一种简易的基于光纤的空间偏移拉曼检测系统技术方案

本发明专利技术提供一种简易的基于光纤的空间偏移拉曼检测系统，该检测系统包括激光器1、光纤探针2、光谱仪3。光纤探针2由激发光纤2001、3D打印件2002和收集光纤束2003三部分组成。激发光纤2001收集从激光器1出射的激光后于光纤端面出射，收集光纤束2003基于空间偏移拉曼理论在距激发光纤2001约3

【技术实现步骤摘要】
一种简易的基于光纤的空间偏移拉曼检测系统


[0001]本专利技术属于光纤光学领域，具体而言涉及一种简易的基于光纤的空间偏移拉曼检测系统及应用。

技术介绍

[0002]在现代生活中，原材料检测是监管食品业、制药业和化工业安全的重要方式。由于原材料在生产、运输、储存过程中容易遇到一些复杂情况，如某些原材料一旦暴露在环境大气条件下时会从空气中吸收水分或氧气、暴露在强光环境中会发生降解、原材料包装破损会导致外界污染等，因此能拥有一种无损检测原材料状态和性质的方法是非常重要的。
[0003]拉曼光谱是一种对被测物分子结构进行研究从而得到信息的高效检测方法。大部分原材料都具有特殊的拉曼光谱。拉曼光谱一般是由多个窄峰构成的，每个窄峰都对应着被测物分子的特有化学键及独特的振动模式。这样的检测原理给予了拉曼光谱极高的选择性，无论是在种类繁多的原材料检测范围内还是在分子结构极其相近的原材料测量中都可以较为准确地分辨出不同的原材料。因此，使用拉曼光谱分析技术时不需要大量原材料去建立相关光谱库，仅仅只需要小剂量的样品作为标准光谱，就能完成被测物的拉曼光谱检测。另外，用于原材料检测的拉曼检测仪器除了仪器故障外，基本不需要额外的维护保养，这大大降低了拉曼光谱仪的使用成本。由此可见，拉曼光谱技术是一种不错的无损原材料快速检测方法。
[0004]空间偏移拉曼光谱是基于拉曼散射光子迁移理论提出的，入射激光在样品表层和内部深层均能激发出拉曼散射光子，深层的散射光子相比表层更容易发生横向迁移,经过多次散射后最终到达样品表层被探测器收集。相对于激光入射点，偏移距离
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S处的拉曼散射光子来源于不同样品深度
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H。因此，在偏移入射点距离越远的样品表面区域进行信号收集，得到的拉曼光子来自深层物质的比重越大。
[0005]空间偏移拉曼光谱技术一般通过改变光学元件的位置或状态来改变空间偏移量，这就要求传统的空间偏移拉曼检测系统必须构成完整且精密的光路才能工作。因而传统空间偏移拉曼检测系统体积大、造价昂贵，不适合现场检测。光纤体积小、损耗低、重量轻、成本低廉，被逐渐用于空间偏移拉曼检测系统中。2014年，Zhiyong Wang等人利用虹膜成功制作了空间偏移量可调的机械光纤探头。在该探头中，激发光纤固定在虹膜的中心，收集光纤的空间偏移量由虹膜的移动来控制。中国专利技术专利[201510673780.0](公开日：2018.03.02)提到了一种基于傅里叶变换拉曼光谱分析方法，采用矩形对称结构的光纤探头作为新探头，其中探头的入射光纤与接收光纤平行固定，接收光纤的数量恒为入射光纤的两倍，该探头能够实现无损混合溶液的定性、定量测量。中国专利技术专利[201611020973.7](公开日：2019.05.17)提到了采用二维光栅片搭配圆环光纤来接收信号的方式，这种方法实现了空间偏移量的可连续调节。中国技术专利[202022830258.8](公开日：2021.09.21)则提供了一种基于圆形输入端到线形输出端的收集光纤束的空间偏移拉曼光谱检测系统，可有效解决常规空间偏移装置或光路中较大空间偏移位置处拉曼信号强度弱
的问题。然而，这些探头或系统在空间偏移量的精确控制上存在一些问题：要么如Wang等人无法精确定位空间偏移量，要么就是如上述专利中在探头中固定入射光纤和收集光纤的位置后无法改变空间偏移量，要么就是使用复杂的空间光路来控制偏移量。另外，在这些探头或系统中收集光纤束的数量都是固定不变的，当空间偏移距离增加时收集光纤束的收集效率将下降。
[0006]为了解决上述问题，本专利技术提出一种简易的基于光纤的空间偏移拉曼检测系统。一方面，该系统中的光纤探针通过3D打印技术即可轻松确定空间偏移量，通过收集光纤束中的插芯可实现不同空间偏移量探针的更换，从而实现空间偏移量的精确控制。另一方面，收集光纤束的设计增加了收集光纤的数量，可在空间偏移距离变化时通过不同光纤探针上的光纤数量来保持一个较为稳定的收集效率。在本专利技术中，利用光纤探针代替了复杂的空间光路，减少了聚焦透镜、带通滤波片和长通滤波片的使用，极大降低了成本，同时还具有便携、小型化、灵敏度高，并适合现场快速测试等优点。

