射光路的部分和信号收集光路部分平行设置于手柄2内，所述手持部201内部开设一容纳腔207，第一准直透镜5、激光线滤光片6、反射镜7、第二准直透镜11、二相色滤光片12、长波通滤光片13和第二耦合透镜14设置于容纳腔207内，所述反射镜7与二相色滤光片12均呈45°角平行相对设置，反射镜7将激光转折90°然后再经过二相色滤光片12，二相色滤光片12将90°转折后的激光进一步转折90°后引导至第二准直透镜11，再经光纤10引导至第一耦合透镜9耦合至第一聚焦镜8，所述聚焦透镜8的焦点位置位于被测样品位置。所述二相色滤光片309呈45°角设置，能将激光光路转折90°并且滤除信号中的瑞利散射信号。45°角设置的二相色滤光片12将激发激光光路折叠，能够缩短信号光程，激光发射光路的部分和信号收集光路部分平行设置，有利于缩小手柄内部尺寸。

为了更好地固定光学器件，所述容纳腔207内设有固定组件208，所述固定组件208具有多个固定于容腔壁的固定柱2081，以及具有多个用于固定第一准直透镜、激光线滤光片、反射镜、第二准直透镜、二相色滤光片、长波通滤光片和第二耦合透镜的硅胶固定夹2082。每个固定柱2081一端都固定在容纳腔207的内壁，每个固定柱208的另一端互相配合并构成两组相互平行的用于固定硅胶固定夹2082的通路，固定柱2081与硅胶固定夹2082均采用高度精密的机械加工制作而成，能够保证光学组件定位的精准度。

固定组件208设置于容纳腔207内能够让激光发射光路和信号收集光路中的各光学组成部件精准定位，保证使用过程中的稳定性。

本实施例中，所述光纤长度根据探头杆长度采用不同长度光纤。

本实施例中，所述第一准直透镜5为非球面透镜，所述第一聚焦镜8、第一耦合透镜9、第二准直透镜11、第二耦合透镜14均为非球面透镜。

具体参考图3所示，本实施例的拉曼探头，其探头杆1设置在手柄2的衔接部的中轴线偏心位置处，其探头杆1一侧边与手持部凹槽一侧边靠近。该设置能够节省空间，缩小探头体积。

本发明使用时：激光器15发射出的激光经过光纤传输至第一准直透镜5上，准直后的激光光束通过激光光线滤光片6进行滤光，滤除杂质信号，再以45°入射角被反射镜7直角反射，引导至同样相对45°角设置的二相色滤光片12上再次直角反射，引导至第二聚焦透镜11，再经光纤10引导至第一耦合透镜9耦合至第一聚焦镜8，经聚第一聚焦镜8聚焦到样品上。样品上被激发的拉曼信号被第一聚焦镜8收集并准直，准直后的拉曼信号通过第一耦合透镜9进行耦合，再经光纤10传输至第二准直透镜11进行准直，准直后的拉曼信号通过二相色滤光片12和长波通滤光片13滤除瑞利散射信号后，通过第二耦合透镜14耦合到信号输出光纤，传输到光谱仪的入射狭缝处，整个系统占空比能够较大提高，响应速度也大大提高，探测效率随之升高。

由于传统的浸入式长杆拉曼探头是自由光路，结构件存在一定的倾斜无法完全与镜片的中心共轴导致灵敏度大大衰减；在此发明下，由光纤作为信号传输，保证镜片的中心一定共轴。本发明由于设置了光纤10，通过第一聚焦镜8、第一耦合透镜9、二相色滤光片12、长波通滤光片13和第二耦合透镜14之间的配合，通过采用可定制长度的浸入式耐高温原位拉曼探头，达到工业生产过程监测，获得准确的结果并快速转换为工程师做出决策的依据。可以解决不同测试条件和不同工作距离需求的拉曼探头长度差异，方便使用人员操作，提高测试效率。

