JP2021513076A - ラマン分光のためのスペクトルフィルタリング - Google Patents

Abstract

ラマン分光システムが提供される。この分光システムは、ポンプ光入口及び戻り光出口を有する第１側と、複数のポンプ光出口及び複数の戻り光入口を有する第２側とを有する光学スイッチを備える。分光システムは前記ポンプ光入口に光学的に結合された少なくとも１つの放射源と、前記戻り光出口に光学的に結合された検出器とを備える。分光システムは前記少なくとも１つの放射源と前記複数のポンプ光出口の間に光学的に結合されたポンプ光フィルターモジュールと、前記検出器と前記複数の戻り光入口の間に光学的に結合された戻り光フィルターモジュールとを更に備える。分光システムは複数のプローブであって、各プローブは前記複数のポンプ光出口の少なくとも１つに少なくとも１つの励起ファイバーにより光学的に接続され、且つ前記戻り光入口の１つに少なくとも１つの射出ファイバーにより光学的に結合された、複数のプローブを更に備える。

Description

関連出願

本出願は、２０１８年２月９日に出願された米国仮特許出願第６２／６２８６２７号の米国特許法第１２０条の下の優先権の利益を主張するものであり、その内容全体を本明細書に援用する。

本開示は光学装置に関し、特に、ラマン分光で使用するフィルタリング素子を含む光学スイッチに関する。

光学スイッチは従来、ファイバー光学通信を含む様々な用途に使用される。このようなスイッチは光を所望の光学入力から所望の光学出力へ導くために使用される。例えば、１×Ｎのスイッチは共通ポートとＮ個のポートのいずれか１つの間の光学的接続を生成する。ここで「Ｎ」は１より大きい整数である。従来の光学スイッチは、例えば動くプリズム又は動く光ファイバーに基づく微小電気機械システム（ＭＥＭ）及び微小機械システムを含むことがある。微小機械スイッチの市販の例はＡｇｉｌｔｒｏｎ（米国マサチューセッツ州）により製造されるＬｉｇｈｔＢｅｎｄ（登録商標）シリーズを含む。

ラマン分光法は光を送受信するために光ファイバーを利用できる用途の例である。ラマン分光法は、固体、ゲル、気体、及び粉末を分析するのに加え、水及び他の液体環境に適切と考えられ試料を分析するための手法を提供する。ラマン分光法は光散乱を使用して物質内の様々な分子の種類と濃度を特定する分析手法であり、その物質に単色光を照射し散乱光内の個々の波長とそれらの強度を測定する。

ラマン分光システムは従来、光源及び検出器から離れた試料のラマンスペクトルを測定するのを可能にするプローブを含む。プローブは光源に第１光ファイバーを介して光学的に接続され、検出器に第２光ファイバーを介して光学的に接続される。しばしばプローブはレーザーの周波数を中心とする狭い帯域通過「レーザークリーンアップ」フィルターとレーザー周波数で弾性散乱された光を選択的に排除するエッジ、ノッチ、又は高域フィルターとを含む光学部品を備える。

このような光学部品を持つプローブは、単一のプローブ又は限定された数のプローブを持つラマン分光システムにとって便利である。しかし、ラマン分光システムのプローブの数が増加すると、各プローブは自身の光学部品の組を持つので、システムの全費用も増加する。

本開示の実施形態によれば、ラマン分光システムが提供される。この分光システムは、ポンプ光入口及び戻り光出口を有する第１側と、複数のポンプ光出口及び複数の戻り光入口を有する第２側とを有する光学スイッチを備える。分光システムは前記光学スイッチの前記ポンプ光入口に光学的に結合された少なくとも１つの放射源と、前記光学スイッチの前記戻り光出口に光学的に結合された検出器とを備える。分光システムは前記少なくとも１つの放射源と前記光学スイッチの前記複数のポンプ光出口の間に光学的に結合されたポンプ光フィルターモジュールと、前記検出器と前記光学スイッチの前記複数の戻り光入口の間に光学的に結合された戻り光フィルターモジュールとを更に備える。分光システムは複数のプローブであって、各プローブは前記光学スイッチの前記複数のポンプ光出口の少なくとも１つに少なくとも１つの励起ファイバーにより光学的に接続され、且つ前記光学スイッチの前記戻り光入口の１つに少なくとも１つの射出ファイバーにより光学的に結合された、複数のプローブを更に備える。

上記概要説明と下記の詳細な説明の両方とも単に代表例を示し、請求項の特質及び特性を理解するための概観又は枠組みを提供するよう意図されていることは理解されるべきである。添付図面は更なる理解を提供するために含められ、本明細書に組み込まれ一部をなす。図面は１つ以上の実施形態を例示し、記述と共に様々な実施形態の原理と動作を説明する働きをする。