技术实现思路

[0007]本专利技术的目的是在于提供一种简易的基于光纤的空间偏移拉曼检测系统。
[0008]一种简易的基于光纤的空间偏移拉曼检测系统包括激光器1、光纤探针2、光谱仪3。光纤探针2由激发光纤2001、3D打印件2002和收集光纤束2003三部分组成。激发光纤2001收集从激光器1出射的激光后于光纤端面出射，收集光纤束2003基于空间偏移拉曼理论在距激发光纤2001约3
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8mm位置处收集拉曼信号。
[0009]所述光纤探针2中包括激发光纤2001、3D打印件2002和收集光纤束2003。所述3D打印件2002上的圆环6、7、9、10、12、13具有近似等面积比的圆孔用于放置收集光纤束2003，数量不限于4
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9个。圆孔数量由收集光纤束2003在3D打印件2002不同圆环上的光纤所占等比面积确定。所述收集光纤束2003在3D打印件2002不同圆环上的光纤端面为陶瓷插芯或铁插芯，便于收集光纤束2003在3D打印件2002上的固定与分离。所述3D打印件2002上用于放置收集光纤束2003的圆环数量不限于1个，3D打印件2002数量不限于3个。所述3D打印件2002上的圆环数量受插芯直径和3D打印机精度的影响。
[0010]所述激发光纤2001和收集光纤束2003之间的距离由3D打印件2002确定，其不限于3
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8mm。所述3D打印件2002设计时通过模型确定激发光纤2001中心和收集光纤束2003中的光纤中心距离，这个距离即为空间偏移距离。
[0011]所述收集光纤束2003拥有在输出端呈线性排列的接头15，连接光谱仪3时与光谱仪3的入射狭缝耦合，接头的数量不低于1。或所述收集光纤束2003中的光纤16通过聚焦透镜17将收集到的拉曼信号聚焦到较粗的实芯光纤18中，实芯光纤18另一端连接光谱仪3时与光谱仪3的入射狭缝耦合，实芯光纤的数量不低于1。或所述收集光纤束2003使用熔融拉锥或光波导的方式将N根光纤19、21变成N*1的集束光纤20、22，集束光纤20、22连接光谱3仪时与光谱仪3的入射狭缝耦合，集束光纤的数量不低于1。
[0012]所述光纤探针2中的激发光纤2001与收集光纤束2003的光纤具有不同的纤芯直径和数值孔径。激发光纤2001为了使出射激光光斑尽量小，纤芯直径需不大于105um，数值孔径需不大于0.19。收集光纤束2003为了增加收集效率，单根光纤的纤芯直径需不小于200um，数值孔径需不小于0.22。收集光纤束2003在3D打印件2002每个圆环上的光纤纤芯直
径和数值孔径一致，不同圆环上的光纤纤芯直径和数值孔径可不一致。
[0013]所述光谱仪3内装有长波滤波片，用于隔绝激光器1出射的激光。该长波滤波片安装在光谱仪的入射狭缝前或者CCD本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种简易的基于光纤的空间偏移拉曼检测系统，其特征在于，包括激光器1、光纤探针2、光谱仪3。其中，所述光纤探针2由激发光纤2001、3D打印件2002和收集光纤束2003三部分组成。在此系统中，激光器1产生的激光通过光纤探针2中的激发光纤2001传输到光纤端面后照射到样品上，样品中产生的拉曼散射光由收集光纤束2003在距离激发光纤2001约3
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8mm处进行收集。收集到的拉曼散射光被传输到光谱仪3中并连接计算机进行数据处理和分析。2.根据权利要求1所述的一种简易的基于光纤的空间偏移拉曼检测系统，其特征在于：所述光纤探针2中包括激发光纤2001、3D打印件2002和收集光纤束2003。3.根据权利要求1所述的一种简易的基于光纤的空间偏移拉曼检测系统，其特征在于：所述3D打印件2002上的圆环6、7、9、10、12、13具有近似等面积比的圆孔用于放置收集光纤束2003，圆孔数量不限于4
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9个。所述3D打印件2002上用于存放收集光纤束2003的圆环数量不限于1个，3D打印件2002数量不限于3个。4.根据权利要求1所述的一种简易的基于光纤的空间偏移拉曼检测...

【专利技术属性】
技术研发人员：阮银兰，谢桂鑫，吴普洋，
申请(专利权)人：桂林电子科技大学，
类型：发明
国别省市：