拉曼信号探测系统以及方法技术方案

本发明专利技术提供了一种拉曼信号探测系统以及方法，所述系统包括拉曼探头、数控位移样品台、控制器；所述拉曼探头安装于数控位移样品台上，拉曼探头与数控位移样品台可相对移动，所述拉曼探头的信号输出侧设有光强探测单元；所述光强探测单元的输出端连接至控制器，控制器驱动数控位移样品台改变测量距离，根据所述光强探测单元输出信号的变化判断测量距离是否最佳。所述拉曼探头包括第一透镜、第一滤光片、第二滤光片、第四透镜、第三滤光片、第四滤光片、第二透镜、光强探测单元。本发明专利技术能够使测得的拉曼信号最大化且稳定，本发明专利技术特别适合于固体样品测量。对表面粗糙不平的样品进行直接检测，而不需要样品前处理。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及光学机械、仪器学领域，具体地，涉及一种可以调整测量距离到最佳状态的拉曼探头，以及在激光拉曼光谱测量或拉曼光谱仪中使用的拉曼信号探测系统与方法。
技术介绍
便携式拉曼光谱仪具有体积小、速度快、现场化等优点，在药品、食品安全、安检等领域具有广阔的应用前景。便携式拉曼光谱仪一般由小型半导体激光器、拉曼光纤探头、光谱仪及计算机系统构成。其中，拉曼探头的功能主要有两方面，一方面将激光高效传导并聚焦于待检测样品，另一方面高效收集和过滤拉曼散射信号并将其传导至光谱仪。 拉曼光谱的激发效率与激光线宽以及能量密度等有关。为了获得较强的拉曼信号，需要将激光精确地对准聚焦于被测样品以获得较高的激光能量密度。因此，在大型拉曼测量系统中都配置了显微聚焦系统，操作人员借助显微图像进行人工对焦。目前，商品化便携式拉曼光谱仪系统因体积限制一般不含显微聚焦系统，而拉曼光纤探头仅能通过手动调节的方式对焦，操作麻烦，无法精确对焦，导致拉曼强度减弱，信号不稳定等等。 商品化的一种固定距离探头通过在探头前加装固定长度套筒来固定测量距离从而确保合适的距离的新型探头。这种探头在一定程度上简化了对焦操作过程，但使用这种探头进行测量时，套筒必须与样品进行接触，如果样品表面不平整，将不能精确聚焦。
技术实现思路
针对现有技术中的缺陷，本专利技术的目的是提供一种能够自动调节测量距离使收集到的拉曼信号最大化的拉曼探头、。 根据本专利技术的一个方面，提供一种拉曼探头，所述拉曼探头包括第一透镜、第一滤光片、第二滤光片、第四透镜、第三滤光片、第四滤光片、第二透镜、光强探测单元；其中:激光从光纤传导进入拉曼探头后，由第一透镜将其变成平行光，然后经过第一滤光片对光谱进行纯化处理，再经过第二滤光片透射，最后由第四透镜将激光聚焦于被测样品；被测样品被激光激发后发生拉曼散射，散射光和反射光反方向进入拉曼探头由第四透镜收集，其中的拉曼散射光经过由第二滤光片及第四滤光片构成的镜片组，再经由第二透镜会聚耦合进入光纤，非拉曼信号光由第二滤光片及第四滤光片构成的镜片组所阻挡抑制，因此不能到达第二透镜，其中被样品反射回来的激光由第二滤光片低反射，第三滤光片高透射，进入光强探测单元； 所述光强探测单元包括:第三透镜、小孔以及光电转换器件，所述小孔处于第三透镜的焦点处；第三滤光片透射的激光经第三透镜聚焦，会聚后再经过小孔，通过小孔照射在光电转换器件上，被光电探测器件接收探测。 优选地，所述第二滤光片、所述第三滤光片平行设置且与光路成45°，所述第二第三滤光片为45° 二色镜，第二、第三滤光片的作用是高透射激光而高反射拉曼光。 根据本专利技术的第二方面，提供第二种拉曼探头，所述拉曼探头包括第一透镜、第一滤光片、第二滤光片、第四透镜、第三滤光片、第四滤光片、第二透镜、光强探测单元；其中:激光从光纤传导进入拉曼探头后，由第一透镜将其变成平行光，然后经过第一滤光片对光谱进行纯化处理，再依次经过与平行光呈45°设置的第二滤光片反射、最后由第四透镜将激光聚焦于被测样品；被测样品被激光激发后发生拉曼散射，散射光和反射光反方向进入拉曼探头由第四透镜收集，其中的拉曼散射光透过第二滤光片，由第三滤光片反射，经过与光路垂直的第四滤光片，再经由第二透镜会聚耦合进入光纤，非拉曼信号光由第三滤光片及第四滤光片构成的镜片组所阻挡抑制，因此不能到达第二透镜，其中被样品反射回来的激光由第二滤光片透射和第三滤光片透射，进入光强探测单元； 所述光强探测单元包括:第三透镜、小孔以及光电转换器件，所述小孔处于第三透镜的焦点处；第三滤光片透射的激光经第三透镜聚焦，会聚后再经过小孔，通过小孔照射在光电转换器件上，被光电探测器件接收探测。 