基于激光测距自动调焦的门控光纤拉曼光谱仪制造技术

本发明专利技术公开了一种基于激光测距自动调焦的门控光纤拉曼光谱仪，包括激光探测系统、拉曼散射光收集系统和信号触发延时及数据处理控制系统；该光纤拉曼光谱仪由脉冲激光器、环形器、第一准直器、反射棱镜、二向分色棱镜、光电探测器望远透镜系统，第二准直器，滤光片和门控光谱仪组成。本发明专利技术在一定距离内能实现直接快速检测；通过光电探测器能自动判断激光光斑是否照射到物体上实现自动延时控制；通过望远透镜系统的电控调焦装置快速实现自动调焦；同时采用了光纤传输，极大提高了设备的机械稳定性和可靠性。

Gated optical fiber Raman spectrometer based on laser range finder

The invention discloses a gated optical fiber Raman spectroscopy of laser ranging based on automatic focusing, including laser detection system, Raman scattered light collecting system and signal triggering delay and data processing control system; the fiber Raman spectrometer by pulse laser, circulator, collimator, first reflection prism, two dichroic prism and a photoelectric detector telescope lens system second, collimator, filter and gated spectrometer. The invention can realize directly at a certain distance rapid detection; through the photoelectric detector can automatically determine whether the laser beam illuminates the object to realize automatic delay control; fast automatic focusing is achieved by the electric focusing device of telescopic lens system; at the same time using optical fiber transmission, greatly improves the stability and reliability of Mechanical equipment.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及光谱测量
，具体涉及一种基于激光测距自动调焦的门控光纤拉曼光谱仪。
技术介绍
拉曼谱线是印度物理学家拉曼1928年在研究液体苯散射时首次发现的，它是一种散射光谱。当光照射到物体上时，有部分光会发生非弹性散射，散射光中除了与入射光相同的弹性成分外(瑞利散射)，还有比入射光频率增大和减小的成分，其中频率减小的成分称为斯托克斯线，频率增大的成分称为反斯托克斯线，两成分频率对称分布在激发光频率的两侧。拉曼效应这主要是由分子振动，晶格中的光学声子与激发光源相互作用的结果。当一个光子与一个分子发生相互作用时，分子吸收一个光子后进入一个不稳定的虚能态，接着会很快放射出一个光子，这时如果分子的振动或转动能级比初始的能级高，那么发射光子的频率就会比原始光子低，称为斯托克斯光，反之，分子的振动或转动能级比初始低，光子的能量会增加，频率会提高，被称为反斯托克斯光，通过拉曼光谱仪记录光子频率发生的规律的变化称为拉曼光谱。目前这些光谱仪都需要把样品放在设置好的样品室里，或者探头需要紧挨着样品以便收集足够强的拉曼散射光。这种紧贴测量方式极大限制了设备的使用。比如拉曼光谱仪不能像红外成像光谱仪那样迅速得到某一区域矿物成分的情况，另外在外星着陆器或者漫游车上如果使用拉曼光谱仪分析星球表面的物质成分时，需要额外配置机械手将样品放在样品室里，增加了操作难度。
技术实现思路
本专利技术提供一种基于激光测距自动调焦的门控光纤拉曼光谱仪，目的是通过使用长距离拉曼光谱仪，提高拉曼光谱仪的使用率和提高信噪比，能够实现长距离非采样检测。本专利技术的技术方案是：一种基于激光测距自动调焦的门控光纤拉曼光谱仪，包括包括激光探测系统、拉曼散射光收集系统和信号触发延时及数据处理控制系统。所述的激光探测系统包括激光发射探测系统和激光反射探测系统。所述的激光发射探测系统包括脉冲激光器、环形器、第一准直器、反射棱镜和二向分色棱镜。所述的激光反射系统是激光发射系统的逆向系统，激光反射系统包括所述的脉冲激光器、环形器、第一准直器、反射棱镜和二向分色棱镜还包括光电探测器。所述的拉曼散射光收集系统包括所述二向分色棱镜，望远透镜系统，第二准直器，滤光片和门控光谱仪。优选的，所述的环形器为三端口环形器，所述的光纤为对可见光损耗小的经过优化设计的特种单模光纤。所述的脉冲激光器和第一准直器分别与环形器通过光纤连接，所述的反射棱镜和第一准直器沿光路置于二向分色棱镜的反射方向，所述反射棱镜和第一准直器相对平行放置。所述样品、望远透镜系统、滤光片和第二准直器沿光路依次置于二向色分色棱镜的透射方向；所述门控光谱仪与第二准直器通过光纤连接。