超微量Raman-Stokes散射光传感器制造技术

超微量Raman

【技术实现步骤摘要】
超微量Raman
‑
Stokes散射光传感器


[0001]本专利技术涉及互联网和新能源领域，尤其涉及光学量子级别的超微量散射光检测和传感器子领域，可用于医学活体检测和超微量含量的混合物质检测。

技术介绍

[0002]拉曼效应Raman（英文名称：Raman scattering，中文简称：拉曼散射或拉曼效应。Chandrasekhara Venkata Raman, 1888
‑
1970，印度物理学家）作为诺贝尔奖成果，问世于1930年。拉曼效应的核心原理是指一定频率的激光照射到被检测物质时，物质中的分子与光子发生能量转移，即产生弹性碰撞散射和非弹性碰撞散射，弹性碰撞散射又称为瑞利散射（英文名称：Rayleigh scattering，中文简称：瑞利散射），此时的散射光频率与激发光频率一致，非弹性碰撞散射又称为斯托克斯散射（英文名称：Stokes scattering，中文简称：斯托克斯散射）和反斯托克斯散射（英文名称：Anti
‑
Stokes scattering，中文简称：反斯托克斯散射），其中，斯托克斯散射的散射光频率低于激发光频率，而反斯托克斯散射的散射光频率高于激发光频率。瑞利散射、斯托克斯散射和反斯托克斯散射被统称为拉曼散射，在实际拉曼效应的描述中，通常所指的拉曼散射又被约定俗成地特指为Raman
‑
Stokes和 Raman
‑ꢀ
Anti
‑
Stokes，甚至还被特指为拉曼
‑
斯托克斯Raman
‑
Stokes散射。本专利技术申请中所述拉曼散射特指拉曼
‑
斯托克斯散射。
[0003]由于拉曼散射是基于物质分子级别的物理效应，并且每种分子都有特定的散射光光谱，被称为分子的“指纹光谱”，所以，拉曼散射可用于检测特定的物质分子。
[0004]限于当时的技术手段、对于拉曼效应的应用研究的滞后以及拉曼光谱检测设备造价的极其昂贵，长期以来，基于拉曼效应的应用，也只是近十多年才逐渐开始出现从顶尖科研机构走向普及应用的势头。据悉，以2020年统计，基于拉曼效应的各种检测设备的市场销售量，在中国也只是每年几百套，并且，其设备也只是以定性检测为主，尚未进入定量测量的程度。
[0005]现有技术的不足，究其原因分析如下。
[0006]首先，专利技术人认为，现有拉曼光谱检测设备的检测灵敏度低是最关键的不足。
[0007]1、基于Raman
‑
Stokes/ Raman
‑ꢀ
Anti
‑
Stokes的散射光本身就是极微量级，通常只有入射光或者瑞利散射光的10
‑6～10
‑9量级，而Raman
‑
Stokes/ Raman
‑ꢀ
Anti
‑
Stokes与Raman
‑
Rayleigh又是同时发生的，不仅信号量极其微弱，并且信噪比也极其微弱。
[0008]2、现有技术中，检测拉曼散射都是采用单根光纤采集散射光，无论从纤芯直径还是从数值孔径看，这个步骤的散射光吸收率都是小的惊人。以常规芯径10μm、NA=0.22的单模光纤计算，物镜直径4mm计算，单根光纤的散射光吸收率仅为6.25
×
10
‑8，灵敏度严重不足，无法实现对于低浓度物质的监测。
[0009]3、现有技术中，光谱分析系统中，狭缝是必不可少的，从光谱检测分辨率上看，狭缝是越窄越好，通常狭缝的宽度都是在10μm～50μm之间。由于狭缝在光路上，是在上述光纤的后端，因此，又加重了散射光吸收率的降低。
[0010]从上述分析可见，现有技术使得拉曼散射光检测灵敏度极其微弱，因此，还造成了现有拉曼光谱检测设备大多用于定性检测，无法实现定量测量的弊病。此外，由于为了实现在如此微弱的灵敏度情况下实现检测，所以，对于拉曼光谱检测设备的制造就提出了非常严苛的要求，因此，使得拉曼光谱检测设备就变得十分昂贵，其造价动辄几十万元，造成了拉曼光谱检测设备无法普及应用的窘境。
[0011]其次，专利技术人认为，现有的拉曼光谱检测设备对于类似于IVD（英文名称：In Vitro Diagnostic products，缩写：IVD，中文简称：体外诊断产品）类的应用开发，也存在着严重的不足，这就是激发光光源的功率太大，通常其激光器的功率都在500mW左右，并且大多还采用聚焦方式照射到活体组织（例如皮肤、体内组织器官等），这样的功率一方面是由于现有的拉曼光谱检测设备灵敏度太低，需要加大激发光的能量，另外一方面，这样的激发光以聚焦方式照射到活体组织，将产生严重的伤害。此外，在关于激光类设备的3C标准中，500mW的功率是严格禁止的。
[0012]第三，现有拉曼光谱检测设备体积较大，不适合携带。

