[发明专利]一种线形聚焦拉曼散射探测头

说明书

技术领域

本发明涉及一种光学设备，可为便携式或手持式拉曼光谱仪提供高效的激光拉曼散射探测头。

背景技术

拉曼散射是单频入射光与物质互相作用后产生的一种非弹性光散射现象。拉曼光谱是具有分子指纹信息的振动光谱，用它可以快速、准确地分析和鉴别物质(或分子)种类。它已经广泛应用于物理、化学、材料、生物、医学、食品、考古和刑侦等领域。拉曼光谱技术以光为探针，它具有非接触性、非破坏性、现场实时、原样原位和样品用量极少等检测特点外，还有空间分辨率高和光谱分辨率高的优点。另外，拉曼光谱技术可以在常规的环境条件特别是水溶液环境下进行探测，与红外光谱技术相比具有突出的优点。自1928年拉曼散射发现以来，拉曼光谱技术一直受到科学界的广泛重视，近十年来，拉曼光谱仪由科研院所等研究型单位逐步迈入检验检测结构、工厂质监部门等机构，而成为提高我国科研水平、人民生活质量与保障社会安全不可缺少的实验研究方法或常规的鉴定手段。

现代先进制造包括光源、分光与光电探测在内的技术发展，为制造体积小型化，技术集成化与检测现场化的便携式拉曼光谱仪提供了技术支撑。如今，诸如B&WTEK、Ocean Optics、Thermo Scientific、DeltaNu等公司，已经推出了性能与功能不同的携式拉曼光谱仪，这些设备主要应用于教学、现场测试，及少量科研，并占据着我们拉曼光谱仪需求市场。国内一些科研院校和高校也开展对小型拉曼光谱仪的研制工作，但未做到市场化规模。

便携式拉曼光谱仪的一个主要特点是采用光导纤维将光信号引出,并且光信号接收部分采用微型光纤光谱仪。便携式拉曼光谱仪由激光光源,拉曼探测头和光谱分析检测单元、CCD探测器和数据采集/人机界面组成。构造原理见图1。

拉曼光纤探测头是便携式拉曼光谱仪的主要组成元件之一。拉曼光纤探测头的功能包含激光传导、拉曼散射光收集以及滤波作用。激光器输出的激光由拉曼光纤探测头导入并聚焦在样品上，使之作用于样品。同时，拉曼光纤探测头收集拉曼信号，滤除包括激光与杂散光在内的非拉曼信号,并将其导入后端光谱仪。拉曼光纤探测头由小于200μm直径的激光输入光纤和小于100μm直径的散射光输出光纤(也称传导光纤)、平行透镜、带阻(陷波)或高透滤光片、单向反射棱镜等构成。小于100μm直径的传导光纤做成FC或SMA905标准接头,或做成形状与光谱仪入射狭缝匹配的接头。另外，拉曼光纤探头具有远距离实时检测、及其极端条件下(真空，低温/高温/高压等)非接触的原位检测功能。拉曼光纤探头的诞生，也极大的推动了拉曼光谱仪的研究与应用领域。

目前，市场上作为商品出售的光纤拉曼探测头，主要的结构大多采用双光纤共焦同轴的后散射方式，激发光与散射光具有共同的光路，通过双色镜将散射光聚焦到另一根传导光纤。传导光纤采用单股光纤,这种设计比较简单,但与光谱仪连接后,有效信号在连接处会损失近80-90％。原因是,光谱仪的入射狭缝宽度是10-20μm，而光纤的直径是100μm,与狭缝宽度不匹配,因而会损失掉。另外一种拉曼探测头采用多股光纤做传导光纤,将多股光纤由近似圆形排列转变为近似狭缝的线形排列,就会有更多散射光进入狭缝，提高光谱仪测量灵敏度数倍。依据上述原理及其市场需求，具有不同光学(路)构造的拉曼光纤探测头不断涌现。如专利号为CN102519937A的手持式拉曼探测头是一款带有自动控制激光稳定和自动采样的探头；专利号为CN203132699U的拉曼探测头是一种光测量与检测装置连用的探头，有增强拉曼信号的效果；专利号为CN201788152U的拉曼光纤探测头是采用空间偏离技术，以减少光学元件提高收集效率的探头；专利号为CN203758916U的便携式拉曼光纤探测头是一款焦距可调节，探测普适性较强。但是这些专利技术都是针对将激光聚焦成点而设计的光纤拉曼探测头。点聚焦光路也有其缺点。聚焦越小，虽能提高光谱分辨率，但光与物质互相作用的体积越小，就会降低拉曼散射的信号强度，影响光谱仪的检测灵敏度。为激发更多的拉曼信号强度，就必然需要更大的激光功率来激发。激光功率的增加必然导致样品表面温度增加，甚至损伤样品，而造成样品的拉曼信号失真。因此，如何进一步提高拉曼收集效率，仍然是光路设计的一大问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种线形聚焦拉曼散射探测头。本发明在线形聚焦模式下，通过增大光照的面积，增加了拉曼散射体积，实现增加收集拉曼信号效率。