本開示は下記の説明と単に非限定例として提供される添付図からより明らかに理解されるであろう。
本開示の実施形態に係る代表的なラマン分光システムを例示する。 本開示の実施形態に係る代表的なラマン分光システムを例示する。 本開示の実施形態に係る代表的なラマン分光システムを例示する。 本開示の実施形態に係る代表的なラマン分光システムを例示する。 本開示の実施形態に係る代表的なポンプ光フィルターモジュールを例示する。 本開示の実施形態に係る代表的な戻り光フィルターモジュールを例示する。

本実施形態を、それらの例を添付の図面に例示し、詳細に記述する。可能ならいつでも、同じ又は類似の部品を指すために同じ符号を全図面に亘って使用する。

文脈からそうでないと明らかに指示されない限り、英語の単数形「a」、「an」、及び「the」は複数の指示対象を含む。同じ特性を記述する全ての範囲の端点は独立に組み合わせ可能であり、それら記述された端点を含める。全ての参照文献は本明細書に組み込まれる。

本書で使用されるように、「have」、「having」、「include」、「including」、「comprise」、「comprising」などは非限定の意味で使用され、概ね「これらに限定されないが〜を含む」を意味する。

本明細書で使用される全ての科学的及び技術的用語は、そうでないと指示されない限り、その分野で一般に使用される意味を有する。本明細書で提供される定義は、本明細書で頻繁に使用されるある用語の理解を容易にするためであり、本開示の範囲を限定するようには意図されていない。

本開示は下記に初めは概略説明され、次に幾つかの代表的な実施形態に基づいて詳細に説明される。個々の代表的な実施形態における互いに組み合わせて示された特徴全てが理解される必要はない。特に、個々の特徴は省略されても、又は同じ代表的な実施形態又は他の代表的な実施形態の示された他の特徴と何か他のやり方で組み合わされてもよい。

本開示の実施形態は、少なくとも１つの放射源に光学的に結合されたポンプ光入口と検出器に光学的に結合された戻り光出口とを有する第１側を有する光学スイッチを含むラマン分光システムを提供する。光学スイッチは、複数のプローブに光学的に結合された複数のポンプ光出口及び複数の戻り光入口を有する第２側を更に有する。本書に記載された分光システムは、少なくとも１つの放射源と複数のポンプ光出口の間に配置されたポンプ光フィルターモジュールを更に含み、少なくとも１つの放射源から出力された全ての放射光は、プローブに届く前にポンプ光フィルターモジュールを通過する。また、本書に記載された分光システムは、検出器と複数の戻り光入口の間に配置された戻り光フィルターモジュールも含み、プローブから出力された全ての放射光は、検出器に届く前に戻り光フィルターモジュールを通過する。本書に記載された分光システムは有利にも複数のプローブに届けられる放射光のフィルタリングと複数のプローブから届けられる放射光のフィルタリングを、複数のプローブのそれぞれに従来のプローブ光学部品を設けることなく可能にする。従って、本書に記載されたシステムは複数のプローブを使用する複数の試料の分析又は複数のプローブを使用する１つの試料の複数の部分の分析に伴う費用を低減する。

図１Ａ〜１Ｂ及び２Ａ〜２Ｂは本開示の実施形態に係る代表的なラマン分光システムを示す。図１Ａに示された代表的なシステム１００は複数のプローブ１１０と、複数のプローブ１１０のそれぞれを光学スイッチ１４０の第１側１４２に光学的に接続する複数の光ファイバー１３０、１３２とを含む。複数のプローブ１１０のそれぞれについて、少なくとも１つの励起ファイバー１３０がプローブ１１０を光学スイッチ１４０の第１側１４２のポンプ光出口１４８に光学的に接続し、少なくとも１つの射出ファイバー１３２がプローブ１１０を光学スイッチ１４０の第１側１４２の戻り光入口１４９に光学的に接続する。光学スイッチ１４０の第１側１４２は複数のポンプ光出口１４８及び複数の戻り光入口１４９を含む。少なくとも１つの放射源１５２がポンプ光フィルターモジュール１６６を通って光学スイッチ１４０の第２側１４４のポンプ光入口１４６に光学的に接続され、検出器１５６が戻り光フィルターモジュール１６８を通って光学スイッチ１４０の第２側１４４の戻り光出口１４７に光学的に接続される。システム１００はコントローラ１６０及び計算システム１７０を更に含む。

図１Ｂに示された代表的なシステム２００はシステム１００と同様なシステム部品を含み、光学スイッチ２４０を含む点がシステム１００と異なる。光学スイッチ２４０は光学スイッチ２４０内でポンプ光入口１４６と複数のポンプ光出口１４８の間に配置されたポンプ光フィルターモジュール１６６を含む。また、光学スイッチ２４０は光学スイッチ２４０内で戻り光出口１４７と複数の戻り光入口１４９の間に配置された戻り光フィルターモジュール１６８を含む。このように、システム２００においては、少なくとも１つの放射源１５２はポンプ光入口１４６に直接、光学的に接続される。システム２００はコントローラ１６０及び計算システム１７０を更に含む。

