CN211785136U - 拉曼、荧光和激光诱导击穿光谱信号同步探测装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及光谱检测装置领域，提供一种拉曼、荧光和激光诱导击穿光谱信号同步探测装置。其包括光栅分光单元、激光器及信号时序控制单元，激光器的输出光波长可调，激光器的输出光照射在待测样品上，待测样品激发出的光信号由光栅分光单元接收，信号时序控制单元分别与激光器和光栅分光单元信号连接，以控制激光器的激光输出与光栅分光单元的延迟接收同步。本实用新型提供的拉曼、荧光和激光诱导击穿光谱信号同步探测装置，激光器能够产生连续可调波长激光，以满足待测样品拉曼、荧光和激光诱导击穿光谱信号的激发要求；通过信号时序控制单元控制光栅分光单元延时采集时间，从而获得较佳的光谱信噪比。

Description

拉曼、荧光和激光诱导击穿光谱信号同步探测装置

技术领域

本实用新型涉及光谱检测装置技术领域，尤其涉及一种拉曼、荧光和激光诱导击穿光谱信号同步探测装置。

背景技术

拉曼散射是光子与物质分子之间发生了非弹性碰撞，在非弹性碰撞过程中光子与分子之间出现了能量的交换，使得散射光的频率改变，从而形成的一种光散射现象。拉曼光谱技术广泛应用于生物医学、危险物品检测、工业应用等领域。

激光诱导击穿光谱技术，通过高功率激光照射在样品表面，激发等离子体，并通过收集等离子体的原子发射谱线，从而对元素的位置信息和光谱强度进行分析，最终实现对物质元素的定性及定量化测量。激光诱导击穿光谱技术在材料元素分析，航空航天等领域得到广泛的应用。

荧光，是一种光致发光现象。一些物质经某种波长的入射光照射，会吸收光能进入激发态，并立即退激发，发出特定波长的出射光。在光谱上表现为波段范围较宽的信号。荧光通常用于监测污染，可通过叶绿素荧光来检测水中浮游植物的分布。

传统的光谱探测装置多为近端测量，在实际应用中容易受到复杂环境的限制，对于距离检测设备较远的目标物，往往需要远距离接收探测信号。通常，不同的光谱探测方法都有各自的技术特点，传统的单一光源很难实现多种光谱信号的有效激发，而将多种光源组合，会使得检测设备结构过于复杂。因此，实现多种信号远距离同步探测成为当前需要解决的技术问题。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种拉曼、荧光和激光诱导击穿光谱信号同步探测装置，用以解决现有的探测装置结构复杂或无法实现远距离探测的问题。

为了解决上述技术问题，本实用新型提供一种拉曼、荧光和激光诱导击穿光谱信号同步探测装置，包括：光栅分光单元、激光器及信号时序控制单元，所述激光器的输出光波长可调，所述激光器的输出光照射在待测样品上，待测样品激发出的光信号由光栅分光单元接收，所述信号时序控制单元分别与所述激光器和所述光栅分光单元信号连接，以控制所述激光器的激光输出与所述光栅分光单元的延迟接收同步。

其中，所述激光器为光学参量振荡器。

其中，所述信号时序控制单元用于控制所述激光器的输出波长在紫外波段或者输出功率为高能状态或者输出功率为20mJ～30mJ。

其中，还包括收集器，所述收集器用于收集待测样品发出的光信号，所述收集器与所述光栅分光单元之间光信号传递连接。

其中，还包括光纤，所述光纤的输入端与所述收集器相连，所述光纤的输出端与所述光栅分光单元相连。

其中，所述收集器包括两块凹面镜，待测样品激发出的光信号经由两块所述凹面镜形成两次折返聚光。

其中，所述信号时序控制单元还用于控制所述光栅分光单元的积分时间的参数设定。

本实用新型提供的拉曼、荧光和激光诱导击穿光谱信号同步探测装置，选用能够产生连续可调波长激光的激光器作为激发光源，以满足待测样品拉曼、荧光和激光诱导击穿光谱信号的激发要求；通过信号时序控制单元控制光栅分光单元延时采集和激光器激光输出的同步，使接收端的光栅分光单元延时采集时间，从而获得较佳的光谱信噪比。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实用新型实施例拉曼、荧光和激光诱导击穿光谱信号同步探测装置的结构示意图。