本实施例中，第二准直透镜11在激光光路下是聚焦透镜，聚焦至光纤端面；同样镜片在返回的拉曼光路是准直透镜11，将光纤发出的拉曼信号准直经过二相色。

本实施例探头最大长度可以到几百米，而且光纤可以弯折，外部的结构件可以根据光纤的弯折设计，可以适应几乎所有的反应釜的测量，可以很容易地定制，非常适用于液体、固体、粉末的原位在线测量，为药品生产、工业生产、科学研究等化学反应过程提供更快速、更安全的实时监测数据。可以适合不同尺寸(特别是大尺寸)的反应釜的拉曼光谱监测，且可以弯折以测不同角度的物质成分，另外所测得的拉曼信号更强，更容易生产调试，拉曼探头杆长度可随意定制。

本实施例采用隔热段设置在探头杆上，探头杆中间采用隔热材料，将探头杆隔成两端，避免热量快速传导至手柄，以至损害手柄，能够耐受高温。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者终端设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者终端设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括……”或“包含……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者终端设备中还存在另外的要素。此外，在本文中，“大于”、“小于”、“超过”等理解为不包括本数；“以上”、“以下”、“以内”等理解为包括本数。

尽管已经对上述各实施例进行了描述，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例做出另外的变更和修改，所以以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利保护范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围之内。

Claims (10)

1.一种拉曼光谱探头，其特征在于，包括探头杆和手柄，所述探头杆与手柄衔接处设有至少一段隔热段，所述拉曼探头内部光路包括激光发射光路和信号收集光路；激光发射光路包括：激光器、出射光纤、依次同轴设置的第一准直透镜、激光线滤光片和反射镜；信号收集光路包括：依次同轴设置的第一聚焦镜、第一耦合透镜、光纤、第二准直透镜、二相色滤光片、长波通滤光片和第二耦合透镜；所述激光发射光路的部分和信号收集光路部分平行设置于手柄内，所述反射镜与二相色滤光片均呈45°角平行相对设置。

2.如权利要求1所述的拉曼光谱探头，其特征在于，所述探头杆端口嵌设有蓝宝石窗口片。

3.如权利要求1所述的拉曼光谱探头，其特征在于，所述探头杆前端内部设有第一安装槽，所述第一聚焦镜、第一耦合透镜同轴嵌设在第一安装槽内，所述蓝宝石窗口片嵌设在第一安装槽的开口处，第一安装槽外部螺纹连接有防尘保护帽。

4.如权利要求1所述的拉曼光谱探头，其特征在于，所述探头杆为采用304不锈钢、316不锈钢、钛合金、或哈氏合金制作而成的探头杆。

5.如权利要求1所述的拉曼光谱探头，其特征在于，所述手柄包括手持部和衔接部，所述手持部具有一贴合手部拿捏的凹陷部，所述手持部与衔接部连接处设有卡沿，相应地所述衔接部具有与卡沿适配的卡槽，衔接部与手持部之间通过卡沿与卡槽适配，并通过螺栓固定连接。

6.如权利要求5所述的拉曼光谱探头，其特征在于，所述衔接部开设有用于供探头杆穿过的通孔。

7.如权利要求5所述的拉曼光谱探头，其特征在于，所述手持部内部开设一容纳腔，所述容纳腔内设有固定组件，所述固定组件具有多个固定于容腔壁的固定柱，以及具有多个用于固定第一准直透镜、激光线滤光片、反射镜、第二准直透镜、二相色滤光片、长波通滤光片和第二耦合透镜的硅胶固定夹。

8.如权利要求1所述的拉曼光谱探头，其特征在于，所述光纤长度根据探头杆长度调节。

9.如权利要求1所述的拉曼光谱探头，其特征在于，所述第一准直透镜为非球面透镜，所述第一聚焦镜、第一耦合透镜、第二准直透镜、第二耦合透镜均为非球面透镜。

10.如权利要求1所述的拉曼光谱探头，其特征在于，所述隔热段采用隔热材料制作而成的隔热套，所述隔热套套设在探头杆上紧贴衔接部的一侧。

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