使用空间输出激光器的偏振调制拉曼探头及光谱探测方法技术

本发明专利技术公开了一种使用空间输出激光器的偏振调制拉曼探头及光谱探测方法，此探头包括：空间输出激光器、光路转换装置、聚集采集装置、耦合滤光装置、光谱仪、波片；波片设置于空间输出激光器和光路转换装置之间的光路上，或者，波片设置于光路转换装置和聚集采集装置的焦点之间的光路上。本发明专利技术采用与狭缝方向平行的非轴对称空间条形光斑输出模式的激光器设计，使激光长轴方向和短轴方向的发散角与狭缝匹配，使汇聚后同样能量的激光能量由圆形区域分布变为条形区域分布，并且对激光光束进行消极化处理，可以提高光谱仪耦合效率，提高系统采集效率；降低器件及仪器的成本，提高系统的容差性能。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及激光激发光谱检测
，尤其涉及一种使用空间输出激光器的偏振调制拉曼探头及光谱探测方法。
技术介绍
拉曼光谱(Ramanspectra)，是一种散射光谱。拉曼光谱分析法是基于印度科学家C.V.拉曼(Raman)所发现的拉曼散射效应，对与入射光频率不同的散射光谱进行分析以得到分子振动、转动方面信息，并应用于分子结构研究的一种分析方法。拉曼光谱技术以其灵敏性、快速性以及操作方便等优点，在非侵入式检测领域得到了快速发展和广泛应用。基于光栅/棱镜的光谱分析仪是目前使用最为广泛的光谱探测设备，其光学结构主要包括：狭缝、准直光学系统、光栅/棱镜、收集光学系统、探测器/探测器阵列；激光器种类繁多，有半导体激光器、固体激光器、光纤激光器等；而激光器输出的激光经过多种处理后多以轴对称的平行光出射并最终汇聚成圆形光斑，最终耦合进光谱仪的激发信号的能量受限于狭缝，大部分的能量均被狭缝阻隔而无法进入后续分析系统，极大的降低的系统的采集效率。为了达到更高的效率，通常的做法是严格控制激光的发散角，使其以极小的发散角汇聚后达到尽量小的汇聚光斑，这样导致激光器的制造成本提高，极小的汇聚光斑又有能量密度过高易点燃被测样品、采样范围小不利于混合固体测量，而且系统的对焦景深小，系统容差小等问题。在偏振拉曼理论中，当电磁辐射与一系统相互作用时，偏振态常发生变化，这种现象称为退偏。在拉曼散射中，这种退偏度和分子的对称性是密切相关的。在激光拉曼光谱探测中，偏振方向平行于入射激光偏振方向的拉曼光强度记为I||，偏振方向垂直于入射激光偏振方向的拉曼强度记为I⊥，两者之比ρ＝I⊥/I||称为退偏比。如果退偏比ρ小于0.75，该振动可以被认为是偏振的，那么振动是全对称的。如果退偏比ρ等于0.75，该振动可以被认为是退偏振的，振动则是非对称的。由于激光具有极强的线偏振度，进行拉曼光谱探测时，谱峰的强度就与分子的结构及激光的偏振状态有关，偏振方向角还是一个相对量，这增加了拉曼光谱探测的随机性。除了一些专门或科研级别的拉曼光谱仪需要对偏振进行调制或使用特定偏振态的激光进行采集分析。通常，标准的拉曼采集需要消除偏振的影响，在空间输出激光器和样品之间光路中插入“扰偏”元件来去除其偏振特性，常用的扰偏器件有石英楔扰偏器和液晶扰偏器。石英楔扰偏器能将偏振光束转化为伪随机偏振光束，用伪随机来形容是因为通过扰偏器的光束并不是非偏振光；而是它的偏振态是随机的。单色光源的线偏振光经过石英楔扰偏器后，其偏振态将发生空间变化。通常扰偏器的结构由两个晶体石英楔片组成，其中一个厚度是另一个的两倍。两个楔片被一个薄金属环隔开。每个楔片的光轴垂直于楔片的平面。两个晶体石英楔片的光轴间的夹角为45度。由于该器件利用的是不同空间位置处的相位延迟的差异来打乱入射光的偏振态，故通常要求入射光斑具有一定直径(通常≥6mm)，故不适用于细小的光束的扰偏，且成本非常高。液晶扰偏器的原理和石英楔的类似，其利用不同像素点的液晶分子的偏转程度的不一致来实现不同空间位置处的相位延迟量的差异来打乱入射光的偏振态。其优点是对光束的尺寸要求相对较低，但由于液晶分子的耐光能力问题，其激光损伤阈值较低，不适于大功率激光的应用。
