CN200989883Y

CN200989883Y - 一种光声喇曼光谱检测器

Info

Publication number: CN200989883Y
Application number: CNU2006201685276U
Authority: CN
Inventors: 白吉玲; 王辉; 汪俊; 乔元兴; 王利
Original assignee: Dalian Institute of Chemical Physics of CAS
Current assignee: Dalian Institute of Chemical Physics of CAS
Priority date: 2006-12-22
Filing date: 2006-12-22
Publication date: 2007-12-12
Anticipated expiration: 2016-12-22

Abstract

本实用新型涉及光声检测装置，具体地说是一种适合轴对称的光声场中气相或液相样品的光声喇曼光谱检测器，包括激光器、分束片、反射镜、喇曼池聚焦镜、喇曼池、偏振片、样品池聚焦镜及样品池，激光器发出光的光路上设有第一分束片，其下方设有第一反射镜，喇曼池位于第一反射镜的一侧，喇曼池的另一侧设有第四反射镜，其下方依次设有第二分束片、偏振片、样品池聚焦镜及样品池；在样品池的表面环绕有薄膜传感器；在第一反射镜与喇曼池之间及喇曼池与第四反射镜之间分别设有第一、二喇曼池聚焦镜。本实用新型适合测量轴对称的声场场强，同时增加薄膜层数，可进一步提高光声池灵敏度。还可用调正薄膜窄条宽度方法，提高光声池的分辨率。

Description

一种光声喇曼光谱检测器

技术领域

本实用新型涉及光声检测装置，具体地说是一种适合轴对称的光声场中气相或液相样品的光声喇曼光谱检测器。

背景技术

光声检测是一种高灵敏度方法，在痕量气体分析、环境污染(大气、水)、材料分析、生物检测及医学上有着广泛的应用前景。当一束激光周期性地照射于样品时，会引起样品内部温度周期性的改变，这种温度改变造成的压力变化形成声振动，既光致发声。应用红外激光及快速傅里叶变换(FFT)，光声光谱在气体、液体及固体微量检测上得到很大发展，用于大气痕量气体检测，其极限灵敏度可达到10^-9(ppb)以上。当具有一定频率差的两束激光同时照射样品时，也会产生类似共振喇曼的效应-光声喇曼光谱。这种光谱方法既有喇曼光谱的优点，灵敏度又高，是目前检测技术发展的一个热点。理论和实验均已证明，激光器、声检测器、光声池及采样方法等是提高光声灵敏度、扩大光声喇曼光谱应用的几个关键技术。高灵敏的光声喇曼光谱要求激光器具有连续、窄带、宽调谐范围的特性，目前已有商品供应，但价钱比较昂贵。当前，使用较多的声检测器大多以微音器(脉克风)、压电陶瓷(PZT)等器件为主，由于它们接收区小、声阻抗高，很难与一些特定光声池匹配，影响灵敏度的提高。

实用新型内容

为了解决上述问题，本实用新型的目的在于提供一种光声喇曼光谱检测器，其采用环型光声检测器，满足了光声喇曼光谱测量的要求。

本实用新型的目的是通过以下技术方案为实现的：

本实用新型包括激光器、分束片、反射镜、喇曼池聚焦镜、喇曼池、偏振片、样品池聚焦镜及样品池，激光器发出光的光路上设有第一分束片，其下方设有第一反射镜，喇曼池位于第一反射镜的一侧，喇曼池的另一侧设有第四反射镜，其下方依次设有第二分束片、偏振片、样品池聚焦镜及样品池；在样品池的表面环绕有薄膜传感器；在第一反射镜与喇曼池之间及喇曼池与第四反射镜之间分别设有第一、二喇曼池聚焦镜。

其中：在第一分束片的一侧还设有补偿池，第二反射镜位于补偿池的另一侧，其下方设有第三反射镜，经补偿池的光在第二分束片处与经喇曼池的光重合；用于光声喇曼光谱检测器的两束激光，一束由YAG产生，另一束由该束通过带有样品的喇曼池得到的一级斯托克斯光获得；所述样品池为圆柱形；所述薄膜传感器可为一层或多层。

本实用新型的优点与积极效果为：

1.与窄带、连续可调谐激光器相比，采用Nd:YAG激光器的基频或高次谐波与它们的Stocks波激发，装置简单、成本较低、易于推广。用YAG激光经不同的气体和固体产生受激喇曼，特别是采用H₂、N₂、CH₄、O₂等高压气体，采用水、CCl₄等常用介质，可以得到丰富的受激喇曼线，满足光声喇曼光谱对激光的要求。