技术实现思路

[0013]1、基本说明。
[0014]超微量Raman
‑
Stokes散射光传感器，主要包括：散射光传感器本体、狭缝窗口、滤光镜。
[0015]所述散射光传感器本体上安装有聚光罩、检测窗口、发光器、控制电路、O
‑
I光纤束。
[0016]所述发光器受所述控制电路的控制产生激发光，所述激发光照射到处于所述检测窗口外侧的被检测物质，由所述被检测物质产生散射光，所述散射光通过所述聚光罩汇聚到所述O
‑
I光纤束的面状窗口，再由光纤编组方法依据所述面状窗口和所述狭缝窗口的位置对应关系汇聚到所述狭缝窗口输出。
[0017]所述滤光镜包括第一滤光镜和第二滤光镜。
[0018]所述第一滤光镜为带通滤光镜，安装在所述激发光到所述检测窗口的光路中，放行所述散射光中的中心频率光线，阻止所述散射光中的非中心频率光线通过。
[0019]所述第二滤光镜安装在所述O
‑
I光纤束的所述狭缝窗口，按照过滤模式过滤所述散射光。
[0020]所述控制电路接受指令，控制所述发光器产生激发光的开启、停止、输出功率调节。
[0021]这里的O
‑
I光纤束，是指光纤束的一头的光纤编组成平面的形状，全部光纤做垂直切割，形成面状窗口，用于接收由聚光罩聚集的面状散射光光斑。另外一头的光纤编组成线条状，全部光纤切割，形成条状窗口，在后续的狭缝窗口的聚光后，形成狭缝窗口，输出聚焦成条状光斑，供后续光谱仪使用。本专利技术不仅通过光纤束实现了面状光斑到狭缝光斑的转换，还能够依据两头的每根的不同光纤编组方法，实现两头光纤的一一对应，以适合不同的光谱检测需求。
[0022]2、聚光罩说明。
[0023]在前述技术方案的基础上，本专利技术包括但不限于以下步骤或步骤的组合：
所述聚光罩包括内反射腔、由所述内反射腔形成包括第一焦点的第一焦平面和包括第二焦点的第二焦平面。
[0024]在所述第一焦平面处封装对于所述激发光和所述本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.超微量Raman
‑
Stokes散射光传感器，包括：散射光传感器本体和狭缝窗口和滤光镜，所述散射光传感器本体上安装有聚光罩和检测窗口和发光器和控制电路和O
‑
I光纤束；所述发光器受所述控制电路的控制产生激发光，所述激发光照射到处于所述检测窗口外侧的被检测物质，由所述被检测物质产生散射光，所述散射光通过所述聚光罩汇聚到所述O
‑
I光纤束的面状窗口，再由光纤编组方法依据所述面状窗口和所述狭缝窗口的位置对应关系汇聚到所述狭缝窗口输出；所述滤光镜包括第一滤光镜和第二滤光镜；所述第一滤光镜为带通滤光镜，安装在所述激发光到所述检测窗口的光路中，放行所述散射光中的中心频率光线，阻止所述散射光中的非中心频率光线通过；所述第二滤光镜安装在所述O
‑
I光纤束的所述狭缝窗口，按照过滤模式过滤所述散射光；所述控制电路接受指令，控制所述发光器产生激发光的开启和停止和输出功率调节；所述聚光罩包括内反射腔和由所述内反射腔形成包括第一焦点的第一焦平面和包括第二焦点的第二焦平面。2.根据权利要求1 所述的超微量Raman
‑
Stokes散射光传感器，其特征在于：所述聚光罩包括内反射腔和由所述内反射腔形成包括第一焦点的第一焦平面和包括第二焦点的第二焦平面；所述内反射腔的形状由数学模型决定，所述内反射腔执行将所述第一焦平面处由所述被检测物质发出的散射光汇聚到所述第二焦平面的步骤；所述数学模型包括椭圆球形或椭圆槽形或复合抛物面圆桶形或复合抛物面槽形；所述椭圆球形由椭圆线条绕长轴旋转一周而成的封闭的椭球形，在椭圆的两个焦点处垂直切割形成所述第一焦平面和所述第二焦平面，保留中间部分成为反射腔体；所述椭圆槽形由椭圆线条沿椭圆面垂直平移宽度距离而成的椭圆槽形，在椭圆的两个焦点处垂直切割形成所述第一焦平面和所述第二焦平面，保留中间部分成为反射腔体；所述复合抛物面圆桶形由复合抛物面线条沿轴向旋转一周而成，将所述复合抛物面的大口作为所述第一焦平面，将所述复合抛物面的小口作为所述第二焦平面；所述复合抛物面槽形由复合抛物面线条沿所述复合抛物面垂直平移宽度距离而成，将所述复合抛物面的大口作为所述第一焦平面，将所述复合抛物面的小口作为所述第二焦平面；所述反射腔体内壁磨光或镀反光膜，以反射所述散射光；所述反射腔体包括开孔，用于所述发光器发出的激发光通过；所述聚光罩由硬质材料制成，或在所述本体上加工而成。3.根据权利要求1所述的超微量Raman