図２Ａに示された代表的なシステム３００は複数のプローブ１１０、ポンプ光光学スイッチ３４０ａ、及び戻り光光学スイッチ３４０ｂを含む。複数のプローブ１１０のそれぞれについて、少なくとも１つの励起ファイバー１３０がプローブ１１０をポンプ光光学スイッチ３４０ａの第１側３４２ａのポンプ光出口３４８に光学的に接続し、少なくとも１つの射出ファイバー１３２がプローブ１１０を戻り光光学スイッチ３４０ｂの第１側３４２ｂの戻り光入口３４９に光学的に接続する。ポンプ光光学スイッチ３４０ａの第１側３４２ａは複数のポンプ光出口３４８を含み、戻り光光学スイッチ３４０ｂの第１側３４２ｂは複数の戻り光入口３４９を含む。少なくとも１つの放射源１５２がポンプ光フィルターモジュール１６６を通ってポンプ光光学スイッチ３４０ａの第２側３４４ａのポンプ光入口３４６に光学的に接続され、検出器１５６が戻り光フィルターモジュール１６８を通って戻り光光学スイッチ３４０ｂの第２側３４４ｂの戻り光出口３４７に光学的に接続される。システム３００はコントローラ１６０及び計算システム１７０を更に含む。

図２Ｂに示された代表的なシステム４００はシステム３００と同様なシステム部品を含み、ポンプ光光学スイッチ４４０ａ及び戻り光光学スイッチ４４０ｂを含む点がシステム３００と異なる。ポンプ光光学スイッチ４４０ａはポンプ光光学スイッチ４４０ａ内でポンプ光入口３４６と複数のポンプ光出口３４８の間に配置されたポンプ光フィルターモジュール１６６を含む。戻り光光学スイッチ４４０ｂは戻り光光学スイッチ４４０ｂ内で戻り光出口３４７と複数の戻り光入口３４９の間に配置された戻り光フィルターモジュール１６８を含む。このように、システム４００においては、少なくとも１つの放射源１５２はポンプ光入口３４６に直接、光学的に接続されている。

本書に記載された少なくとも１つの放射源１５２は、例えば約２００ｎｍ〜約１５５０ｎｍの出力波長を持つ市販のレーザーであってもよい。出力波長は電磁スペクトルの約２００ｎｍと約４００ｎｍの間の紫外線領域にあり、例えば約２４４ｎｍ、約２５７ｎｍ、約２６６ｎｍ、約３２５ｎｍ、又は約３６４ｎｍであってもよい。出力波長は電磁スペクトルの約４００ｎｍと約７００ｎｍの間の可視領域にあり、例えば約４５７ｎｍ、約４７３ｎｍ、約４８８ｎｍ、約５１４ｎｍ、約５３２ｎｍ、約６３３ｎｍ、又は約６６０ｎｍであってもよい。出力波長は電磁スペクトルの約７００ｎｍと約１５００ｎｍの間の近赤外領域にあり、例えば約７８５ｎｍ、約８３０ｎｍ、約９８０ｎｍ、又は約１０６４ｎｍであってもよい。例えば、本書に記載された少なくとも１つの放射源１５２は、約４００ｎｍと約８５０ｎｍの間の出力波長を有してもよい。少なくとも１つの放射源１５２の出力波長はシステム１００、２００、３００、４００で分析されている材料に基づいて選択されてよいことは理解されるべきである。例えば、約８５０ｎｍなどの比較的長い波長が蛍光を発し易い液体を分析するためにより適切である一方、ラマン散乱プロセスのより高い効率が望ましい時には約６６０ｎｍ又は７８５ｎｍなどの比較的短い波長が物質を分析するためにより適切である場合がある。

図３は本書に記載されたポンプ光フィルターモジュールを例示する。本開示の実施形態によれば、ポンプ光フィルターモジュール１６６は、第１端に入力５１２と第１端と反対側の第２端に出力５１４とを有するハウジング５１０を含んでもよい。ハウジング入力５１２は少なくとも１つの放射源１５２に光学的に結合されてもよい。システム１００では、ハウジング出力５１４は光学スイッチ１４０のポンプ光入口１４６に光学的に結合されてもよい。同様に、システム３００では、ハウジング出力５１４はポンプ光光学スイッチ３４０ａのポンプ光入口３４６に光学的に結合されてもよい。システム２００では、ハウジング出力５１４は複数のポンプ光出口１４８の方に放射光を伝える光学スイッチ２４０内の光学接続点に光学的に結合されてもよい。同様に、システム４００では、ハウジング出力５１４は複数のポンプ光出口３４８の方に放射光を伝えるポンプ光光学スイッチ４４０ａ内の光学接続点に光学的に結合されてもよい。ハウジング入力５１２とハウジング出力５１４の間に、ポンプ光フィルターモジュール１６６はコリメーター５０２と焦束レンズ５０６の間に位置する帯域通過フィルター５０４を含む。帯域通過フィルター５０４は励起波長だけが通過するのを許すよう適合された任意の適切な波長で動作可能であってよいが、例として７８５ｎｍ波長の放射光だけが通過するのを許すように選択される。コリメーター５０２は放射光を帯域通過フィルター５０４に入る前に平行光にする。帯域通過フィルター５０４の後、焦束レンズ５０６はハウジング出力５１４に結合された光学接続点に放射光を焦束させる。図３に示すように、ポンプ光フィルターモジュール１６６はハウジング入力５１２とコリメーター５０２の間に配置された第２焦束レンズ５０８を随意に含んでもよい。第２焦束レンズ５０８は少なくとも１つの放射源１５２からの放射光をコリメーター５０２に焦束させるために含まれてもよい。