图中：10、光栅分光单元；20、激光器；30、信号时序控制单元；40、收集器；50、光纤。

具体实施方式

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

在本实用新型实施例的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“第一”“第二”是为了清楚说明产品部件进行的编号，不代表任何实质性区别。“上”“下”“左”“右”的方向均以附图所示方向为准。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型实施例中的具体含义。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

如图1所示，本实用新型实施例提供的一种拉曼、荧光和激光诱导击穿光谱信号同步探测装置，包括光栅分光单元10、激光器20及信号时序控制单元30。激光器20的输出光波长可调，激光器20的输出光照射在待测样品上，待测样品激发出的光信号由光栅分光单元10接收，信号时序控制单元30用于控制激光器20的输出光与光栅分光单元10延迟接收的光信号同步。

具体地，光栅分光单元10通过一系列等宽等间距的平行狭缝，能将不同波长的光分离，并将光信号转换成数字信号，以光谱的形式呈现。该光栅分光单元10可以使用连续和外部触发模式采集，积分时间参数可调。激光器20的输出波长可以调节。比如，激光器20可以采用光学参量振荡器(Optical Parametric Oscillator，简称OPO激光器)，其为基于晶体二阶非线性效应的可调谐全固态光源，由一块非线性晶体作为增益介质放入谐振腔内构成。通过高能量的泵浦激光进入含有非线性晶体的谐振腔，使得激光的辐射与晶体相互作用产生连续可调波长激光。信号时序控制单元30用于控制激光器20和光栅分光单元10，以实现激光器20的激光输出和光栅分光单元10延时采集的同步。

本实用新型实施例提供的拉曼、荧光和激光诱导击穿光谱信号同步探测装置，选用能够产生连续可调波长激光的激光器20作为激发光源，以满足待测样品拉曼、荧光和激光诱导击穿光谱信号的激发要求；通过信号时序控制单元30控制光栅分光单元10延时采集和激光器20激光输出的同步，使接收端的光栅分光单元10延时采集时间，从而获得较佳的光谱信噪比。

其中，在荧光信号检测过程中，通过信号时序控制单元30将激光器20的输出波长调整至紫外波段范围，从而能够最有效地激发荧光信号。在激光诱导击穿光谱检测过程中，通过信号时序控制单元30将激光器20的输出功率提高至高能状态，能在待测样品表面激发出等离子体，再由光栅分光单元10收集对等离子体产生的原子发射谱线。在拉曼光谱信号检测过程中，通过信号时序控制单元30调整激光器20的输出功率至20mJ-30mJ。

另外，该拉曼、荧光和激光诱导击穿光谱信号同步探测装置还包括收集器40。收集器40用于收集待测样品发出的光信号，并将收集的光信号传递至光栅分光单元10内。收集器40采用采用大口径的微弱信号收集器，以便远距离接收目标信号，目标信号由激光器20输出的激光激发待测样品产生。

具体地，本实用新型实施例中的拉曼、荧光和激光诱导击穿光谱信号同步探测装置，还包括光纤50，光纤50的输出端与光栅分光单元10相连，输入端与收集器40相连。收集到的光谱信号聚集到光纤50，经由光纤50传导至光栅分光单元10。

另外，本实用新型实施例中的信号时序控制单元30除了控制激光器20和光删分光单元10以实现激光器20激光输出和光栅分光单元10延时采集的同步之外，还用于控制光栅分光单元10的积分时间的参数设定。信号时序控制单元30根据不同光谱信号的生命周期特性调整光栅分光单元10的积分时间。比如：在荧光信号检测过程中，有机物和生物分子荧光的寿命通常是纳秒级别，为避免系统误差，通过信号时序控制单元30将光栅分光单元10的积分时间设定为微秒级别；无机离子荧光生命周期可从微秒变化至毫秒，检测时将光栅分光单元10的积分时间设定为毫秒级别。在激光诱导击穿光谱检测过程中，从加热、蒸发到发射原子特征谱线会有几微秒的时间间隔。为避免早期热辐射带来的干扰，通过信号时序控制单元30设定光栅分光单元10延迟几个微秒采集信号，将积分时间设定为微秒级别。在拉曼光谱信号检测过程中，设定光栅分光单元10的积分时间为微秒级别。通常，拉曼光谱信号的检测环境和荧光很接近，易受到强荧光信号的干扰，为此可使激光器输出两束波长相差很小的激光脉冲信号至待测样品，由此产生两条原始光谱信号。由于荧光光谱不随激发波长的细微变化而发生改变，拉曼光谱紧密跟随着激发波长的变化而变化，通过差分方法得到两条原始光谱的差值谱，扣除荧光背景，再还原成正常的拉曼光谱信号。

