專(zhuān)利名稱(chēng)：用于現(xiàn)場(chǎng)遙測(cè)的使用單路接收光纖的拉曼散射光探頭的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及拉曼光散射的測(cè)量裝置，具體的是一種用于現(xiàn)場(chǎng)遠(yuǎn)程遙測(cè)的使用單路接收光纖的拉曼散射測(cè)量的光探頭。
在傳統(tǒng)的拉曼光散射的測(cè)量中，測(cè)量系統(tǒng)的光學(xué)元件的相對(duì)位置是固定的，這種方式限制了使用的靈活性。光纖探頭克服了這個(gè)缺點(diǎn)，提供了一種探頭和測(cè)量系統(tǒng)分離的方式，目前在已有拉曼光譜測(cè)量中使用的光纖探頭都使用了兩路光纖(每路至少一條光纖)，一路用于從外部傳送激發(fā)光到光探頭，再由光探頭送至樣品，另一路用于將從樣品收集的散射光送回到測(cè)量?jī)x器，有兩種基本的實(shí)現(xiàn)方式。
一種是浸入式，如

圖1所示，探頭浸入樣品，從傳送光纖4射出的光6直接照射在樣品3上，被陰影區(qū)域的樣品散射的光7直接進(jìn)入接收光纖5。另一種探頭置于樣品之外，如圖2所示，它除了兩路光纖4和5之外，還使用了準(zhǔn)直透鏡9、前透鏡10、后透鏡11、雙色濾波器或全息窄帶陷波器12、窄帶通濾波器13、反射鏡14等光學(xué)元件，來(lái)自于傳送光纖4的激發(fā)光，經(jīng)準(zhǔn)直、濾波、反射再會(huì)聚到樣品3上，窄帶通濾波器13濾去傳送光纖由于受激發(fā)光照射而產(chǎn)生的拉曼散射，來(lái)自樣品的背向的散射光被透鏡10收集后經(jīng)透鏡11傳送到接收光纖5，在傳送光纖的入口處，還需要有把激發(fā)光耦合進(jìn)光纖的裝置，在接收光纖的出口處，有光纖輸出與測(cè)量?jī)x器匹配的接口。
主要的問(wèn)題是，已有技術(shù)的這兩種方式都使用兩路光纖，因?yàn)閭魉凸饫w本身會(huì)由于激發(fā)光的照射而產(chǎn)生拉曼散射，這種散射處于與樣品的拉曼散射近似相同的頻率范圍內(nèi)，它照射到樣品上，再被樣品以瑞利散射的方式散射或被樣品反射而返回到接收光纖就會(huì)成為一種背景干擾，所以在激發(fā)光路中必需使用窄帶通濾波器濾除來(lái)自于傳送光纖的拉曼散射。
為了測(cè)量拉曼散射弱的樣品，需要使用強(qiáng)的激發(fā)光，而以上所說(shuō)的來(lái)自于光纖的拉曼散射光會(huì)隨激發(fā)光強(qiáng)的增加或光纖長(zhǎng)度的增加而增加，由于拉曼散射信號(hào)約比瑞利散射信號(hào)小7個(gè)數(shù)量級(jí)，在透明樣品中未經(jīng)徹底濾掉的光纖拉曼散射作為瑞利散射返回探測(cè)系統(tǒng)就會(huì)對(duì)測(cè)量造成干擾，在不透明樣品中，這種光纖的拉曼散射被樣品反射回測(cè)量系統(tǒng)，這就使為了測(cè)量拉曼散射弱的樣品而使用強(qiáng)的激發(fā)光成為不可能，或者限制了遠(yuǎn)程拉曼光譜測(cè)量的使用距離，從而防礙了這種方法更廣泛的應(yīng)用，所以必須使用品質(zhì)很高的濾波器件，例如光柵和空間濾波器組件，或全息激光窄帶通濾波器等光學(xué)元件，這些元件總要引入光強(qiáng)的損失，并且使系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，要求高精密度的調(diào)節(jié)，且成本高。
本實(shí)用新型的目的就是要徹底解決由傳輸光纖產(chǎn)生的拉曼散射造成干擾而帶來(lái)的問(wèn)題，避免傳輸光纖的拉曼散射，并能測(cè)量弱散射樣品，放寬了對(duì)距離的限制，結(jié)構(gòu)上只使用一路光纖，簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，降低成本。
