CN218512314U - 一种基于超透镜的拉曼光谱仪探头及光学系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种基于超透镜的拉曼光谱仪探头及光学系统，包括：第一纤芯、第二纤芯、第一超透镜和第二超透镜；第一纤芯对应第一超透镜的第一区域和第二超透镜的第二区域，第二纤芯对应第一超透镜的第三区域和第二超透镜的第四区域；第一纤芯用于出射泵浦光；第一超透镜位于第一纤芯的出光侧，第二超透镜位于第一超透镜远离第一纤芯的一侧，且第二超透镜远离第一超透镜的一侧能够设置待测样品；第二纤芯用于出射耦合的拉曼散射光；光学系统中包括拉曼光谱仪探头、狭缝、光栅和探测器。本申请降低了拉曼光谱仪探头中元器件的使用数量和重量，减小了拉曼光谱仪探头体积。

Description

一种基于超透镜的拉曼光谱仪探头及光学系统

技术领域

本实用新型涉及光学仪器技术领域，具体而言，涉及一种基于超透镜的拉曼光谱仪探头及光学系统。

背景技术

拉曼光谱仪采用激光来激发待测样品的拉曼散射光，并对拉曼散射光进行光谱分析，通过数据库对比分析得到被测样品的成分和含量等信息。由于拉曼光谱仪在使用时不需要对待测样品进行预处理，可以在几秒钟内快速得到待测样品的成分信息，并且具有很高的准确性，因此拉曼光谱仪在食品安全检测、药品检测、毒品检测、珠宝鉴定、环境监测等领域得到了越来越多的应用。

现有的拉曼光谱仪中，其发射的光源以及从待测样品发生散射的拉曼光分别位于两个通道内；同时光谱仪内部需要使用到多个光学透镜和反射镜来实现准直、会聚和改变光路方向。现有光谱仪中结构复杂，难以减小整体重量和尺寸，无法实现小型化。

实用新型内容

为实现上述目的，本实用新型实施例提供的具体技术方案如下：

一种基于超透镜的拉曼光谱仪探头，包括：第一纤芯、第二纤芯、第一超透镜和第二超透镜；所述第一纤芯和所述第二纤芯并排设置；所述第一纤芯对应所述第一超透镜的第一区域和所述第二超透镜的第二区域，所述第二纤芯对应所述第一超透镜的第三区域和所述第二超透镜的第四区域；

所述第一纤芯用于出射泵浦光；

所述第一超透镜位于所述第一纤芯的出光侧，所述第二超透镜位于所述第一超透镜远离所述第一纤芯的一侧，且所述第二超透镜远离所述第一超透镜的一侧能够设置待测样品；

所述第一区域用于对所述第一纤芯出射的泵浦光进行准直，所述第二区域用于对所述第一区域准直的泵浦光会聚至所述待测样品处；

所述第四区域用于对所述待测样品在泵浦光作用下所出射的拉曼散射光进行准直，所述第三区域用于将所述第四区域准直的拉曼散射光会聚并耦合至所述第二纤芯；

所述第二纤芯用于出射耦合的拉曼散射光。

可选地，所述第二超透镜的所述第二区域与所述第四区域共焦点。

可选地，所述第二超透镜的相位分布满足：

其中，λ₁为泵浦光的波长，λ₂为拉曼散射光的波长，f₂为所述第二超透镜的焦距；(x₂,y₂)为所述第二区域中的坐标，(x₄,y₄)为所述第四区域中的坐标，且坐标(x₂,y₂)与坐标(x₄,y₄)所对应的原点相同；

表示(x₂,y₂)处对泵浦光的调制相位，

表示(x₄,y₄)处对拉曼散射光的调制相位。

可选地，坐标(x₂,y₂)与坐标(x₄,y₄)所对应的原点为所述第二超透镜的中心。

可选地，所述第一超透镜的所述第一区域与所述第三区域对应相同的焦距，且非共焦点。

可选地，所述第一超透镜的相位分布满足：

其中，λ₁为泵浦光的波长，λ₂为拉曼散射光的波长，f₁为所述第一超透镜的焦距；(x₁,y₁)为所述第一区域中以所述第一区域的中心为原点的坐标，(x₃,y₃)为所述第三区域中以所述第三区域的中心为原点的坐标；

