[发明专利]超微量Raman-Stokes散射光传感器

说明书

超微量Raman‑Stokes散射光传感器采用高灵敏度设计，使得散射光收集率提高6个数量级，达到单光子量子级的超微量拉曼系列散射光谱检测，提供高达2000根光纤的光纤束用以改变光斑形状和聚焦散射光。设计包括：1、超微量散射光传感器设计；2、提高散射光传感灵敏度；3、椭球形及CPC聚光罩以聚集散射光；4、O‑I光纤束改变光斑形状和聚焦散射光；5、变焦、变光斑、差分、异频激发光产生及控制，以适应各种检测需要；6、直接狭缝、CPC狭缝和柱面透镜狭缝聚集形成狭缝散射光；7、提供灵活的接口和一体化结构，适合通用光谱仪；8、极大光纤束聚焦的专用设备；9、拉曼斯托克斯、拉曼反斯托克斯和瑞利三种模式散射光应用。特别适合医用IVD设备实现无损体外检测。

技术领域

本发明涉及互联网和新能源领域，尤其涉及光学量子级别的超微量散射光检测和传感器子领域，可用于医学活体检测和超微量含量的混合物质检测。

背景技术

拉曼效应Raman(英文名称：Raman scattering，中文简称：拉曼散射或拉曼效应。Chandrasekhara Venkata Raman,1888-1970，印度物理学家)作为诺贝尔奖成果，问世于1930年。拉曼效应的核心原理是指一定频率的激光照射到被检测物质时，物质中的分子与光子发生能量转移，即产生弹性碰撞散射和非弹性碰撞散射，弹性碰撞散射又称为瑞利散射(英文名称：Rayleigh scattering，中文简称：瑞利散射)，此时的散射光频率与激发光频率一致，非弹性碰撞散射又称为斯托克斯散射(英文名称：Stokes scattering，中文简称：斯托克斯散射)和反斯托克斯散射(英文名称：Anti-Stokes scattering，中文简称：反斯托克斯散射)，其中，斯托克斯散射的散射光频率低于激发光频率，而反斯托克斯散射的散射光频率高于激发光频率。瑞利散射、斯托克斯散射和反斯托克斯散射被统称为拉曼散射，在实际拉曼效应的描述中，通常所指的拉曼散射又被约定俗成地特指为Raman-Stokes和Raman-Anti-Stokes，甚至还被特指为拉曼-斯托克斯Raman-Stokes散射。本发明申请中所述拉曼散射特指拉曼-斯托克斯散射。

由于拉曼散射是基于物质分子级别的物理效应，并且每种分子都有特定的散射光光谱，被称为分子的“指纹光谱”，所以，拉曼散射可用于检测特定的物质分子。

限于当时的技术手段、对于拉曼效应的应用研究的滞后以及拉曼光谱检测设备造价的极其昂贵，长期以来，基于拉曼效应的应用，也只是近十多年才逐渐开始出现从顶尖科研机构走向普及应用的势头。据悉，以2020年统计，基于拉曼效应的各种检测设备的市场销售量，在中国也只是每年几百套，并且，其设备也只是以定性检测为主，尚未进入定量测量的程度。

现有技术的不足，究其原因分析如下：

首先，发明人认为，现有拉曼光谱检测设备的检测灵敏度低是最关键的不足。

1、基于Raman-Stokes/Raman-Anti-Stokes的散射光本身就是极微量级，通常只有入射光或者瑞利散射光的10^-6～10^-9量级，而Raman-Stokes/Raman-Anti-Stokes与Raman-Rayleigh又是同时发生的，不仅信号量极其微弱，并且信噪比也极其微弱。

2、现有技术中，检测拉曼散射都是采用单根光纤采集散射光，无论从纤芯直径还是从数值孔径看，这个步骤的散射光吸收率都是小的惊人。以常规芯径10μm、NA＝0.22的单模光纤计算，物镜直径4mm计算，单根光纤的散射光吸收率仅为6.25×10^-8，灵敏度严重不足，无法实现对于低浓度物质的监测。

3、现有技术中，光谱分析系统中，狭缝是必不可少的，从光谱检测分辨率上看，狭缝是越窄越好，通常狭缝的宽度都是在10μm～50μm之间。由于狭缝在光路上，是在上述光纤的后端，因此，又加重了散射光吸收率的降低。