本實(shí)用新型的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的一種用于現(xiàn)場(chǎng)遙測(cè)的使用單路接收光纖的拉曼散射光探頭，由激發(fā)光源、光學(xué)元件組成，其特征在于激發(fā)光源設(shè)置于光探頭內(nèi)，光探頭的輸出端設(shè)有單路接收光纖；所述激發(fā)光源的光束經(jīng)反射鏡和前透鏡會(huì)聚于樣品，樣品的散射光經(jīng)前、后透鏡收集會(huì)聚輸入單路接收光纖傳遞給設(shè)置于遠(yuǎn)距離處的測(cè)量?jī)x器；所述激發(fā)光源可以設(shè)有導(dǎo)線與外部電源及控制線路連接。
本實(shí)用新型的目的還可以通過(guò)以下措施實(shí)現(xiàn)在所述樣品與接收光纖之間的光路上，還可以增設(shè)有濾波/檢驗(yàn)偏振的光學(xué)元件；在所述光源與樣品之間的光路上，于反射鏡之前還可以增設(shè)有起偏/旋轉(zhuǎn)偏振/光強(qiáng)調(diào)制的光學(xué)元件及相關(guān)的信號(hào)控制線。
在所述激發(fā)光源的光路上還可設(shè)有用于傳送光源至外部測(cè)量?jī)x器的另一路光源外傳光纖。
所述激發(fā)光源、反射鏡，前、后透鏡均可設(shè)置于一盒體內(nèi)，前透鏡從盒體壁露出，樣品置放于盒體之外，接收光纖從盒體壁穿出通往測(cè)量?jī)x器。所述接收光纖也可以通過(guò)安裝于盒體上的光纖接口與所述光探頭相連。
本實(shí)用新型有以下積極有益的效果與上面所提到的雙光纖探頭相比，本實(shí)用新型有如下的優(yōu)點(diǎn)1、由于將激發(fā)光源置于探頭體內(nèi)，從而省略了傳送激發(fā)光的光纖，徹底避免了光纖的拉曼散射，由此省去了濾波器件以及激發(fā)光與傳送光纖的接口，簡(jiǎn)化了結(jié)構(gòu)，減少了光能的損失，降低了成本，克服了以前方法不能測(cè)量弱散射樣品的缺點(diǎn)和對(duì)距離的限制。
2、只使用一路光纖而不是兩路，并省去了窄帶通濾波器，可以降低成本。
3、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。
4、將這種采用光纖的拉曼散射裝置，包括此探頭和后面的測(cè)量?jī)x器，與傳統(tǒng)的非光纖的拉曼散射裝置比較，它們?cè)诩ぐl(fā)樣品和收集散射光的方式上是相同的。但這種使用光纖的裝置提供了結(jié)構(gòu)的靈活性，可用于現(xiàn)場(chǎng)遙測(cè)，此探頭的前透鏡相當(dāng)于傳統(tǒng)方法的集光透鏡。這種裝置比傳統(tǒng)裝置而言只增加了后透鏡，接收光纖，和使光纖輸出與測(cè)量?jī)x器匹配的接口，如果在這三個(gè)環(huán)節(jié)上的傳輸效率都等于1，則此裝置應(yīng)該有與傳統(tǒng)拉曼光譜儀器相同的結(jié)果。事實(shí)上，由于這三個(gè)環(huán)節(jié)的不完善，效率總會(huì)小于1，具體數(shù)據(jù)依賴(lài)于系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，元件以及安裝調(diào)整的質(zhì)量。
5、本實(shí)用新型也可用于拉曼光譜以外的其他種類(lèi)的光譜測(cè)量，如螢光光譜等。
本說(shuō)明書(shū)有以下附圖
圖1是已有技術(shù)中浸入式兩路光纖光探頭的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2是已有技術(shù)中將探頭置于樣品外的兩路光纖光探頭的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3是本實(shí)用新型的單路光纖光探頭的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖4同圖3，為另一實(shí)施例。