表示所述第一区域中(x₁,y₁)处对泵浦光的调制相位，

表示所述第三区域中(x₃,y₃)处对拉曼散射光的调制相位。

可选地，所述第一超透镜、所述第二超透镜的形状为多边形或圆形。

可选地，所述第二纤芯的数量为多个，每个所述第二纤芯对应所述第一超透镜中的一个所述第三区域。

可选地，所述第一纤芯位于多个所述第二纤芯的中心处。

可选地，所述第一纤芯、所述第一区域、所述第二区域共光轴排列；

所述第二纤芯、所述第三区域共光轴排列。

一种光学系统，包括：依次排列的拉曼光谱仪探头、狭缝、光栅和探测器；

所述狭缝用于控制所述拉曼光谱仪探头出射的拉曼散射光的角度；

所述光栅用于将入射的拉曼散射光进行分光；

所述探测器用于接收拉曼散射光。

可选地，所述探测器为电荷耦合器或图像传感器。

相较于现有技术，本实用新型实施例具有的有益效果为：

本实用新型中通过使用超透镜对光线进行准直、会聚和改变光路方向。超透镜是通过在基底上设置微纳结构，来实现对光的相位、振幅和偏振的调节，并且可以利用超透镜和波长无关的特性，实现对拉曼光谱仪探头内部光路的简化，减小整体的体积和重量，并降低成本和安装的精度与难度。

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简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅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示出了本实用新型实施例所提供的拉曼光谱仪探头内部光路走向示意图；

图2示出了本实用新型实施例所提供的光学系统原理示意图；

图3示出了本实用新型实施例所提供的第一区域、第二区域、第三区域和第四区域在拉曼光谱仪探头内部位置示意图；

图4示出了本实用新型实施例所提供的第一超透镜上第一区域和第三区域位置关系示意图；

图5示出了本实用新型实施例所提供的第二超透镜上第二区域和第四区域位置关系示意图。

附图标记说明：

110、第一纤芯；111、第二纤芯；112、第一超透镜；113、第二超透镜；114、待测样品；115、拉曼散射光；116、狭缝；117、光栅；118、探测器；119、第一区域；210、第二区域；211、第三区域；212、第四区域。

具体实施方式

为了更好地理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式对上述技术方案做详细的说明。

在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置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实用新型的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本实用新型的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，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，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

本实用新型实施例提供一种基于超透镜的拉曼光谱仪探头及光学系统，参见图1和图3，拉曼光谱仪探头包括：第一纤芯110、第二纤芯111、第一超透镜112和第二超透镜113；第一纤芯110和第二纤芯111并排设置；第一纤芯110对应第一超透镜112的第一区域119和第二超透镜113的第二区域210，第二纤芯111对应第一超透镜112的第三区域211和第二超透镜113的第四区域212；第一纤芯110用于出射泵浦光。可选地，第一超透镜、第二超透镜的形状为多边形或圆形。第一纤芯110与第二纤芯111位于同一光纤内。

本实用新型实施例中，第一超透镜112位于第一纤芯110的出光侧，第二超透镜113位于第一超透镜112远离第一纤芯110的一侧，且第二超透镜113远离第一超透镜112的一侧能够设置待测样品114；第一区域119用于对第一纤芯110出射的泵浦光进行准直，第二区域210用于对第一区域119准直的泵浦光会聚至待测样品114处；第四区域212用于对待测样品114在泵浦光作用下所出射的拉曼散射光115进行准直，第三区域211用于将第四区域212准直的拉曼散射光115会聚并耦合至第二纤芯111；第二纤芯111用于出射耦合的拉曼散射光115。