2.聚偏二氟乙烯(PVDF)薄膜是一种新型有机压敏材料，有压电系数高、频率响应带宽、声阻抗低、动态范围宽、质量轻、柔性好、易成型等优点。压电灵敏度可比常用的压电陶瓷PZT高10倍；频率响应在0.01到1GHZ间；声阻抗(4.02)比PZT(30)低许多；与有机材料、人体、水等接近，易与样品池匹配；动态范围响应可达10^-8～10⁶Psi。

3.用PVDF薄膜剪成的窄条，绕在圆柱型样品池上，适合测量轴对称的声场场强。同时增加薄膜层数，可进一步提高光声池灵敏度。还可用调正薄膜窄条宽度方法，提高光声池的分辨率。

4.样品池是光声光谱的重要部件。由于检测的是声振动，目前大多数研究人员注重的是样品池的声频特性，即更多的研究样品池的结构共振增强特性，而忽视声阻抗研究。本实用新型强调了增强样品池声信号的传递偶合来提高接受效率，以聚乙烯、聚四氟乙烯等高分子材料制成，较玻璃、金属等材料声阻抗低，易于与样品、PVDF薄膜检测器匹配，达到较高的灵敏度。

附图说明

图1为本实用新型的结构示意图；

图2为纯水对YAG激光的喇曼散射；

图3为本实用新型光声检测池的结构示意图；

图4为纯水的光声喇曼光谱；

图5为乙醇的光声喇曼光谱。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型作进一步详述。

如图1所示，本实用新型包括激光器1、分束片、45°反射镜、喇曼池聚焦镜、喇曼池5、偏振片12、样品池聚焦镜13及样品池15，激光器1发出光的光路上设有第一分束片2，其下方设有第一反射镜3，喇曼池5位于第一反射镜3的一侧，喇曼池5的另一侧设有第四反射镜9，其下方依次设有第二分束片11、偏振片12、样品池聚焦镜13及样品池15。在样品池15的表面环绕有薄膜传感器14，可绕一层或多层，构成环型光声检测器，以适合测量轴对称的声场场强测量。在第一反射镜3与喇曼池5之间及喇曼池5与第四反射镜9之间分别设有第一、二喇曼池聚焦镜4、10。在微型计算机18的控制下，自动完成实验控制、数据采集和数据处理。为了补偿经喇曼池的光束的光程差，在第一分束片2的一侧还设有补偿池6、与喇曼池5的结构相同，第二反射镜7位于补偿池6的另一侧，其下方设有第三反射镜8，经补偿池6的光在第二分束片11处与经喇曼池5的光重合。

本实施例中，激光器1为BrilliantQ-Switchinged公司Nd:YAG激光器，20HZ，其基频1.06um或高次谐波532nm和355nm每脉冲能分别为350mJ、160mJ和60mJ。喇曼池聚焦镜尺寸为Φ＝25，F＝175。样品池聚焦镜13尺寸为Φ＝30。超声高通放大器16电压放大增益100倍，低频限790Hz，输出为50欧驱动。采样示波器17为LeCloy9350M，500M，双束。微型计算机18内插HW350数据采集卡，控制激光器及采样示波器，完成数据采集和处理。为提高声信号传递偶合率，样品池15采用聚乙烯、聚四氟乙烯等高分子材料制成，以达到与被检测样品、PVDF薄膜压电膜的声阴抗相匹配，使传感器得到最大的声信号。

本实施例一束激光采用的是YAG三倍频光355nm，经第一分束片2，第一反射镜3和第一喇曼池聚焦镜4，聚焦于纯水喇曼池5中心，可产生3600cm^-1左右的喇曼频移，其一级Stocks线为400nm左右，再经第二喇曼池聚焦镜10，依次通过第四反射镜9、偏振片12、样品池聚焦镜13引向样品池15。另一束三倍频355nm激光经补偿池6形成相同的相位延迟，再经第二、三反射镜7、8到达第二分束片11。两束光经第二分束片11合成后，经偏振片12进一步保持或提高偏振度，再经样品池聚焦镜13会聚于样品池15。在样品上，会产生由喇曼散射形成的声振动(光声)。与喇曼光谱类似，光声振动会同样带出样品的许多结构信息。光声喇曼光谱既具有喇曼光谱的优点，又比单纯喇曼光信号强许多。这一信号，被环型薄膜(PVDF)传感器14检测，超声高通放大器16放大，采样示波器17累加，由微型计算机18存储。再经快速付里叶变换(FFT)，即可获得带有样品特征的激光喇曼光声谱。

如图2所示，给出用YAG激光不同的波长(532nm，355nm，266nm)被纯水散射的实验结果，F代表前向散射，B代表后向散射。该结果是用图一中的激光器1，喇曼池5由美国Ocean Optics Inc公司的HR2000CG-UV-NIR光谱仪测得的。图中的六条曲线分别表示纯水对波长为266nm，355nm和532nm时的前向散射(F)和后向散射(B)。从中可见，以355nm前向散射得到的一级Stocks喇曼线(约400nm)最强。