所述第二滤光片、所述第三滤光片平行设置且与光路成45°，所述第二滤光片和第三滤光片为45° 二色镜,第二滤光片反射激光而透射拉曼光,第三滤光片透射激光而反射拉曼光。 上述拉曼探头，当被测样品不在所述拉曼探头的焦点处时，激光将通过光路会聚于小孔的前方或后方处，仅小部分光能通过小孔，样品离焦点越远，能通过小孔的反射光越少；仅当激光光斑正好聚焦于物体上时，反射的激光的光斑将通过光路会聚于小孔，几乎全部的反射光能将通过小孔，光电转换器件接收到的光强信号最大。由于小孔的空间选择性，在对焦状态下，大部分能量能够通过小孔，此时光电转换器件得到光强最大。 根据本专利技术的第三方面，提供一种上述拉曼探头组成的可自动调节测量距离到最佳状态的拉曼信号探测系统，包括拉曼探头、数控位移样品台、控制器；所述拉曼探头安装于数控位移样品台上，拉曼探头与数控位移样品台可相对移动，所述拉曼探头的信号输出侧设有光强探测单元；所述光强探测单元的输出端连接至控制器，控制器驱动数控位移样品台改变测量距离，根据所述光强探测单元输出信号的变化判断测量距离是否最佳。 根据本专利技术的第四方面，提供一种拉曼信号探测方法，所述方法步骤如下: a)将待测样品置于数控位移样品台上； b)将拉曼探头置于数控位移样品台上方大于拉曼探头焦距处； c)打开激光器输出一激光，经光纤进入拉曼探头，由第一透镜将其变成平行光，然后经过第一滤光片对光谱进行纯化处理，再经过第二滤光片透射，最后由第四透镜将激光聚焦于被测样品； d)被测样品被激光激发后发生拉曼散射，散射光和反射光反方向进入拉曼探头由第四透镜收集，其中的拉曼散射光经过由第三滤光片及第四滤光片构成的镜片组，再经由第二透镜会聚耦合进入光纤；非拉曼信号光由第三滤光片及第四滤光片构成的镜片组所阻挡抑制，因此不能到达第二透镜，其中被样品反射回来的激光由第三滤光片透射后进入光强探测单元； e)光强探测单元将信号输出到控制器，经控制器控制数控位移样品台移动，直至收集到的信号最大，完成对焦。 根据本专利技术的第五方面，提供另一种可自动调节测量距离到最佳状态的拉曼信号探测方法，所述方法步骤如下: a)将待测样品置于数控位移样品台上； b)将拉曼探头置于数控位移样品台上方大于拉曼探头焦距处； c)打开激光器输出一激光，经光纤进入拉曼探头，由第一透镜将其变成平行光，然后经过第一滤光片对光谱进行纯化处理，再经过第二滤光片反射，最后由第四透镜将激光聚焦于被测样品； d)被测样品被激光激发后发生拉曼散射，散射光和反射光反方向进入拉曼探头由第四透镜收集，其中的拉曼散射光由第二滤光片透射，经第三滤光片及第四滤光片构成的镜片组，再经由第二透镜会聚耦合进入光纤；非拉曼信号光由第三滤光片及第四滤光片构成的镜片组所阻挡抑制，因此不能到达第二透镜，其中被样品反射回来的激光由第二滤光片低透射再经第三滤光片高透射后进入光强探测单元； e)光强探测单元将信号输出到控制器，经控制器控制数控位移样品台移动，直至收集到的信号最大。 与现有技术相比，本专利技术具有如下的有益效果: 本专利技术中的技术创新避免了人为手动操作，能够自动调节测量距离到最佳状态，使拉曼信号最大化且稳定；对比于现有商品化的增加固定距离套筒的探头，本专利技术技术可对表面粗糙不平的样品进行直接检测，而不需要样品前处理。 