圖5同圖3，為又一實(shí)施例。
圖6為本實(shí)用新型又一實(shí)施例。
附圖編號(hào)1．光源 2．測(cè)量?jī)x器 3．樣品4．傳送光纖 5．接收光纖 6．照射光7．散射光 8．容器 9．準(zhǔn)直透鏡10．前透鏡 11．后透鏡12．雙色濾波器/全息窄帶陷波器13．窄帶通濾光器14．反射鏡15．反射鏡16．濾波光學(xué)元件 17．檢驗(yàn)偏振的光學(xué)元件18．起偏光學(xué)元件 19．旋轉(zhuǎn)偏振光學(xué)元件20．光強(qiáng)調(diào)制元件 21．光源外傳光纖22．盒體圖1、圖2所示已有技術(shù)已敘述于前。
圖3示本實(shí)用新型現(xiàn)場(chǎng)遙測(cè)的使用單路接收光纖的拉曼散射光探頭，其構(gòu)造包括它由激發(fā)光源1、前透鏡10，反射鏡14、小截面的反射鏡15，接收光纖5、后透鏡11組成，樣品3置放于前透鏡10的前方。
其組合位置是激發(fā)光源1的照射光束6經(jīng)設(shè)置于光束前方且與光束斜置的反射鏡14和小截面反射鏡15的反射會(huì)聚于前透鏡10，經(jīng)前透鏡10會(huì)聚于樣品3，樣品3的散射光束7被收集后前透鏡10平行傳遞到后透鏡11，后透鏡11將散射光束7收集會(huì)聚為一束進(jìn)入傳遞光纖5輸往測(cè)量?jī)x器2。
實(shí)施時(shí)，所述透鏡10、11可以是單片的透鏡，也可以是透鏡組。
本實(shí)用新型是一種新式的探頭結(jié)構(gòu)，特點(diǎn)是使用小型的光源，將探頭的光學(xué)系統(tǒng)和光源集成為一體，僅使用一路光纖傳送探頭從樣品接收的散射光信號(hào)，圖3是其基本結(jié)構(gòu)，它由激發(fā)光源1，會(huì)聚激發(fā)光源于樣品3并同時(shí)收集來(lái)自于樣品的散射光的前透鏡10，將激發(fā)光傳到前透鏡的反射鏡14、15，將散射光7會(huì)聚于接收光纖的后透鏡11組成，采用小型的激發(fā)光源以使探頭小型化，如半導(dǎo)體激光器泵浦的倍頻YAG激光器或各種形式的半導(dǎo)體激光器或其它小型的激光器，來(lái)自于光源的窄光束經(jīng)反射鏡14、15反射后再經(jīng)前透鏡10會(huì)聚于樣品3上，前透鏡10收集樣品的散射光，收集的散射光再經(jīng)后透鏡11會(huì)聚于接收光纖5，并經(jīng)光纖傳送到測(cè)量?jī)x器。所述反射鏡15采用小截面的反射鏡是為了不遮擋收集到的散射光，也可以在使用擴(kuò)展光束的情況下采用對(duì)激發(fā)光反射和對(duì)拉曼散射光透射的大截面的濾波片的結(jié)構(gòu)?？捎赏饷娼尤牍庠吹碾娫淳€和其它各種控制信號(hào)。
實(shí)施時(shí)，在圖3所示的基本光路中，還可以插入其他需要的光學(xué)元件。
圖4為插入其它光學(xué)元件的實(shí)施例在所述樣品3與接收光纖5之間的光路上，還可以增設(shè)有濾波光學(xué)元件16，檢驗(yàn)偏振的光學(xué)元件17；在所述光源1與樣品3之間的光路上，于反射鏡14或15之前還可以增設(shè)有起偏光學(xué)元件18，旋轉(zhuǎn)偏振的光學(xué)元件19，光強(qiáng)調(diào)制的光學(xué)元件20，及相關(guān)的信號(hào)控制線。
在圖5所示實(shí)施例中，在所述激發(fā)光源的光路上還設(shè)有用于傳送光源至外部測(cè)量?jī)x器的另一路光源外傳光纖21。
請(qǐng)參照?qǐng)D6，實(shí)施時(shí)，也可以將激發(fā)光源1直接照射反射鏡15而無(wú)需設(shè)置反射鏡14。