本实用新型实施例中，第一纤芯110用于传输泵浦光，泵浦光可以射入第一纤芯110内；第一纤芯110能够向第一超透镜112的第一区域119出射泵浦光。泵浦光射至第一超透镜112的第一区域119后，能够被该第一区域119准直，并将准直后的泵浦光射向第二超透镜113的第二区域210；该第二区域210再对泵浦光进行会聚，并出射，此时泵浦光从拉曼光谱仪探头出射并会聚在待测样品表面；泵浦光在待测样品114表面发生拉曼散射并生成拉曼散射光115，拉曼散射光115被第二超透镜113上的第四区域212准直，并进入拉曼光谱仪探头内，准直后的拉曼散射光115能够射向第一超透镜112上的第三区域211，并被第三区域211会聚，最终耦合并入射至第二纤芯111内。

本实用新型实施例中，拉曼光谱仪探头的内部设有两片具有不同区域的超透镜，泵浦光与拉曼散射光115入射至拉曼光谱仪探头时，能够在第一区域119和第四区域212分别进行准直，因此，虽然泵浦光与拉曼散射光115位于同一通道内，但两者之间并不会相互干扰，实现了同一通道内传输泵浦光与拉曼散射光115，拉曼光谱仪探头内部结构得到简化，结构简单，可以减小整体的重量和尺寸，能够实现拉曼光谱仪探头的小型化。并且，超透镜本身具有轻薄的特点，可以进一步减小拉曼光谱仪探头的重量。

可选地，第一超透镜112的第一区域119与第三区域211对应相同的焦距，且非共焦点。

本实用新型实施例中，参见图3、图4所示，第一超透镜112包括第一区域119和第三区域211，每个区域均为超透镜。如上所述，第一区域119用于将第一纤芯110出射的泵浦光进行准直，而第三区域211用于将拉曼散射光115会聚至第二纤芯111，故第一区域119与第三区域211对应不同位置处的纤芯，第一区域119与第三区域211非共焦点；此外，该第一区域119与第三区域211的焦距相同，从而可以对齐第一纤芯110和第二纤芯111，结构更紧凑。其中，为保证使用效果，该第一纤芯110、第一区域119、第二区域210共光轴排列。

可选地，第一区域119与第三区域211的相位分布是相互独立的。具体地该第一超透镜的相位分布满足：

其中，λ₁为泵浦光的波长，λ₂为拉曼散射光115的波长，f₁为第一超透镜的焦距，同时也是第一区域和第三区域的焦距；(x₁,y₁)为第一区域中以第一区域的中心为原点的坐标，(x₃,y₃)为第三区域中以第三区域的中心为原点的坐标；

表示第一区域中(x₁,y₁)处对泵浦光的调制相位，

表示第三区域中(x₃,y₃)处对拉曼散射光115的调制相位。

本实用新型实施例中，第一区域119、第三区域211的焦距均为f₁，分别以各自的中心为原点建立坐标系，以表示区域内不同位置处的坐标。例如，以第一区域119的中心为原点建立坐标系，该第一区域119中的位置以(x₁,y₁)表示；类似地，以第三区域211的中心为原点建立坐标系，该第三区域211中的位置以(x₃,y₃)表示。基于上述两个式子可以分别确定第一区域119、第三区域211的相位分布。

可选地，参见图1和图3所示，第二纤芯111的数量为多个，相应地，第三区域211的数量也为多个，第二纤芯111与第三区域211一一对应，使得每个第三区域211能够将拉曼散射光115会聚至相应的第二纤芯111处。此外可选地，在包含多个第二纤芯111的情况下，第一纤芯110位于多个第二纤芯111的中心，即多个第二纤芯111位于该第一纤芯110的四周。可以均匀采集待测样品向不同位置出射的拉曼散射光115。

可选地，该第二区域210与第四区域212共焦点。

本实用新型实施例中，参见图3、图5所示，第二超透镜113包括第二区域210和第四区域212，每个区域均为超透镜。如上所述，第二区域210用于将泵浦光会聚至待测样品114，第四区域212用于将待测样品114反射的拉曼散射光115进行准直，第二区域210与第四区域212对应同一位置处的待测样品，第二区域210与第四区域212共焦点。