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Stokes散射光传感器，其特征在于：所述发光器包括激光器，在所述控制电路的控制下，产生包括可见光或红外光或紫外光特定波长的激发光；所述发光器还包括光学元件，执行所述激发光在所述检测窗口形成光斑的步骤，所述光学元件具体包括支架和透镜和反射镜及其组合；所述控制电路包括指令接口和处理器电路和驱动电路，以控制所述激光器工作；
所述指令接口接收所述指令，由所述处理器电路解析并驱动所述驱动电路，使得所述发光器工作的步骤；所述指令包括通信协议，包括开启激发光和关闭激发光和改变激发光输出功率；和／或，所述指令接口还包括输出控制指令控制后续光谱仪，改变所述后续光谱仪中感光器积分时间长短的步骤；和／或，所述发光器具体还包括：能够分时产生多路频率的所述激发光的单路多频激光器，或，只能产生单路频率的所述激发光的单路单频激光器，所述激发光的频率模式包括差分模式和异频模式，所述差分模式为两个频率之间相差小于1%，所述异频模式为两个频率之间相差大于10%；所述控制电路还包括控制所述发光器工作于所述差分模式或异频模式的步骤。4.根据权利要求3所述的超微量Raman
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Stokes散射光传感器，其特征在于：所述发光器还包括变焦机构；所述变焦机构在所述控制电路的控制下，通过在光轴方向上移动所述光学元件实现变焦，以实现改变所述光斑大小的步骤；所述光斑大小的改变包括分档改变或连续改变，所述分档改变包括从所述激发光聚焦至所述激发光的所述光斑扩大的一个以上档次的改变，所述连续改变包括所述激发光从聚焦成点状光斑到覆盖所述检测窗口的面状光斑的连续改变；所述指令还包括所述光斑的控制指令，以实现所述光斑大小的所述分档改变和所述连续改变；所述变焦机构包括步进电机或者超声波电机提供所述变焦的动力。5.根据权利要求3或4所述的超微量Raman
‑
Stokes散射光传感器，其特征在于：所述控制电路还包括制冷元件和温度控制电路；所述制冷元件安装在所述聚光罩或者所述散射光传感器本体上，由所述温度控制电路控制所述制冷元件，为所述聚光罩或者所述散射光传感器本体降温并控制温度；所述控制电路还包括输出温度控制状态的步骤，输出类容至少包括所述聚光罩或者所述散射光传感器本体的即时温度。6.根据权利要求1所述的超微量Raman
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Stokes散射光传感器，其特征在于：所述O
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I光纤束至少包括1根以上光纤，当光纤的根数在7根及以上时，所述O
‑
I光纤束按照所述光纤编组方法编组，两头分别构成面状窗口和狭缝窗口，并做垂直切割成面状截面和条状截面；所述面状窗口的外形包括圆形或椭圆形或正多边形，其中所述圆形或者正多边形的相切圆的直径小于或等于所述第二焦平面的直径；所述光纤包括多模光纤，纤芯直径与包层直径比大于0.2，纤芯直径介于8.0μm至2.0mm之间，数值孔径介于0.05至0.95；所述面状截面固定安装在所述第二焦平面，并且使得所述面状截面的中心点与所述第二焦点对齐，以接收所述散射光；所述O
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I光纤束的外部，采用弹簧式螺线管护套封装，以保护所述O
‑
I光纤束；和／或，
所述面状截面采用对于所述散射光透明的材料封装，以保护所述面状截面。7.根据权利要求6所述的超微量Raman
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Stokes散射光传感器，其特征在于：所述O
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I光纤束编组方法是所述O
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I光纤束中每一根所述光纤在所述面状窗口中位置与所述狭缝窗口中位置的对应方法，具体包括：...

【专利技术属性】
技术研发人员：丁贤根，汪小丹，丁远彤，
申请(专利权)人：港湾之星健康生物深圳有限公司，
类型：发明
国别省市：