在圖3所示實(shí)施例中，所述激發(fā)光源1、反射鏡14、15，前、后透鏡10、11設(shè)置于一盒體22內(nèi)，前透鏡10從盒體22前壁露出，樣品3置放于盒體22之外，接收光纖5從盒體22壁穿出通往測(cè)量?jī)x器2。
本實(shí)用新型的一個(gè)具體實(shí)施的例子，可采用半導(dǎo)體激光泵浦的倍頻YAG激光器，輸出波長(zhǎng)為532納米，40毫瓦的連續(xù)光，光束經(jīng)截面為2×2平方毫米的反射鏡15送至前透鏡再會(huì)聚于樣品上，前透鏡直徑30毫米，焦距為80毫米。后透鏡直徑30毫米，焦距為50毫米。光纖直徑200微米，長(zhǎng)若千米，光纖輸出經(jīng)焦距50毫米的透鏡耦合于光譜儀。
雖然以上敘述集中于拉曼光譜，實(shí)施時(shí)，本實(shí)用新型也可以用于其他種類(lèi)的光譜測(cè)量如螢光光譜等。
權(quán)利要求1.一種用于現(xiàn)場(chǎng)遙測(cè)的使用單路接收光纖的拉曼散射光探頭，由激發(fā)光源、光學(xué)元件組成，其特征在于激發(fā)光源設(shè)置于光探頭內(nèi)，光探頭設(shè)有與異地的測(cè)量?jī)x器連接的單路接收光纖；所述激發(fā)光源的光束經(jīng)反射鏡和前透鏡會(huì)聚于樣品，樣品的散射光經(jīng)前、后透鏡收集會(huì)聚輸入單路接收光纖傳遞給設(shè)置于遠(yuǎn)距離處的測(cè)量?jī)x器。
2.如權(quán)利要求1所述的用于現(xiàn)場(chǎng)遙測(cè)的使用單路接收光纖的拉曼散射光探頭，其特征在于在所述樣品與接收光纖之間的光路上，于后透鏡之前還可以增設(shè)有濾波/檢驗(yàn)偏振的光學(xué)元件；在所述光源與樣品之間的光路上，于反射鏡之前還可以增設(shè)有起偏/旋轉(zhuǎn)偏振/光強(qiáng)調(diào)制的光學(xué)元件及相關(guān)的信號(hào)控制線。
3.如權(quán)利要求1所述的用于現(xiàn)場(chǎng)遙測(cè)的使用單路接收光纖的拉曼散射光探頭，其特征在于在所述激發(fā)光源的光路上還設(shè)有用于傳送光源至外部測(cè)量?jī)x器的另一路光源外傳光纖。
4.如權(quán)利要求1所述的用于現(xiàn)場(chǎng)遙測(cè)的使用單路接收光纖的拉曼散射光探頭，其特征在于所述激發(fā)光源、反射鏡，前、后透鏡均設(shè)置于一盒體內(nèi)，前透鏡從盒體前壁露出，樣品置放于盒體之外，接收光纖從盒體壁穿出通往測(cè)量?jī)x器。
5.如權(quán)利要求1所述的用于現(xiàn)場(chǎng)遙測(cè)的使用單路接收光纖的拉曼散射光探頭，其特征在于所述激發(fā)光源有導(dǎo)線與外部電源及控制線路連接。
專(zhuān)利摘要一種用于現(xiàn)場(chǎng)遙測(cè)的使用單路接收光纖的拉曼散射光探頭,其激發(fā)光源設(shè)置于光探頭內(nèi),光探頭的輸出端設(shè)有單路接收光纖,激發(fā)光源的光束經(jīng)反射鏡和前透鏡會(huì)聚于樣品,樣品的散射光經(jīng)前、后透鏡收集會(huì)聚輸入單路接收光纖,本實(shí)用新型徹底解決了已有技術(shù)中光纖拉曼散射光探頭由傳輸光纖產(chǎn)生的拉曼散射造成干擾而帶來(lái)的問(wèn)題,避免了傳輸光纖的拉曼散射,并能測(cè)量弱散射的樣品,延長(zhǎng)了使用距離,只使用一路光纖,簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu),降低成本。
文檔編號(hào)G01N21/65GK2323371SQ9820083
公開(kāi)日1999年6月9日 申請(qǐng)日期1998年1月26日 優(yōu)先權(quán)日1998年1月26日
發(fā)明者杜為民, 周赫田, 王晶晶 申請(qǐng)人:北京大學(xué)