[发明专利]基于被动Q开关的受激拉曼散射光谱仪及其在工业分子分析中的使用

摘要

本申请描述了基于用于高分辨率、实时、现场和多点工业分子分析的被动Q开关系统的受激拉曼散射(SRS)光谱仪的实施方案。

主权项

1.一种用于样本的高分辨率、实时和现场工业分子分析的受激拉曼散射(SRS)光谱仪，包括：(a)激光发生器子系统，所述激光发生器子系统包括第一激光器和第二激光器，所述第一激光器能够产生具有相对较低功率的第一激光束(泵浦信号)，所述第二激光器能够产生具有与被动Q开关晶体的输入匹配的波长的第二激光束，并且经由光纤将所述两个激光束传输到被动检测探头子系统，其中所述第一激光束与所述被动Q开关晶体之间的光谱差值波长与所述样本中目标分析物的激发拉曼波长匹配；(b)至少一个被动检测探头子系统，包括：(1)所述被动Q开关晶体，所述被动Q开关晶体能够接收所述第二激光束并从所述第二激光束产生斯托克斯信号的高功率短脉冲，以及(2)光束组合器单元，所述光束组合器单元能够将所述斯托克斯信号的所述高功率短脉冲与所述第一低功率激光束组合成混合激光束，经由光纤或通过自由空间光学器件将5％至10％的所述混合激光束(参考激光束)传输到接收器子系统，将其余90％至95％的所述混合激光束传输到包含所述样本的检测池中，并且经由另一光纤或通过自由空间光学器件将所得到的激光束进一步传输到所述接收器子系统；(c)所述接收器子系统，所述接收器子系统能够将所述参考激光束和所述所得到的激光束捕获到连接到模拟前端的光学前端上，在所述模拟前端处将所述两个激光束转换成模拟信号，将所述模拟信号转换为数字信号，改善信噪比，为所述样本生成SRS数据，并且将所述SRS数据输出到计算单元；以及(d)所述计算单元，所述计算单元能够以可读格式收集、分析和显示所述SRS数据，控制所述SRS光谱仪，计算所述样本的分子成分和所述样本中所述目标分析物的浓度，其中所述浓度通过使用浓度算法从所述SRS数据中获得，并且将获得的计算结果传输到过程控制主机系统，用于经由实时闭环或经由海量数据收集和大数据分析改进和优化过程；其中(i)所述激光发生器子系统远离所述被动检测探头系统，所述距离由所述样本的分析中的安全性和设计要求确定；(ii)所述被动检测探头子系统是纯光学的，并且不包含电子部件；(iii)所述斯托克斯信号的所述高功率短脉冲是在所述检测池附近使用所述被动Q开关晶体产生的，并且在所述检测池的出口处被滤除；(iv)所述接收器子系统相对于所述激光发生器子系统是异步的，独立于捕获所述激光束在预定义时刻检测SRS信号，从而提高整体信噪比，并且消除对来自所述激光发生器子系统的信号转导的需要；(v)所述高功率斯托克斯信号用作获取时钟，用于检测(计时)所述SRS信号和去除基础抖动，从而消除跟踪所述SRS光谱仪中的所述抖动的需要；以及(vi)所述SRS数据被收集为所述低功率泵浦信号中的丢失信号，所述低功率泵浦信号与所述高功率斯托克斯信号对称，从而消除对所述信号进行同步的需要。