図４は本書に記載された戻り光フィルターモジュールを例示する。本開示の実施形態によれば、戻り光フィルターモジュール１６８は第１端に入力６１２と第１端と反対側の第２端に出力６１４とを有するハウジング６１０を含んでもよい。ハウジング出力６１４は検出器１５６に光学的に結合されてもよく、システム１００では、ハウジング入力６１２は光学スイッチ１４０の戻り光出口１４７に光学的に結合されてもよい。同様に、システム３００では、ハウジング入力６１２は戻り光光学スイッチ３４０ｂの戻り光出口３４７に光学的に結合されてもよい。システム２００では、ハウジング入力６１２は複数の戻り光入口１４９からの放射光を伝える光学スイッチ２４０内の光学接続点に光学的に結合されてもよい。同様に、システム４００では、ハウジング入力６１２は複数の戻り光入口３４９からの放射光を伝える戻り光光学スイッチ４４０ｂ内の光学接続点に光学的に結合されてもよい。ハウジング入力６１２とハウジング出力６１４の間に、戻り光フィルターモジュール１６８はコリメーター６０２と焦束レンズ６０６の間に位置するフィルター６０４を含む。フィルター６０４は、例えば、これらに限定されないが、エッジフィルター、ロングパス、又はノッチフィルターであってもよい。フィルター６０４がエッジフィルター又はロングパスフィルターである場合は、フィルター６０４は励起信号波長を阻止するが、より長い又はより短い波長の放射光が通過するのを許すように選択される。フィルター６０４がノッチフィルターである場合は、フィルター６０４は励起信号波長を阻止するが、より長い波長とより短い波長両方の放射光が通過するのを許すように選択される。本書で使用されるように、用語「励起信号」は少なくとも１つの放射源１５２により複数のプローブ１１０に届けられる放射光を指し、「励起信号波長」は少なくとも１つの放射源１５２により複数のプローブ１１０に届けられる放射光の波長を指す。例えば、少なくとも１つの放射源１５２が波長７８５ｎｍの放射光を届ける場合、ロングパスフィルターは波長７８５ｎｍの放射光が通過するのを阻止するように適合される。コリメーター６０２は放射光をロングパスフィルター６０４の前に平行光にする。ロングパスフィルター６０４の後、焦束レンズ６０６はハウジング出力６１４に結合された光学接続点に放射光を焦束させる。図４に示すように、戻り光フィルターモジュール１６８はハウジング入力６１２とコリメーター６０２の間に配置された第２焦束レンズ６０８を随意に含んでもよい。第２焦束レンズ６０８は複数のプローブ１１０からの放射光をコリメーター６０２に焦束させるために含まれてもよい。

本開示の実施形態によれば、システム１００、２００は少なくとも１つの放射源１５２からの放射光を光学スイッチ１４０、２４０内にポンプ光入口１４６を通って届けるよう動作する。コントローラ１６０からの制御信号に応答して、光学スイッチ１４０、２４０はポンプ光入口１４６と複数のポンプ光出口１４８の少なくとも１つの間の接続を形成し、放射光は光学スイッチ１４０、２４０から複数のプローブ１１０の少なくとも１つに少なくとも１つの励起ファイバー１３０を通って届けられる。複数のプローブ１１０は少なくとも１つの放射源１５２からの放射光を試料に届け、試料により散乱された放射光は複数のプローブ１１０により集められて少なくとも１つの射出ファイバー１３２を通って光学スイッチ１４０、２４０の複数の戻り光入口１４９に戻される。コントローラ１６０からの制御信号に応答して、光学スイッチ１４０、２４０は複数の戻り光入口１４９の少なくとも１つと戻り光出口１４７の間の接続を形成し、放射光は光学スイッチ１４０、２４０から検出器１５６に届けられる。