所述的脉冲激光器设有激光脉冲触发器，所述的光电探测器与环形器通过光纤连接，所述望远透镜系统设有电控调焦装置，所述的激光脉冲触发器、光电探测器、电控调焦装置和门控光谱仪分别与数据处理控制系统通过串行总线连接。优选的，所述门控光谱仪可以是基于光纤F-P可调滤波器扫面的光纤门控光谱仪，也可以是基于光栅色散的门控光谱仪，还可以是基于空间傅里叶变换的门控光谱仪。优选的，所述反射棱镜和二向分色棱镜可以分立安装还可以组合安装，实现对激光束的反射或透射。优选的，所述的二向分色棱镜可以是一个特制的镀膜棱镜，也可以是组装的分光系统；所述的反射棱镜是表面镀膜99％的高反射镜，所述的反射棱镜是一次等腰直角棱镜。一种基于激光测距自动调焦的门控光纤拉曼光谱仪的测距方法，所述方法包括如下步骤：1)脉冲激光器发出ns量级脉冲激光，通过环形器顺次经过第一准直器和反射棱镜，同时脉冲激光器发出一个触发电信号；2)激光束经过反射棱镜反射进入二向分色棱镜，然后经过二向分色棱镜再次反射，激光束传播方向与第一准直器发出的激光束平行同向；3)激光束到达样品表面发生反射和散射，部分瑞利散射光和反射光会沿着原光路进入环形器，通过环形器被光电探测器检测，如果探测器检测不到反射光，说明脉冲激光器光斑并未对准在待测物体表面，需要对设备方向进行调整；如果检测到反射光，数据处理系统记录到达光电探测器的时间，经过与触发信号的时间作比较得到用来开启门控光谱仪的延时参考信号，在下一次激光脉冲产生时启动门控光谱仪；4)部分拉曼散射光经过二向分色棱镜透射进入望远透镜系统，经过前段物镜收集和后端物镜汇聚到滤光片，滤光片去除部分瑞丽散射光和反射光，剩下拉曼散射光汇聚到第二准直器，通过光纤传输到门控光谱仪上；5)利用延时时间计算待测物体与门控光谱仪的距离，从而调节望远透镜系统中透镜的位置，实现自动调焦功能；6)门控光谱仪开启由步骤3)中的延时时间确定，开通时间由脉冲激光器脉冲宽度决定；7)光谱仪的读出信号被数据处理控制系统处理整理后，判断是否需要更多次数的脉冲信号。激光发射探测系统的光路是激光束进入第一准直器，将激光变成平行光进入一次等腰直角反射棱镜，经过反射棱镜反射进入二向分色棱镜，经过二向分色棱镜反射，激光束逆时针转动90°与第一准直器发出的激光束平行同向，二向分色棱镜发出的激光束到达样品。本专利技术的有益效果是：基于激光测距自动调焦的门控光钎拉曼光谱仪无需采样情况下，在一定距离内能实现直接快速检测；通过光电探测器能自动判断激光光斑是否照射到物体上实现自动延时控制；通过望远透镜系统的电控调焦装置快速实现自动调焦；采用了共轴系统，保证了进入望远透镜系统成像的光是从激光照射的样品上发出的，避免了激光光路与收集光路不一致造成散射光无法正确收集的情形；同时采用了光纤传输，这极大提高了设备的机械稳定性和可靠性。附图说明参考随附的附图，本专利技术更多的目的、功能和优点将通过本专利技术实施方式的如下描述得以阐明，其中：图1示出本专利技术基于激光测距自动调焦的门控光纤拉曼光谱仪的结构示意图；图2示出本专利技术基于激光测距自动调焦的门控光纤拉曼光谱仪实施例2的结构示意图。具体实施方式通过参考示范性实施例，本专利技术的目的和功能以及用于实现这些目的和功能的方法将得以阐明。然而，本专利技术并不受限于以下所公开的示范性实施例；可以通过不同形式来对其加以实现。说明书的实质仅仅是帮助相关领域技术人员综合理解本专利技术的具体细节。在下文中，将参考附图描述本专利技术的实施例。在附图中，相同的附图标记代表相同或类似的部件，或者相同或类似的步骤。图1为本专利技术基于激光测距自动调焦的门控光纤拉曼光谱仪的结构示意图。如图1所示，基于激光测距自动调焦的门控光纤拉曼光谱仪包括脉冲激光器101、激光脉冲触发器102、环形器103、第一准直器104、反射棱镜105、二向分色棱镜106、样品107、望远透镜系统108、滤波片109、第二准直器115、门控光谱仪110、数据处理系统111、光电探测器112、光纤113和电控调焦装置114。所述环形器103为三端口环形器，脉冲激光器101、第一准直器104和光电探测仪112分别与环形器103的端口1、端口2和端口3通过光纤连接。所述望远透镜系统108前端用于收集散射光，后端用于汇聚散射光，所述望远透镜系统108可以通过在望远镜后端接一个与光速匹配的透镜实现。所述脉冲激光器101设有激光脉冲触发器102，望远透镜系统108后端设有电控调焦装置114，所述的激光脉冲触发器102、电控调焦装置114、光电探测器112和门控光谱仪110通过串行总线与数据处本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于激光测距自动调焦的门控光纤拉曼光谱仪，包括激光探测系统、拉曼散射光收集系统和信号触发延时及数据处理控制系统；所述的激光探测系统包括激光发射探测系统和激光反射探测系统；所述的激光发射探测系统包括脉冲激光器、环形器、第一准直器、反射棱镜和二向分色棱镜；所述的激光反射系统为所述激光发射系统的逆向系统，所述激光反射系统包括所述的脉冲激光器、环形器、第一准直器、反射棱镜和所述的二向分色棱镜还包括光电探测器；所述的拉曼散射光收集系统包括所述二向分色棱镜，望远透镜系统，第二准直器，滤光片和门控光谱仪；所述的脉冲激光器和第一准直器分别与环形器通过光纤连接，所述的反射棱镜和第一准直器沿光路置于二向分色棱镜的反射方向；所述望远透镜系统、滤光片和第二准直器沿光路依次置于二向色分色棱镜的透射方向；所述门控光谱仪与第二准直器通过光纤连接；所述脉冲激光器设有激光脉冲触发器，光电探测器与环形器通过光纤连接，望远透镜系统设有电控调焦装置；所述的激光脉冲触发器、光电探测器、电控调焦装置和门控光谱仪分别与数据处理控制系统通过串行总线连接。

