一種自由空間氣體拉曼散射收集裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于拉曼光譜技術(shù)領(lǐng)域，具體是一種采用兩拋物面反射鏡構(gòu)成光共振腔作 為自由空間氣體的自由空間氣體拉曼散射收集裝置，該裝置尤其適用于微量氣體成分檢 測(cè)。
【背景技術(shù)】
[0002] 拉曼散射是一種光子的非彈性散射，光波在被散射后頻率發(fā)生變化，頻率變化決 定于散射物質(zhì)的特性，因此拉曼散射在物質(zhì)成分分析等方面具有廣泛的應(yīng)用。由于氣體的 碰撞截面通常較小，因此氣體拉曼散射信號(hào)強(qiáng)度通常非常弱，入射1〇 6~1〇1()個(gè)光子，可能有 一個(gè)光子發(fā)生拉曼散射，因此氣體拉曼散射光信號(hào)的收集方法極為重要。
[0003] 1994年，Albion Instruments公司的Mitchell等人（US Patent5521703)米用具有 高反壁的空心光纖作為拉曼散射收集裝置，該裝置通過將半導(dǎo)體激光束耦合進(jìn)空心光纖一 端，并在空心光纖內(nèi)來回反射，相應(yīng)的拉曼散射光也約束在空心光纖內(nèi)，并在空心光纖的另 一端對(duì)拉曼散射信號(hào)進(jìn)行收集。采用空心光纖約束拉曼散射信號(hào)的方法能夠顯著改善拉曼 散射信號(hào)收集系統(tǒng)，但由于毛細(xì)管玻璃壁產(chǎn)生的拉曼散射及/或熒光（以下簡(jiǎn)稱"拉曼熒 光"）噪聲會(huì)進(jìn)入毛細(xì)管的空心區(qū)域，不可避免地形成一個(gè)連續(xù)的背景散射光譜，玻璃中氧 化硅的拉曼散射截面或熒光截面遠(yuǎn)大于氣體的散射截面，因此毛細(xì)管的玻璃壁會(huì)帶來很寬 的連續(xù)背景噪聲譜，降低系統(tǒng)的靈敏率。雖然后續(xù)研究人員采用空間濾波的方法來對(duì)拉曼 散射光進(jìn)行過濾，但是同時(shí)也使裝置更加復(fù)雜，不利于實(shí)際應(yīng)用。
[0004] 2015年華中科技大學(xué)的左都羅等人，開發(fā)了一種應(yīng)用于微量氣體成分檢測(cè)的拉曼 散射收集裝置(公開號(hào)CN104614362A，公開日期2015年5月13日），該裝置利用拋物面鏡和平 面鏡組合作為拉曼散射的收集裝置，激光束平行于拋物面鏡光軸入射，聚焦后入射到另一 側(cè)拋物面，然后平行光軸出射，出射時(shí)遇到垂直布置的平面鏡，然后又原路反射回激光器。 激光束兩次聚焦以提高信號(hào)散射強(qiáng)度，同時(shí)激光束沒有穿透材質(zhì)，裝置自身的背景噪聲低， 但是因激光束又被反射回激光器，這將大大降低激光器的使用壽命，同時(shí)反射回來的激光 束有一小部分會(huì)直接進(jìn)入到拉曼散射光收集光路，系統(tǒng)會(huì)存在一較大的固定背景噪聲。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明提供一種自由空間氣體拉曼散射收集裝置，其目的在于增強(qiáng)氣體拉曼散射 收集能力，降低背景噪聲，方便操作，并且能在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)和戶外使用。
[0006] 本發(fā)明是采用如下技術(shù)方案
[0007] -種自由空間氣體拉曼散射收集裝置，其特征在于，包括：
[0008] 腔體工件:為一個(gè)具有空腔的本體，該空腔為樣品池，用于供氣體進(jìn)出和激光光路 多次反射，該本體兩端開口，且側(cè)壁設(shè)有與空腔連通的進(jìn)氣口和出氣口；
[0009] 第一拋物面反射鏡：與本體空腔的一端固定，且位于本體空腔內(nèi)的端面為拋光的 凹面高反射鏡面，另一端面開有激光入射至空腔內(nèi)的激光入射窗口；