本開示の実施形態によれば、システム３００、４００は少なくとも１つの放射源１５２からの放射光をポンプ光光学スイッチ３４０ａ、４４０ａ内にポンプ光入口３４６を通って届けるよう動作する。コントローラ１６０からの制御信号に応答して、ポンプ光光学スイッチ３４０ａ、４４０ａはポンプ光入口３４６と複数のポンプ光出口３４８の少なくとも１つの間の接続を形成し、放射光はポンプ光光学スイッチ３４０ａ、４４０ａから複数のプローブ１１０の少なくとも１つに少なくとも１つの励起ファイバー１３０を通って届けられる。複数のプローブ１１０は少なくとも１つの放射源１５２からの放射光を試料に届け、試料により散乱された放射光は複数のプローブ１１０により集められて少なくとも１つの射出ファイバー１３２を通って戻り光光学スイッチ３４０ｂ、４４０ｂの複数の戻り光入口３４９に戻される。コントローラ１６０からの制御信号に応答して、戻り光光学スイッチ３４０ｂ、４４０ｂは複数の戻り光入口３４９の少なくとも１つと戻り光出口３４７の間の接続を形成し、放射光は戻り光光学スイッチ３４０ｂ、４４０ｂから検出器１５６に届けられる。

本書に記載された光学スイッチ１４０、２４０、３４０ａ、３４０ｂ、４４０ａ、４４０ｂは当分野で既知の任意の光学スイッチであってよい。例えば、光学スイッチ１４０、２４０、３４０ａ、３４０ｂ、４４０ａ、４４０ｂは米国特許第４２３９３３０号、米国特許第４２３９３３１号、米国特許第４３２２１２６号、及び米国特許第４３０３３０３号明細書に記載されたような機械光学スイッチであってもよく、それらの内容全体を本明細書に引用する。光学スイッチ１４０、２４０、３４０ａ、３４０ｂ、４４０ａ、４４０ｂは随意に米国特許第４６３４２３９号明細書に記載されたような多光ファイバー電気機械スイッチであってもよく、その内容全体を本明細書に引用する。光学スイッチ１４０、２４０、３４０ａ、３４０ｂ、４４０ａ、４４０ｂは随意に米国特許第５３６１３１５号明細書に記載されたような屈折要素光透過スイッチであってもよく、その内容全体を本明細書に引用する。

本開示の実施形態は、励起放射光を試料に向け、試料により散乱された放射光を集めるように構成された光学ヘッド組立体１１２をそれぞれ有する複数のプローブ１１０を含んでよい。光学ヘッド組立体１１２は、励起信号が少なくとも１つの放射源１５２からそれを通って導かれる少なくとも１つの励起ファイバー１３０に光学的に接続される。光学ヘッド組立体１１２は少なくとも１つの射出ファイバー１３２にも光学的に接続される。励起信号に応答して試料により散乱された放射光は光学ヘッド組立体１１２において集められ、少なくとも１つの射出ファイバー１３２に届けられる。

本開示の実施形態によれば、光学ヘッド組立体１１２は入力及びその入力から分離された出力を有してもよい。少なくとも１つの励起ファイバー１３０は光学ヘッド組立体１１２の入力に、例えば光ファイバーコネクターにより光学的に接続されてもよく、少なくとも１つの射出ファイバー１３２は光学ヘッド組立体１１２の出力に、例えば光ファイバーコネクターにより光学的に接続されてもよい。或いは、光学ヘッド組立体１１２は光ファイバー束に光学的に接続されたポートを有してもよい。光ファイバー束は光学ヘッド組立体１１２のポートに、例えば光ファイバーコネクターにより光学的に接続されてもよい。一例として、光ファイバー束は１つ以上の励起ファイバー１３０とそれら１つ以上の励起ファイバー１３０の周縁の周りの複数の射出ファイバー１３２とを含んでもよい。

光ファイバー束内の射出ファイバー１３２の数がより大きくなると、複数のプローブ１１０から検出器１５６へ伝えられうる散乱された放射光の量はより大きくなることは通常理解される。本書に記載された光ファイバー束は任意の数の射出ファイバー１３２を含んでもよいが、本書に記載された光ファイバー束は２つ以上の射出ファイバー１３２、例えば約２本と約１０本の間の射出ファイバー１３２、又は約３本と約８本の間の射出ファイバー１３２、及びそれらの間のいずれの本数の射出ファイバー１３２を含んでもよい。また、光ファイバー束のファイバー間の間隔が増加すると、複数のプローブ１１０から検出器１５６へ伝えられうる散乱された放射光の量は減少する。従って、本書に記載された光ファイバー束は光ファイバー束のファイバー間の間隔を最小にする構成を含む。例えば、光ファイバーが光学ヘッド組立体１１２に接続するそれらのファイバーの端は互いに直接接触してもよい。