技术实现思路
为解决现有技术中形成圆形光斑使耦合进光谱仪的激发信号的能量受限于狭缝以及消极化处理方法成本高、不适于大功率激光的问题，本专利技术提供了一种使用空间输出激光器的偏振调制拉曼探头及光谱探测方法。本专利技术提供了一种使用空间输出激光器的偏振调制拉曼探头，包括：空间输出激光器、光路转换装置、聚集采集装置、耦合滤光装置、光谱仪、波片；所述空间输出激光器用于输出长轴方向和短轴方向发散角不一致的激光光束；所述激光光束为线偏振光；所述光路转换装置设置于所述空间输出激光器输出激光光束的输出光路上，用于对所述激光光束进行反射；所述聚集采集装置以垂直于所述光路转换装置反射的激光光束的方式设置于所述光路转换装置的一侧，用于聚集所述光路转换装置反射后的光束；所述耦合滤光装置以垂直于所述光路转换装置透射的激光光束的方式设置于所述光路转换装置的另一侧，用于将采集到的光束进行光耦合后将形成的条形光斑聚集在所述光谱仪的狭缝处；所述波片设置于所述空间输出激光器和所述光路转换装置之间的光路上，或者，所述波片设置于所述光路转换装置和所述聚集采集装置的焦点之间的光路上。上述激光激发光谱探测探头还具有以下特点：所述波片为四分之一波片，所述波片的快轴方向角θ与所述激光光束的线偏振方向角成正45度角或负45度角。上述激光激发光谱探测探头还具有以下特点：所述消极化偏振拉曼探头还包括以垂直于所述空间输出激光器输出的激光光束的方式设置于所述空间输出激光器和所述光路转换装置之间的净化滤光片；所述波片设置于所述空间输出激光器和所述光路转换装置之间的光路上包括：所述波片以垂直于所述空间输出激光器输出的激光光束的方式设置于所述空间输出激光器和所述净化滤光片之间，或者，所述波片以垂直于所述空间输出激光器输出的激光光束的方式设置于所述净化滤光片与所述光路转换装置之间。上述激光激发光谱探测探头还具有以下特点：所述波片设置于所述光路转换装置和所述聚集采集装置的焦点之间的光路上包括：所述波片以垂直于所述光路转换装置的反射激光光束的方式设置于所述光路转换装置和所述聚集采集装置之间；或者，所述波片设置于所述聚集采集装置的光束汇聚侧。上述激光激发光谱探测探头还具有以下特点：所述消极化偏振拉曼探头还包括设置于所述光路转换装置和聚集采集装置之间的陷波滤光片。本专利技术还提供了一种光谱探测方法，包括：步骤1，在所述聚集采集装置的焦点处放置样品；步骤2，使用空间输出激光器输出长轴方向和短轴方向发散角不一致的激光光束；所述激光光束为线偏振光；使激光光束经由波片透射到所述光路转换装置处；通过所述光路转换装置将激光光束反射到聚集采集装置，所述聚集采集装置将所述光路转换装置反射后的光束聚集在放置有样品的焦点处并采集从样品散射回的光束；所述光路转换装置透射从聚集采集装置透射回的光束；或者，使用空间输出激光器输出长轴方向和短轴方向发散角不一致的激光光束；所述激光光束为线偏振光；通过所述光路转换装置将激光光束进行反射，经由波片和聚集采集装置或者经由聚集采集装置和波片将所述光路转换装置反射后的激光光束聚集在放置有样品的焦点处并透射从样品散射回的光束；所述光路转换装置透射从样品散射回的光束；步骤3，所述耦合滤光装置将采集到的光束进行光耦合后将形成的条形光斑聚集在所述光谱仪的狭缝处；上述光谱探测方法还具有以下特点：所述波片为四分之一波片，所述波片的快轴方向角θ与所述激光光束的线偏振方向角成正45度角或负45度角。上述光谱探测方法还具有以下特点：所述使激光光束经由波片透射到所述光路转换装置处包括：使激光光束经由波片和净化滤光片或者经由净化滤光片和波片透射到所述光路转换装置处。