[发明专利]用于激光光谱学的内窥镜浸没式探针端部光学器件

说明书

本发明涉及用于激光光谱学的内窥镜浸没式探针端部光学器件。在本公开的一个方面中，公开了改进的端部光学器件，其使聚焦在样本点处的数值孔径最大化，同时使诸如光晕等不想要伪影最小化。所述配置还在探针倾斜或弯曲的情况下维持激发/收集光束居中于物镜上。所公开的配置特别适合于其中探针与激光器/分析器之间的激发和/或收集路径通过多模光纤耦合的探针，诸如在拉曼和其它形式的激光光谱学中。本公开包括在探针头部与位于探针尖端处的聚焦物镜之间插入一个或多个附加透镜。

技术领域

本公开一般涉及激光光谱学，并且特别地涉及浸没式端部光学器件。

背景技术

对于现场拉曼监测和其它应用，需要将细长端部光学器件耦合到用于传递激光激发并收集样本光谱的探针头部。然而，使用较长探针长度会出现质量问题。特别地，难以通过长而薄的浸没式端部光学器件维持来自探针头部的光束路径的对准。难以维持光管的直度和刚度的公差，这由光束在位于探针的远端处的聚焦物镜处的光晕造成，尤其是在机械应力下。此类问题由经由粗芯多模光纤耦合到分析器的拉曼探针头部中固有的光束发散进一步加剧。

图1是从密歇根州安娜堡的Kaiser Optical Systems有限公司可得的MR型滤波光纤耦合拉曼探针头部100的横截面图。探针头部100经由筒夹110与端部光管101接口连接。针对不同应用可得到各种长度和焦点深度的不同端部光学器件，所述应用包括反应容器、自动化实验室反应器、挤压机、工艺物流等的现场插入/浸没式拉曼分析。

如以引用的方式并入本文中的美国专利No.6,907,149中所描述，经由光纤102将激光激发引入到探针头部100中，并且接着通过透镜104使其准直。准直光接着穿过带通滤波器108以从光源移除在途中生成的非激光波长。通过镜106将滤波光反射到光束组合器120上，其接着作为反向传播光束122进入端部光管101。通过位于超过端部光管101的远端的样本散射的光沿相同反向传播光束路径122返回，在反向方向上穿过光束组合器120，并且在通过透镜114聚焦到收集光纤112的端部上之前，通过任选的陷波滤波器(未示出)进行滤波。

图2是图1的探针头部端部光学器件的简化图。归因于探针头部中的光束分布和滤波功能，探针头部通常大于容许的样本接口，这可需要具有可变长度和/或大小的管以便浸没在各种样本容器中。请注意，尽管参考密封浸没式光学器件使用“管”，但所述概念可推广到用于所述光学器件的任何合适支撑件结构。输入光纤200在光纤芯的边缘处具有高数值孔径(NA)，其通过准直透镜206聚焦在无穷远处，从而在端部光学器件的管212内建立激发-收集光束210。光学器件的远端包括聚焦透镜202和窗口透镜物镜组件204，其一起在样本内的刚好在窗口204外部的焦点220(即，样本焦点220)处形成光纤的像。

光束在探针管212内的发散由光纤芯200的直径和准直透镜206的焦距确定。使用较短管，由于发散引起的光束大小膨胀受到限制，并且整个光束路径被有效地在焦点220处传输到样本中。然而，一些应用需要较长管，包括长度为500mm或更大的管。在此类长度下，如图3所描绘，光束在302处的发散致使自探针头部的光学路径对聚焦透镜202“过度填充”，这又导致光束路径被阻断，其中在样本内的样本焦点320处发生低效的聚焦或光晕。

因此，仍然需要对在用于现场光谱探针的细长端部光学器件中发生光晕的问题的解决方案。

发明内容

本公开涉及适于与光谱探针头部一起使用的端部光学器件，其包括指向准直透镜的输入光纤，所述准直透镜具有用于使反向传播激发和收集光束准直和聚焦的孔径。此类探针头部在拉曼光谱学和诸如荧光等其它领域中常见。除了最小化诸如光晕等不想要光学伪影之外，本公开的端部光学器件还在探针倾斜或弯曲时维持居中于物镜上的光束居中。本文所公开的配置特别适合于其中探针与激光器/分析器之间的激发和/或收集路径通过多模光纤耦合的探针。