[0010]第二拋物面反射鏡：與本體空腔的另一端固定，且位于本體空腔內(nèi)的端面為拋光 的凹面高反射鏡面，且該凹面高反射鏡面光軸與第一拋物面反射鏡的光軸共線，并且兩焦 點(diǎn)重合；以第二拋物面反射鏡的凹面高反射鏡面的鏡面中心分別向上和向下延伸的鏡面保 留，并至少一側(cè)挖空，且保留的鏡面的徑向水平寬度為a;挖空部分供收集拉曼散射光； [0011]激光入射窗口玻璃和拉曼散射光收集窗口玻璃:分別設(shè)置在激光入射窗口和第二 拋物面反射鏡的挖空部分，用于將收集裝置內(nèi)部空間與空氣隔斷，同時(shí)又構(gòu)成探測(cè)激光的 入射通道和產(chǎn)生的拉曼散射光輸出通道。窗口玻璃選用一種標(biāo)準(zhǔn)精度材質(zhì)的平面玻璃，可 為石英玻璃或K9玻璃;為提高光透過率，可根據(jù)實(shí)際測(cè)量時(shí)拉曼散射光波長(zhǎng)范圍在窗口玻 璃表面鍍上相應(yīng)波段的增透膜。
[0012] 兩拋物面鏡與腔體工件構(gòu)成樣品池的封閉空間。
[0013] 在上述的一種自由空間氣體拉曼散射收集裝置，以第二拋物面反射鏡的凹面高反 射鏡面的鏡面中心分別向上和向下延伸的鏡面保留，并保留鏡面的兩側(cè)全部挖空，且保留 的鏡面的徑向水平寬度為a;挖空部分供收集拉曼散射光。
[0014] 在上述的一種自由空間氣體拉曼散射收集裝置，所述的第一拋物面反射鏡和第二 拋物面反射鏡的焦距不等，共焦布置實(shí)現(xiàn)光共振。
[0015] 在上述的一種自由空間氣體拉曼散射收集裝置，所述進(jìn)出氣口徑為l_3mm。
[0016] 在上述的一種自由空間氣體拉曼散射收集裝置，所述的兩拋面鏡的口徑為1.5~2 倍的焦距大小;第一拋物面反射鏡的焦距Fi，第二拋物面反射鏡的焦距F2，數(shù)值上二者滿足 F2M = 1.1~1.2，且?2士 = 1~4mm;第一拋物面反射鏡的寬度a應(yīng)不小于激光器發(fā)出的光 束直徑Φ c;第一拋物面反射鏡上的激光入射孔中心到拋面鏡光軸的距離d，與完整拋面鏡 的口徑Ψ Di，數(shù)值上滿足大小關(guān)系：rf。警-朽*_(15。~20。）。
[0017] 本發(fā)明裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔，樣品池容積小，適用于對(duì)少量樣氣作分析。裝置收集到的拉 曼散射信號(hào)為一平行光束，可用透鏡聚焦耦合進(jìn)入光纖并傳導(dǎo)至光譜分析儀作光譜分析， 也可用包含直接耦合鏡頭的大口徑成像光譜儀進(jìn)行光譜分析。
【附圖說明】
[0018] 圖1是本發(fā)明的拉曼散射收集裝置的系統(tǒng)示意圖。
[0019] 圖2是本發(fā)明拉曼散射收集裝置的完整旋轉(zhuǎn)拋物面反射鏡中心軸線方向的觀察示 意圖。
[0020] 圖3是本發(fā)明拉曼散射收集裝置的完整旋轉(zhuǎn)拋物面反射鏡的剖視圖。
[0021 ]圖4是本發(fā)明拉曼散射收集裝置的條形拋物面反射鏡的三維模型圖。
[0022]圖5a是本發(fā)明拉曼散射收集裝置的裝配體主視結(jié)構(gòu)示意圖。
[0023]圖5b是圖5a的A-A剖視結(jié)構(gòu)示意圖。
[0024]圖6是本發(fā)明裝置對(duì)空氣拉曼信號(hào)進(jìn)行測(cè)量的結(jié)果。
[0025]圖7是左都羅等人發(fā)明的氣體拉曼散射裝置(公開號(hào)CN104614362A，公開日期2015 年5月13日）對(duì)空氣拉曼信號(hào)進(jìn)行測(cè)量的結(jié)果。
【具體實(shí)施方式】
[0026]本發(fā)明提供的拉曼散射收集裝置，主要由一完整旋轉(zhuǎn)拋物面反射鏡，一細(xì)條形旋 轉(zhuǎn)拋物面反射鏡和腔體工件構(gòu)成;兩拋物面反射鏡均為高反射鏡面，對(duì)探測(cè)激光和拉曼散 射光均有很高的反射率;完整拋物面反射鏡，條形拋物面反射鏡及腔體工件組成區(qū)間作為 本發(fā)明拉曼散射收集裝置的樣品池，腔體工件上設(shè)有進(jìn)氣口和出氣口，用于對(duì)樣品池內(nèi)的 氣體進(jìn)行快速更換;兩拋物面鏡共光軸，焦點(diǎn)重合，條形拋物面反射鏡是完整旋轉(zhuǎn)拋物面反 射鏡去除兩邊材質(zhì)加工而成，去掉部分形成的窗口用于拉曼散射光的收集。
[0027]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】作