可选地，第二超透镜的相位分布满足：

其中，λ₁为泵浦光的波长，λ₂为拉曼散射光115的波长，f₂为第二超透镜的焦距；第二超透镜113的第二区域210和第四区域212以第二区域210的中心点为原点建立坐标系；(x₂,y₂)为第二区域210中的坐标，(x₄,y₄)为第四区域212中的坐标，且坐标(x₂,y₂)与坐标(x₄,y₄)所对应的原点相同，

表示(x₂,y₂)处对泵浦光的调制相位，

表示(x₄,y₄)处对拉曼散射光115的调制相位。可选地，坐标(x₂,y₂)与坐标(x₄,y₄)所对应的原点为第二超透镜113的中心。

本实用新型实施例中，由于第二区域210与第四区域212共焦点，故可以基于同一个原点建立坐标系，并在该坐标系下表示两个区域中的位置坐标，即第二区域210与第四区域212对应同一个原点。例如，以第二超透镜113的中心为原点建立坐标系，该第二区域210中的位置坐标(x₂,y₂)以及第四区域212中的位置坐标(x₄,y₄)均是该坐标系中的坐标。

如图5所示，第二区域210与第四区域212可以是同心圆环的形状，该第四区域212可以对应多个第二纤芯111，此时该第二纤芯111只与相应的第三区域211共轴。或者，该第四区域212也可以与第二纤芯111一一对应，即第二区域210与第四区域212的分布与图4相似，此时也可认为第二纤芯111、第三区域211、第四区域212三者共轴。

可选地，如图4和图5所示，第一纤芯110对应的第一区域119、第三区域211可以位于超透镜的中心位置，而第二纤芯111对应的第二区域210、第四区域212位于超透镜的边缘位置。

本实用新型实施例还提供一种光学系统。参见图2所示，光学系统包括：依次排列的拉曼光谱仪探头、狭缝116、光栅117和探测器118；其中，该拉曼光谱仪探头为如上任一实施例提供的拉曼光谱仪探头。如图2所示，拉曼散射光115从拉曼光谱仪探头中出射后，会聚于预安装和对齐的狭缝116处，狭缝116用来控制拉曼散射光115的进入角度；通过狭缝116后的拉曼散射光115被光栅117进行分散并形成光谱，光栅117决定了拉曼散射光115的波长范围，并部分决定了光学系统所能达到的光学分辨率；拉曼散射光115经过光栅117后最终打在探测器118上。可选地，探测器118为CCD(电荷耦合器)或CMOS(互补金属氧化物半导体)。需要说明的是，在图1中，拉曼光谱仪探头用于采集位于右侧的待测样品114的光谱，而在图2中，该光学系统用于采集位于拉曼光谱仪探头左侧的待测样品的光谱，且图2中未示出待测样品。

本实用新型实施例中，狭缝用于控制拉曼光谱仪探头出射的拉曼散射光115的角度；光栅117用于将入射的拉曼散射光115进行分光；探测器118用于接收拉曼散射光115，探测器118对泵浦光和拉曼散射光115进行检测，最终获得待测样品114的光谱特性。

以上所述，仅为本实用新型实施例的具体实施方式，但本实用新型实施例的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型实施例披露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本实用新型实施例的保护范围之内。因此，本实用新型实施例的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (12)

1.一种基于超透镜的拉曼光谱仪探头，其特征在于，包括：第一纤芯(110)、第二纤芯(111)、第一超透镜(112)和第二超透镜(113)；所述第一纤芯(110)和所述第二纤芯(111)并排设置；所述第一纤芯(110)对应所述第一超透镜(112)的第一区域(119)和所述第二超透镜(113)的第二区域(210)，所述第二纤芯(111)对应所述第一超透镜(112)的第三区域(211)和所述第二超透镜(113)的第四区域(212)；