【附图说明】 通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本专利技术的其它特征、目的和优点将会变得更明显本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种拉曼探头，其特征在于，包括第一透镜、第一滤光片、第二滤光片、第四透镜、第三滤光片、第四滤光片、第二透镜、光强探测单元；其中：激光从光纤传导进入拉曼探头后，由第一透镜将其变成平行光，然后经过第一滤光片对光谱进行纯化处理，经第二滤光片透射，最后由第四透镜将激光聚焦于被测样品；被测样品被激光激发后发生拉曼散射，散射光和反射光反方向进入拉曼探头由第四透镜收集，其中的拉曼散射光经第二滤光片反射和第三滤光片反射，透过与光路垂直的第四滤光片，再经由第二透镜会聚耦合进入光纤，非拉曼信号光由第三滤光片及第四滤光片构成的镜片组所阻挡抑制，因此不能到达第二透镜，其中被样品反射回来的激光由第三滤光片透射，进入光强探测单元；所述光强探测单元包括：第三透镜、小孔以及光电转换器件，所述小孔处于第三透镜的焦点处；第三滤光片反射的激光经第三透镜聚焦，会聚后再经过小孔，通过小孔照射在光电转换器件上，被光电探测器件接收探测。

【技术特征摘要】
1.一种拉曼探头,其特征在于,包括第一透镜、第一滤光片、第二滤光片、第四透镜、第三滤光片、第四滤光片、第二透镜、光强探测单元；其中:激光从光纤传导进入拉曼探头后，由第一透镜将其变成平行光，然后经过第一滤光片对光谱进行纯化处理，经第二滤光片透射，最后由第四透镜将激光聚焦于被测样品；被测样品被激光激发后发生拉曼散射，散射光和反射光反方向进入拉曼探头由第四透镜收集，其中的拉曼散射光经第二滤光片反射和第三滤光片反射，透过与光路垂直的第四滤光片，再经由第二透镜会聚耦合进入光纤，非拉曼信号光由第三滤光片及第四滤光片构成的镜片组所阻挡抑制，因此不能到达第二透镜，其中被样品反射回来的激光由第三滤光片透射，进入光强探测单元； 所述光强探测单元包括:第三透镜、小孔以及光电转换器件，所述小孔处于第三透镜的焦点处；第三滤光片反射的激光经第三透镜聚焦，会聚后再经过小孔，通过小孔照射在光电转换器件上，被光电探测器件接收探测。2.根据权利要求1所述的拉曼探头，其特征在于，所述第二滤光片、第三滤光片为二色镜、平行设置且与光路成45°，第二滤光片、第三滤光片均高透射激光而高反射拉曼光。3.—种拉曼探头,其特征在于,包括第一透镜、第一滤光片、第二滤光片、第四透镜、第三滤光片、第四滤光片、第二透镜、光强探测单元；其中:激光从光纤传导进入拉曼探头后，由第一透镜将其变成平行光，然后经过第一滤光片对光谱进行纯化处理，再依次经过与光路呈45°设置的第二滤光片反射、最后由第四透镜将激光聚焦于被测样品；被测样品被激光激发后发生拉曼散射，散射光和反射光反方向进入拉曼探头由第四透镜收集，其中的拉曼散射光透过第二滤光片，由第三滤光片反射，经过与光路垂直的第四滤光片，再经由第二透镜会聚耦合进入光纤，非拉曼信号光由第三滤光片及第四滤光片构成的镜片组所阻挡抑制，因此不能到达第二透镜，其中被样品反射回来的激光由第二滤光片透射和第三滤光片透射，进入光强探测单元； 所述光强探测单元包括:第三透镜、小孔以及光电转换器件，所述小孔处于第三透镜的焦点处；第三滤光片透射的激光经第三透镜聚焦，会聚后再经过小孔，通过小孔照射在光电转换器件上，被光电探测器件接收探测。4.根据权利要求3所述的拉曼探头，其特征在于，所述第二、第三滤光片为二色镜、平行设置且与光路成45°，第二滤光片高反射激光而高透射拉曼光，第三滤光片高透射激光而高反射拉曼光。5.根据权利要求1-4任一项所述的拉曼探头，其特征在于，当被测样品不在所述拉曼探头的焦点处时，激光将通过光路会聚于小孔的前方或后方处，仅小部分光能通过小孔，样品离焦点越远，能通过小孔的反射光越少；仅当激光光斑正好聚焦于物体上时，反射的激光的光斑将通过光路会聚于小孔，几乎全部的反射光能将通过小孔，光电转换器件接收到的光强信号最大。6.一种包含权利要求1-5任一项所述拉曼探头的拉曼信号探测系统，其特征在于，所述系统包括拉曼探头、数控位移样品台、控制器；所述拉曼探头安装于数控位移样品台上，拉曼探头与数控位移样品台可相对移...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄梅珍，汪洋，孙振华，余镇岗，刘天元，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：上海;31