上述光谱探测方法还具有以下特点：所述步骤2和步骤3之间还包括：陷波滤光片接收光路转换装置透射的光束并透射输出至所述耦合滤光装置。本专利技术采用与狭缝方向平行的非轴对称空间条形光斑输出模式的激光器设计，使激光长轴方向和短轴方向的发散角与狭缝匹配，使汇聚后同样能量的激光能量由圆形区域分布变为条形区域分布本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种使用空间输出激光器的偏振调制拉曼探头，其特征在于，包括：空间输出激光器(1)、光路转换装置(2)、聚集采集装置(3)、耦合滤光装置、光谱仪(5)、波片(6)；所述空间输出激光器(1)用于输出长轴方向和短轴方向发散角不一致的激光光束；所述激光光束为线偏振光；所述光路转换装置(2)设置于所述空间输出激光器(1)输出激光光束的输出光路上，用于对所述激光光束进行反射；所述聚集采集装置(3)以垂直于所述光路转换装置(2)反射的激光光束的方式设置于所述光路转换装置(2)的一侧，用于聚集所述光路转换装置(2)反射后的光束；所述耦合滤光装置(4)以垂直于所述光路转换装置(2)透射的激光光束的方式设置于所述光路转换装置(2)的另一侧，用于将采集到的光束进行光耦合后将形成的条形光斑聚集在所述光谱仪(5)的狭缝处；所述波片(6)设置于所述空间输出激光器(1)和所述光路转换装置(2)之间的光路上，或者，所述波片(6)设置于所述光路转换装置(2)和所述聚集采集装置(3)的焦点之间的光路上。

【技术特征摘要】
1.一种使用空间输出激光器的偏振调制拉曼探头，其特征在于，包括：空间输出激光器(1)、光路转换装置(2)、聚集采集装置(3)、耦合滤光装置、光谱仪(5)、波片(6)；所述空间输出激光器(1)用于输出长轴方向和短轴方向发散角不一致的激光光束；所述激光光束为线偏振光；所述光路转换装置(2)设置于所述空间输出激光器(1)输出激光光束的输出光路上，用于对所述激光光束进行反射；所述聚集采集装置(3)以垂直于所述光路转换装置(2)反射的激光光束的方式设置于所述光路转换装置(2)的一侧，用于聚集所述光路转换装置(2)反射后的光束；所述耦合滤光装置(4)以垂直于所述光路转换装置(2)透射的激光光束的方式设置于所述光路转换装置(2)的另一侧，用于将采集到的光束进行光耦合后将形成的条形光斑聚集在所述光谱仪(5)的狭缝处；所述波片(6)设置于所述空间输出激光器(1)和所述光路转换装置(2)之间的光路上，或者，所述波片(6)设置于所述光路转换装置(2)和所述聚集采集装置(3)的焦点之间的光路上。2.如权利要求1所述的激光激发光谱探测探头，其特征在于，所述波片(6)为四分之一波片，所述波片(6)的快轴方向角θ与所述激光光束的线偏振方向角成正45度角或负45度角。3.如权利要求1或2所述的消极化偏振拉曼探头，其特征在于，所述消极化偏振拉曼探头还包括以垂直于所述空间输出激光器(1)输出的激光光束的方式设置于所述空间输出激光器(1)和所述光路转换装置(2)之间的净化滤光片(7)；所述波片(6)设置于所述空间输出激光器(1)和所述光路转换装置(2)之间的光路上包括：所述波片(6)以垂直于所述空间输出激光器(1)输出的激光光束的方式设置于所述空间输出激光器(1)和所述净化滤光片(7)之间，或者，所述波片(6)以垂直于所述空间输出激光器(1)输出的激光光束的方式设置于所述净化滤光片(7)与所述光路转换装置(2)之间。4.如权利要求1或2所述的消极化偏振拉曼探头，其特征在于，所述波片(6)设置于所述光路转换装置(2)和所述聚集采集装置(3)的焦点之间的光路上包括：所述波片(6)以垂直于所述光路转换装置(...

【专利技术属性】
技术研发人员：熊胜军，夏征，
申请(专利权)人：北京华泰诺安探测技术有限公司，
类型：发明
国别省市：北京;11