如图3所示，样品池15为圆柱形，由聚四氟乙烯(Teflon)制造，尺寸为Φ25×50mm。本实施例中环型薄膜传感器14采用锦州科信电子材料有限公司产30微米聚偏二氟乙烯(PVDF)压电膜，裁成宽2mm条环绕在样品池15外表面制成。理论上可以估计该光声池的最佳振动模：其轴向振动率f₁₀₀＝16.5KHz，径向振动率f₀₀₁＝90KHz，方位振动率f₀₁₀＝40KMz左右。PVDF在这一频段的响应是合适的。

理论上也可以估计出该光声池的灵敏度：取PVDF压电常数D₃₃＝23×10^-12C/N(牛顿/库伦)，灵敏区总面积S＝π×25×2＝157mm²，电容为C＝100×10^-12F(法拉)，声压P0约为50dyn.cm^-2(达因/厘米²)。放大器A₀＝100，则得理论电压Vmax＝-18mV。可以达到大多数测量仪器的输入要求。

对50KHz振动波，在水中的波长约λ＝30mm，故可得该光声池轴向相对分辨率Δλ/λ约为2/30＝1/15波长，可以用更窄的PVDF膜提高轴向模相对分辨率。振动波频率越低，相对分辨率越高。

如图4所示，为纯水作Stocks线介质，用355nm激光激发时，分别采用Teflon和玻璃两种材料制成样品池时得到的光声信号，其中G为采用Teflon制成样品池时得到的光声信号，H为采用玻璃制成样品池时得到的光声信号。玻璃池为Φ30×100mm，用与图3相同的压电膜制成。信号经快速付里叶变换(FFT)得到。从结果可见，用聚四氟乙烯制成的样品池可得到较高的灵敏度(上部曲线G)。这主要来源于四氟乙烯声阻抗(2.5cgs)较玻璃(13.1cgs)低得多。与传感器的声阻抗(4.02cgs)接近，传感器会得到更多的信号能。

图5为乙醇的光声喇曼光谱，C为单一355nm激光激发时的光声光谱，D、E为355nm与水的一级Stocks线(400nm)同时激发得到的光声喇曼光谱。D、E代表聚焦镜焦聚不同的结果。光谱结构的差异显示了不同的激发机理和乙醇的结构信息。

本实用新型的激光器1可选用基频1.06um或高次谐波532nm、355nm和266为一束激发光。另一束由这些波长光通过样品的喇曼池，由它们的一级斯托克斯(Stocks)光获得。两束激光经分束片合并，引向样品池。为得到与待测样品相同频率差的两束光，可采用相同的样品作喇曼池介质。用Stocks光替代光声喇曼光谱要求的第二束高质量的连续可调谐激光器作激发光源，装置简单、成本低廉、易于推广。所指的Stocks光含盖一级或多级Stocks线，也包含反Stocks线。所涉及的Stocks线仅限于用于代替光声喇曼光谱要求的第二束激光。

此外，可以用增加PVDF薄膜层数提高光声池灵敏度。增加PVDF薄膜可以在不降低轴向分辨率下增加接受面积，进而提高信号接收强度。还可通过调整PVDF窄条宽度来设计光声池轴向的分辨率。

Claims

1.一种光声喇曼光谱检测器，其特征在于：包括激光器(1)、分束片、反射镜、喇曼池聚焦镜、喇曼池(5)、偏振片(12)、样品池聚焦镜(13)及样品池(15)，激光器(1)发出光的光路上设有第一分束片(2)，其下方设有第一反射镜(3)，喇曼池(5)位于第一反射镜(3)的一侧，喇曼池(5)的另一侧设有第四反射镜(9)，其下方依次设有第二分束片(11)、偏振片(12)、样品池聚焦镜(13)及样品池(15)；在样品池(15)的表面环绕有薄膜传感器(14)；在第一反射镜(3)与喇曼池(5)之间及喇曼池(5)与第四反射镜(9)之间分别设有第一、二喇曼池聚焦镜(4、10)。

2.按权利要求1所述的光声喇曼光谱检测器，其特征在于：在第一分束片(2)的一侧还设有补偿池(6)，第二反射镜(7)位于补偿池(6)的另一侧，其下方设有第三反射镜(8)，经补偿池(6)的光在第二分束片(11)处与经喇曼池(5)的光重合。

3.按权利要求2所述的光声喇曼光谱检测器，其特征在于：用于光声喇曼光谱检测器的两束激光，一束由YAG产生，另一束由该束通过带有样品的喇曼池得到的一级斯托克斯光获得。

4.按权利要求1或2所述的光声喇曼光谱检测器，其特征在于：所述样品池(15)为圆柱形。

5.按权利要求1或2所述的光声喇曼光谱检测器，其特征在于：所述薄膜传感器(14)可为一层或多层。