在本实用新型实施例中，收集器40采用大口径光学元件，提高远距离信号接收的采集效率。收集器40的中间由两块凹面镜组成，形成两次折返聚光，从而有助于更有效地利用空间从而实现器件体积的缩小。

该拉曼、荧光和激光诱导击穿光谱信号同步探测装置还包括准直镜，收集器40用于远距离收集待测样品被激发出来的拉曼、荧光和激光诱导击穿光谱信号，并通过准直镜将收集到的光谱信号聚集到光纤。

实施例1

本实施例的拉曼、荧光和激光诱导击穿光谱信号同步探测装置，用于水体中藻类植物的检测，为环境污染监测提供重要的参考数据。鉴于紫外波段范围的光源对荧光的激发效果最佳，本实施例中通过信号时序控制单元30，设置激光器20的激光输出波长为400nm，功率为20mJ，光栅分光单元10的积分时间为1ms。

首先，将放有小球藻的玻璃容器放置在离激光出口5m的位置。在激光器20激光输出的同时，光栅分光单元10实时采集信号，另一方面，不断调整微弱信号收集器40，达到最好的信号接收视场角。荧光在光谱上表现为波段范围较宽的斜坡信号，且光信号强，通过本实用新型的装置能够实现远距离快速检测。

实施例2

本实施例的装置用于农产品农药残留的检测。在激光诱导击穿光谱信号采集过程中，设置激光波长为400nm，功率为100mJ。光栅分光单元10积分时间为10us。在激光器激光输出后，为避免早期热辐射带来的干扰，光栅分光单元10延迟5us后采集信号。

在采集拉曼光谱信号时易受到强荧光信号的干扰，该实施例中采用频移扣除荧光背景。设置激光器的输出波长为532～533nm，功率为30mJ，光栅分光单元10的积分时间为10us。将待测样品放置在离激光出口3m的位置，对采集到的两条原始光谱信号利用差分法得到差值谱，扣除荧光背景后，再还原成正常的拉曼光谱信号，提高拉曼光谱信噪比。

本实用新型实施例中的拉曼、荧光和激光诱导击穿光谱信号同步探测装置，通过调整激光器20的输出方式满足待测样品不同光谱信号的激发条件，采用收集器40远距离接收信号，实现拉曼、荧光和激光诱导击穿光谱信号的远距离同步探测。在获取拉曼信号时，能够实现频移扣除荧光背景，提高光谱信噪比。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (7)

1.一种拉曼、荧光和激光诱导击穿光谱信号同步探测装置，其特征在于，包括：光栅分光单元、激光器及信号时序控制单元，所述激光器的输出光波长可调，所述激光器的输出光照射在待测样品上，待测样品激发出的光信号由光栅分光单元接收，所述信号时序控制单元分别与所述激光器和所述光栅分光单元信号连接，以控制所述激光器的激光输出与所述光栅分光单元的延迟接收同步。

2.根据权利要求1所述的拉曼、荧光和激光诱导击穿光谱信号同步探测装置，其特征在于，所述激光器为光学参量振荡器。

3.根据权利要求1或2所述的拉曼、荧光和激光诱导击穿光谱信号同步探测装置，其特征在于，所述信号时序控制单元用于控制所述激光器的输出波长在紫外波段或者输出功率为高能状态或者输出功率为20mJ～30mJ。

4.根据权利要求1所述的拉曼、荧光和激光诱导击穿光谱信号同步探测装置，其特征在于，还包括收集器，所述收集器用于收集待测样品发出的光信号，所述收集器与所述光栅分光单元之间光信号传递连接。

5.根据权利要求4所述的拉曼、荧光和激光诱导击穿光谱信号同步探测装置，其特征在于，还包括光纤，所述光纤的输入端与所述收集器相连，所述光纤的输出端与所述光栅分光单元相连。

6.根据权利要求4所述的拉曼、荧光和激光诱导击穿光谱信号同步探测装置，其特征在于，所述收集器包括两块凹面镜，待测样品激发出的光信号经由两块所述凹面镜形成两次折返聚光。

7.根据权利要求4所述的拉曼、荧光和激光诱导击穿光谱信号同步探测装置，其特征在于，所述信号时序控制单元还用于控制所述光栅分光单元的积分时间的参数设定。

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