[发明专利]一种自由空间气体拉曼散射收集装置

说明书

技术领域

本发明属于拉曼光谱技术领域，具体是一种采用抛物面反射镜和平面反射镜作为自由空间气体拉曼散射的收集装置，该装置尤其适用于微量气体成分检测。

背景技术

拉曼散射是一种光子的非弹性散射，光波在被散射后频率发生变化，频率的变化决定于散射物质的特性，因此拉曼散射在物质成分分析等方面具有广泛的应用。由于气体的碰撞截面通常较小，因此气体拉曼散射信号强度通常非常弱，入射10⁶-10¹⁰个光子，可能有一个光子发生拉曼散射，因此气体拉曼散射光信号的收集方法极为重要。

传统的气体拉曼散射收集方法主要采用基于光束多程反射的拉曼散射收集装置，通过探测激光在腔内与气体分子多次相互作用的方法来增加拉曼散射光子的数目。但该方法的散射体体积较大，要将大体积的拉曼散射信号收集到光谱仪的狭缝上去，会使得收集装置比较复杂。

1994年，Albion Instruments公司的Mitchell等人(US Patent 5521703)采用具有高反壁的空心光纤作为拉曼散射收集装置，该装置通过将半导体激光束耦合进空心光纤一端，并在空心光纤内来回反射，相应的拉曼散射光也约束在空心光纤内，并在空心光纤的另一端对拉曼散射信号进行收集。采用空心光纤约束拉曼散射信号的方法能够显著改善拉曼散射信号收集系统，但由于毛细管玻璃壁产生的拉曼散射及/或荧光(以下简称“拉曼荧光”)噪声会进入毛细管的空心区域，不可避免地形成一个连续的背景散射光谱，玻璃中氧化硅的拉曼散射截面或荧光截面远大于气体的散射截面，因此毛细管的玻璃壁会带来很宽的连续背景噪声谱，降低系统的灵敏率。虽然后续研究人员采用空间滤波的方法来对拉曼散射光进行过滤，但是同时也使装置更加复杂，不利于实际应用。

相对于实现了散射光约束的空心光纤增强拉曼散射装置，自由空间拉曼散射装置采用聚焦方式缩小散射体体积，使收集到的散射光增强，具有光路简单，调整方便等特点而得到广泛的应用。“用于气体分析的激光喇曼样品池”(公开号CN1645110A，公开日2005年01月13日)采用了通过透镜聚焦配合球面反射镜反射的自由空间气体拉曼散射装置来使激光两次激发气体，获得拉曼散射信号，并直接将光谱仪的狭缝安装在拉曼散射收集装置上，从而简化结构，但聚焦透镜的使用使该收集方法不可避免的会带来很强的背景噪声。“一种Raman光谱检测系统”(公开号102147368A，公开日2011年08月10日)中的拉曼散射收集装置同样采用了透镜和反射镜配合的方式来设计拉曼散射收集装置的光路，并利用透镜将散射收集装置中的拉曼散射信号进行准直，采用长通滤光片滤除瑞利散射后收集到光谱仪进行探测。由于装置中采用的透镜中的氧化硅拉曼荧光背景不可避免，会产生较强的背景噪声，且透镜收集的相对口径有限，不利于对弱信号的探测。

2012年，美国Kaiser公司的Tedesco等人(US Patent 007692786B2)采用了离轴抛物面反射镜配合球面镜的自由空间拉曼散射方法来收集拉曼散射信号，该方法通过采用离轴抛物面反射镜取代透镜来对探测光束聚焦，从而避免了激光与玻璃介质相互作用产生的拉曼散射背景噪声，进而提高了探测的灵敏度。该抛物面反射镜同时被用来完成对拉曼散射光的收集，但是由于该离轴抛物面反射镜口径有限，因此收集的拉曼散射信号强度有限，且离轴抛物面反射镜配合反射镜的装配比较麻烦，调整光路复杂。

发明内容

本发明提供一种自由空间气体拉曼散射收集装置，其目的在于增强气体拉曼散射收集能力，降低背景噪声，方便操作，并且能在工业现场和户外使用。

本发明提供的一种自由空间气体拉曼散射收集装置，其特征在于，该装置包括旋转抛物面反射镜和平面反射镜；旋转抛物面反射镜为抛光的高反射镜面，平面反射镜的反射面与抛物面反射镜中心轴线垂直，且旋转抛物面反射镜和平面反射镜构成作为样品池的封闭区间，在抛物面反射镜的抛物曲线顶点设有用于对样品池内被测气体进行快速更换的进气口，平面反射镜上设有用于实现探测激光入射和散射光收集的窗口；所述旋转抛物面反射镜和平面平面镜组成反射光学系统；工作时，探测激光束经所述反射光学系统反射后原路返回，从而保证抛物面反射镜的中心轴线与从窗口入射的激光束保持平行，使得散射池内拉曼散射信号得到增强，以提高散射池内散射信号的收集能力，并降低激光束反射点拉曼荧光形成的连续谱背景噪声。