本開示の実施形態によれば、システム１００、２００、３００、４００は検出器１５６を含んでよい。検出器１５６は戻り光フィルターモジュール１６８を通って戻り光出口１４７、３４７に光学的に接続され、試料からの散乱放射光が検出器１５６のスリット上へ伝えられるのを可能にしてもよい。検出器１５６はスペクトルデータを量子化して異なる波長における強度の配列として出力する電荷結合素子（ＣＣＤ）ベースセンサーであってもよい。他の代表的な検出器は相補型金属酸化膜半導体（ＣＭＯＳ）検出器などの焦点面アレイ検出器と、Ｓｉ検出器、ＩｎＧａＡｓ検出器などの光ダイオードアレイ検出器とを含んでよい。

本開示の実施形態によれば、システム１００、２００、３００、４００は、システム１００、２００、３００、４００の様々な構成要素をパーソナルコンピュータなどの計算システムに接続するためのインターフェースを提供するように構成されたコントローラ１６０を更に含んでよい。コントローラ１６０はシステム１００、２００、３００、４００の様々な構成要素の動作を制御するように構成されてよい。例えば、システム１００、２００では、コントローラ１６０は光学スイッチ１４０、２４０を制御するように構成され、システム３００、４００では、コントローラはポンプ光光学スイッチ３４０ａ、４４０ａ及び戻り光光学スイッチ３４０ｂ、４４０ｂを制御するように構成される。コントローラ１６０は制御信号を光学スイッチ１４０、２４０、３４０ａ、４４０ａの内蔵コンピュータに伝え、放射光がそれを通って届けられるべき少なくとも１つの励起ファイバー１３０を指定する。その制御信号に応答して、光学スイッチ１４０、２４０、３４０ａ、４４０ａはポンプ光入口１４６、３４６と複数のポンプ光出口１４８、３４８の少なくとも１つの間の接続を形成し、放射光は光学スイッチ１４０、２４０、３４０ａ、４４０ａから複数のプローブ１１０の少なくとも１つに少なくとも１つの励起ファイバー１３０を通って届けられる。同様に、コントローラ１６０は制御信号を光学スイッチ１４０、２４０、３４０ｂ、４４０ｂの内蔵コンピュータに伝え、散乱放射光がそれを通って届けられるべき少なくとも１つの射出ファイバー１３２を指定する。その制御信号に応答して、光学スイッチ１４０、２４０、３４０ｂ、４４０ｂは、複数の戻り光入口１４９、３４９の少なくとも１つと戻り光出口１４７、３４７の間の接続を形成し、放射光は光学スイッチ１４０、２４０、３４０ｂ、４４０ｂから検出器１５６に届けられる。

例えば、コントローラ１６０は少なくとも１つの放射源１５２を制御して少なくとも１つの放射源１５２をオンしたりオフしたり、少なくとも１つの放射源１５２の出力パワーを制御するように構成されてよい。コントローラ１６０はまた、検出器１５６への電力を制御して検出器をオンしたりオフしたり、スペクトルデータ信号を受信するのに加え、ラマンスペクトルデータを読み出すように構成されてよい。また、コントローラ１６０は制御信号を検出器１５６に送信してラマンスペクトルデータを計算システムに更なる処理及び分析のために転送してもよい。光学スイッチ１４０、２４０、３４０ａ、３４０ｂ、４４０ａ、４４０ｂ、少なくとも１つの放射源１５２、及び／又は検出器１５６はユニバーサル・シリアル・バス（ＵＳＢ）、Ｆｉｒｅｗｉｒｅ、シリアル（ＲＳ２３２）又はパラレルインターフェースなどの有線インターフェースを介してコントローラ１６０に直接結合されてもよいし、Ｗｉ−Ｆｉ（登録商標）、Ｂｌｕｅ Ｔｏｏｔｈ、又はＺｉｇＢｅｅなどの無線インターフェースを介してコントローラ１６０に結合されてもよい。

コントローラ１６０は特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）に基づく専用装置、プログラム可能アレイ、又はプログラム可能マイクロコントローラでありうる。或いは、コントローラ１６０は本システムの構成要素と計算システムの間の転送のための信号を制御し変換するインターフェースでありうる。コントローラ１６０は検出器１５６からのラマンスペクトル信号を計算システムに転送されるデジタルデータ信号に変換するアナログ・デジタル変換機能を含んでもよい。

計算システム１７０はＣＰＵ又はプロセッサとＲＡＭ、ＲＯＭ、揮発性メモリ、及び非揮発性メモリを含むプログラムを記憶実行しデータを記憶する関連するメモリとを含みうる。計算システム１７０は、検出器１５６から受信したラマンスペクトルデータを読み込み記憶し表示し、ラマンスペクトルデータを分析し処理し、受信したラマンスペクトルデータを記憶されたラマンスペクトルデータと比較するためのプログラムを含みうる。ラマンスペクトルデータはグラフ及び表の形態で表示されうる。