所述第一纤芯(110)用于出射泵浦光；

所述第一超透镜(112)位于所述第一纤芯(110)的出光侧，所述第二超透镜(113)位于所述第一超透镜(112)远离所述第一纤芯(110)的一侧，且所述第二超透镜(113)远离所述第一超透镜(112)的一侧能够设置待测样品(114)；

所述第一区域(119)用于对所述第一纤芯(110)出射的泵浦光进行准直，所述第二区域(210)用于对所述第一区域(119)准直的泵浦光会聚至所述待测样品(114)处；

所述第四区域(212)用于对所述待测样品(114)在泵浦光作用下所出射的拉曼散射光进行准直，所述第三区域(211)用于将所述第四区域(212)准直的拉曼散射光会聚并耦合至所述第二纤芯(111)；

所述第二纤芯(111)用于出射耦合的拉曼散射光。

2.根据权利要求1所述的基于超透镜的拉曼光谱仪探头，其特征在于，所述第二超透镜(113)的所述第二区域(210)与所述第四区域(212)共焦点。

3.根据权利要求2所述的基于超透镜的拉曼光谱仪探头，其特征在于，所述第二超透镜(113)的相位分布满足：

其中，λ₁为泵浦光的波长，λ₂为拉曼散射光的波长，f₂为所述第二超透镜(113)的焦距；(x₂，y₂)为所述第二区域(210)中的坐标，(x₄，y₄)为所述第四区域(212)中的坐标，且坐标(x₂，y₂)与坐标(x₄，y₄)所对应的原点相同；

表示(x₂，y₂)处对泵浦光的调制相位，

表示(x₄，y₄)处对拉曼散射光的调制相位。

4.根据权利要求3所述的基于超透镜的拉曼光谱仪探头，其特征在于，坐标(x₂，y₂)与坐标(x₄，y₄)所对应的原点为所述第二超透镜(113)的中心。

5.根据权利要求1所述的基于超透镜的拉曼光谱仪探头，其特征在于，所述第一超透镜(112)的所述第一区域(119)与所述第三区域(211)对应相同的焦距，且非共焦点。

6.根据权利要求5所述的基于超透镜的拉曼光谱仪探头，其特征在于，所述第一超透镜(112)的相位分布满足：

其中，λ₁为泵浦光的波长，λ₂为拉曼散射光(115)的波长，f₁为所述第一超透镜(112)的焦距；(x₁，y₁)为所述第一区域(119)中以所述第一区域(119)的中心为原点的坐标，(x₃，y₃)为所述第三区域(211)中以所述第三区域(211)的中心为原点的坐标；

表示所述第一区域(119)中(x₁，y₁)处对泵浦光的调制相位，

表示所述第三区域(211)中(x₃，y₃)处对拉曼散射光(115)的调制相位。

7.根据权利要求1所述的基于超透镜的拉曼光谱仪探头，其特征在于，所述第一超透镜(112)、所述第二超透镜(113)的形状为多边形或圆形。

8.根据权利要求1所述的基于超透镜的拉曼光谱仪探头，其特征在于，所述第二纤芯(111)的数量为多个，每个所述第二纤芯(111)对应所述第一超透镜(112)中的一个所述第三区域(211)。

9.根据权利要求1所述的基于超透镜的拉曼光谱仪探头，其特征在于，所述第一纤芯(110)位于多个所述第二纤芯(111)的中心处。

10.根据权利要求1所述的基于超透镜的拉曼光谱仪探头，其特征在于，所述第一纤芯(110)、所述第一区域(119)、所述第二区域(210)共光轴排列；

所述第二纤芯(111)、所述第三区域共光轴排列。

11.一种光学系统，其特征在于，包括：依次排列的权利要求1-10中任一项的拉曼光谱仪探头、狭缝(116)、光栅(117)和探测器(118)；

所述狭缝用于控制所述拉曼光谱仪探头出射的拉曼散射光(115)的角度；

所述光栅(117)用于将入射的拉曼散射光(115)进行分光；

所述探测器(118)用于接收拉曼散射光(115)。

12.根据权利要求11所述的光学系统，其特征在于，所述探测器(118)为电荷耦合器或图像传感器。

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