【技术特征摘要】
1.一种基于激光测距自动调焦的门控光纤拉曼光谱仪，包括激光探测系统、拉曼散射光收集系统和信号触发延时及数据处理控制系统；所述的激光探测系统包括激光发射探测系统和激光反射探测系统；所述的激光发射探测系统包括脉冲激光器、环形器、第一准直器、反射棱镜和二向分色棱镜；所述的激光反射系统为所述激光发射系统的逆向系统，所述激光反射系统包括所述的脉冲激光器、环形器、第一准直器、反射棱镜和所述的二向分色棱镜还包括光电探测器；所述的拉曼散射光收集系统包括所述二向分色棱镜，望远透镜系统，第二准直器，滤光片和门控光谱仪；所述的脉冲激光器和第一准直器分别与环形器通过光纤连接，所述的反射棱镜和第一准直器沿光路置于二向分色棱镜的反射方向；所述望远透镜系统、滤光片和第二准直器沿光路依次置于二向色分色棱镜的透射方向；所述门控光谱仪与第二准直器通过光纤连接；所述脉冲激光器设有激光脉冲触发器，光电探测器与环形器通过光纤连接，望远透镜系统设有电控调焦装置；所述的激光脉冲触发器、光电探测器、电控调焦装置和门控光谱仪分别与数据处理控制系统通过串行总线连接。2.根据权利要求1所述的一种基于激光测距自动调焦的门控光纤拉曼光谱仪，其特征在于，所述的环形器为三端口环形器，所述的光纤为单模光纤。3.根据权利要求1所述的一种基于激光测距自动调焦的门控光纤拉曼光谱仪，所述反射棱镜和第一准直器相对平行放置。4.根据权利要求1所述的一种基于激光测距自动调焦的门控光纤拉曼光谱仪，其特征在于，所述门控光谱仪可以是基于光纤F-P可调滤波器扫面的光纤门控光谱仪，也可以是基于光栅色散的门控光谱仪，还可以是基于空间傅里叶变换的门控光谱仪。5.根据权利要求1所述的一种...

【专利技术属性】
技术研发人员：姚齐峰，祝连庆，张雯，娄小平，董明利，李红，辛璟焘，
申请(专利权)人：北京信息科技大学，
类型：发明
国别省市：北京;11