本開示は限定された数の実施形態を含むが、当業者は本開示の恩恵を受けて、本開示の範囲から逸脱しない他の実施形態が考え出されうることを理解するであろう。

以下、本発明の好ましい実施形態を項分け記載する。

実施形態１
ラマン分光システムであって、
ポンプ光入口及び戻り光出口を有する第１側と、
複数のポンプ光出口及び複数の戻り光入口を有する第２側と
を有する光学スイッチと、
前記光学スイッチの前記ポンプ光入口に光学的に結合された少なくとも１つの放射源と、
前記光学スイッチの前記戻り光出口に光学的に結合された検出器と、
前記少なくとも１つの放射源と前記光学スイッチの前記複数のポンプ光出口の間に光学的に結合されたポンプ光フィルターモジュールと、
前記検出器と前記光学スイッチの前記複数の戻り光入口の間に光学的に結合された戻り光フィルターモジュールと、
複数のプローブであって、各プローブは前記光学スイッチの前記複数のポンプ光出口の少なくとも１つに少なくとも１つの励起ファイバーにより光学的に接続され、且つ前記光学スイッチの前記戻り光入口の１つに少なくとも１つの射出ファイバーにより光学的に結合された、複数のプローブと
を備えるラマン分光システム。

実施形態２
前記光学スイッチはポンプ光光学スイッチ及び戻り光光学スイッチを備え、前記ポンプ光光学スイッチは前記ポンプ光入口及び前記複数のポンプ光出口を有し、前記戻り光光学スイッチは前記複数の戻り光入口及び前記戻り光出口を有する、実施形態１記載の分光システム。

実施形態３
前記ポンプ光フィルターモジュールは前記少なくとも１つの放射源と前記光学スイッチの前記ポンプ光入口の間に配置されたハウジングを備える、実施形態１又は２記載の分光システム。

実施形態４
前記戻り光フィルターモジュールは前記検出器と前記光学スイッチの前記戻り光出口の間に配置されたハウジングを備える、実施形態１〜３のいずれかに記載の分光システム。

実施形態５
前記少なくとも１つの放射源はレーザーを備える、実施形態１〜４のいずれかに記載の分光システム。

実施形態６
前記レーザーは約２００ｎｍと約１５００ｎｍの間の出力波長を有する、実施形態５記載の分光システム。

実施形態７
前記レーザーは約６７０ｎｍと約８５０ｎｍの間の出力波長を有する、実施形態５又は６記載の分光システム。

実施形態８
前記ポンプ光フィルターモジュールはコリメーターと集束レンズの間に配置された帯域通過フィルターを備える、実施形態１〜７のいずれかに記載の分光システム。

実施形態９
前記ポンプ光フィルターモジュールは第２集束レンズを更に備え、前記コリメーターは前記帯域通過フィルターと前記第２集束レンズの間に配置される、実施形態８記載の分光システム。

実施形態１０
前記戻り光フィルターモジュールはコリメーターと集束レンズの間に配置されたロングパスフィルターを備える、実施形態４記載の分光システム。

実施形態１１
前記戻り光フィルターモジュールは第２集束レンズを更に備え、前記コリメーターは前記ロングパスフィルターと前記第２集束レンズの間に配置される、実施形態１０記載の分光システム。

実施形態１２
前記少なくとも１つの励起ファイバーの周縁の周りに複数の前記射出ファイバーを有する光ファイバー束を備える実施形態１記載の分光システム。

実施形態１３
前記光ファイバー束は２つ以上の射出ファイバーを含む、実施形態１２記載の分光システム。

実施形態１４
前記光ファイバー束は約２個と約１０個の間の射出ファイバーを含む、実施形態１２記載の分光システム。

実施形態１５
前記検出器は電荷結合素子（ＣＣＤ）ベースセンサーを備える、実施形態１〜１４のいずれかに記載の分光システム。

実施形態１６
コントローラを更に備える、実施形態１〜１５のいずれかに記載の分光システム。

実施形態１７
前記コントローラは制御信号を前記光学スイッチに伝え、前記制御信号に応答して、前記光学スイッチは（ａ）前記ポンプ光入口と前記複数のポンプ光出口の少なくとも１つの間の接続を形成するか、又は（ｂ）前記複数の戻り光入口の少なくとも１つと前記戻り光出口の間の接続を形成する、実施形態１６記載の分光システム。

実施形態１８
前記少なくとも１つの放射源からの放射光は前記光学スイッチに前記ポンプ光入口を通って届けられ、前記複数のポンプ光出口の１つから前記複数のプローブの少なくとも１つに前記少なくとも１つの励起ファイバーの１つを通って更に届けられる、実施形態１〜１７のいずれかに記載の分光システム。

実施形態１９
試料により散乱された放射光は前記複数のプローブの前記１つに集められ、前記光学スイッチに前記複数の戻り光入口の１つを通って届けられ、前記戻り光出口から前記検出器に更に届けられる、実施形態１８記載の分光システム。

１００、２００、３００、４００ システム
１１０ プローブ
１１２ 光学ヘッド組立体
１３０ 励起ファイバー
１３２ 射出ファイバー
１４０、２４０ 光学スイッチ
１４２ 第１側
１４４ 第２側
１４６ ポンプ光入口
１４７ 戻り光出口
１４８ ポンプ光出口
１４９ 戻り光入口
１５２ 放射源
１６０ コントローラ
１６６ ポンプ光フィルターモジュール
１６８ 戻り光フィルターモジュール
１７０ 計算システム
３４０ａ ポンプ光光学スイッチ
３４０ｂ 戻り光光学スイッチ
３４２ａ、３４２ｂ 第１側
３４４ａ、３４４ｂ 第２側
３４６ ポンプ光入口
３４７ 戻り光出口
３４８ ポンプ光出口
３４９ 戻り光入口
５０２、６０２ コリメーター
５０４ 帯域通過フィルター
５０６、６０６ 焦束レンズ
５１０、６１０ ハウジング
６０４ フィルター

Claims (10)

1. ラマン分光システムであって、
   ポンプ光入口及び戻り光出口を有する第１側と、
   複数のポンプ光出口及び複数の戻り光入口を有する第２側と
   を有する光学スイッチと、
   前記光学スイッチの前記ポンプ光入口に光学的に結合された少なくとも１つの放射源と、
   前記光学スイッチの前記戻り光出口に光学的に結合された検出器と、
   前記少なくとも１つの放射源と前記光学スイッチの前記複数のポンプ光出口の間に光学的に結合されたポンプ光フィルターモジュールと、
   前記検出器と前記光学スイッチの前記複数の戻り光入口の間に光学的に結合された戻り光フィルターモジュールと、
   複数のプローブであって、各プローブは前記光学スイッチの前記複数のポンプ光出口の少なくとも１つに少なくとも１つの励起ファイバーにより光学的に接続され、且つ前記光学スイッチの前記戻り光入口の１つに少なくとも１つの射出ファイバーにより光学的に結合された、複数のプローブと
   を備えるラマン分光システム。
2. 前記光学スイッチはポンプ光光学スイッチ及び戻り光光学スイッチを備え、前記ポンプ光光学スイッチは前記ポンプ光入口及び前記複数のポンプ光出口を有し、前記戻り光光学スイッチは前記複数の戻り光入口及び前記戻り光出口を有する、請求項１記載の分光システム。
3. 前記ポンプ光フィルターモジュールは
   前記少なくとも１つの放射源と前記光学スイッチの前記ポンプ光入口の間に配置されたハウジング、
   コリメーターと集束レンズの間に配置された帯域通過フィルター、又は
   それらの組み合わせ
   を備える、請求項１又は２記載の分光システム。
4. 前記戻り光フィルターモジュールは
   前記検出器と前記光学スイッチの前記戻り光出口の間に配置されたハウジング、
   コリメーターと集束レンズの間に配置されたロングパスフィルター、又は
   それらの組み合わせ
   を備える請求項１〜３のいずれかに記載の分光システム。
5. 前記少なくとも１つの放射源はレーザーを備え、
   前記レーザーは約２００ｎｍと約１５００ｎｍの間の出力波長を有するか、又は前記レーザーは約６７０ｎｍと約８５０ｎｍの間の出力波長を有する、請求項１〜４のいずれかに記載の分光システム。
6. 前記ポンプ光フィルターモジュールは第２集束レンズを更に備え、前記コリメーターは前記帯域通過フィルターと前記第２集束レンズの間に配置される、請求項３記載の分光システム。
7. 前記戻り光フィルターモジュールは第２集束レンズを更に備え、前記コリメーターは前記ロングパスフィルターと前記第２集束レンズの間に配置される、請求項４記載の分光システム。
8. 前記少なくとも１つの励起ファイバーの周縁の周りに複数の前記射出ファイバーを有する光ファイバー束を備え、
   前記光ファイバー束は２つ以上の射出ファイバーを含むか、又は
   前記光ファイバー束は約２個と約１０個の間の射出ファイバーを含む、請求項１記載の分光システム。
9. コントローラを更に備え、
   前記コントローラは制御信号を前記光学スイッチに伝え、前記制御信号に応答して、前記光学スイッチは（ａ）前記ポンプ光入口と前記複数のポンプ光出口の少なくとも１つの間の接続を形成するか、又は（ｂ）前記複数の戻り光入口の少なくとも１つと前記戻り光出口の間の接続を形成する、請求項１記載の分光システム。
10. 前記少なくとも１つの放射源からの放射光は前記光学スイッチに前記ポンプ光入口を通って届けられ、前記複数のポンプ光出口の１つから前記複数のプローブの少なくとも１つに前記少なくとも１つの励起ファイバーの１つを通って更に届けられ、
    試料により散乱された放射光は前記複数のプローブの前記１つに集められ、前記光学スイッチに前記複数の戻り光入口の１つを通って届けられ、前記戻り光出口から前記検出器に更に届けられる、先行する請求項のいずれかに記載の分光システム。

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