拉曼信號探測系統以及方法
2023-11-12 03:11:22 3
拉曼信號探測系統以及方法
【專利摘要】本發明提供了一種拉曼信號探測系統以及方法，所述系統包括拉曼探頭、數控位移樣品臺、控制器；所述拉曼探頭安裝於數控位移樣品臺上，拉曼探頭與數控位移樣品臺可相對移動，所述拉曼探頭的信號輸出側設有光強探測單元；所述光強探測單元的輸出端連接至控制器，控制器驅動數控位移樣品臺改變測量距離，根據所述光強探測單元輸出信號的變化判斷測量距離是否最佳。所述拉曼探頭包括第一透鏡、第一濾光片、第二濾光片、第四透鏡、第三濾光片、第四濾光片、第二透鏡、光強探測單元。本發明能夠使測得的拉曼信號最大化且穩定，本發明特別適合於固體樣品測量。對表面粗糙不平的樣品進行直接檢測，而不需要樣品前處理。
【專利說明】拉曼信號探測系統以及方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及光學機械、儀器學領域，具體地，涉及一種可以調整測量距離到最佳狀態的拉曼探頭，以及在雷射拉曼光譜測量或拉曼光譜儀中使用的拉曼信號探測系統與方法。
【背景技術】
[0002]可攜式拉曼光譜儀具有體積小、速度快、現場化等優點，在藥品、食品安全、安檢等領域具有廣闊的應用前景。可攜式拉曼光譜儀一般由小型半導體雷射器、拉曼光纖探頭、光譜儀及計算機系統構成。其中，拉曼探頭的功能主要有兩方面，一方面將雷射高效傳導並聚焦於待檢測樣品，另一方面高效收集和過濾拉曼散射信號並將其傳導至光譜儀。
[0003]拉曼光譜的激發效率與雷射線寬以及能量密度等有關。為了獲得較強的拉曼信號，需要將雷射精確地對準聚焦於被測樣品以獲得較高的雷射能量密度。因此，在大型拉曼測量系統中都配置了顯微聚焦系統，操作人員藉助顯微圖像進行人工對焦。目前，商品化可攜式拉曼光譜儀系統因體積限制一般不含顯微聚焦系統，而拉曼光纖探頭僅能通過手動調節的方式對焦，操作麻煩，無法精確對焦，導致拉曼強度減弱，信號不穩定等等。
[0004]商品化的一種固定距離探頭通過在探頭前加裝固定長度套筒來固定測量距離從而確保合適的距離的新型探頭。這種探頭在一定程度上簡化了對焦操作過程，但使用這種探頭進行測量時，套筒必須與樣品進行接觸，如果樣品表面不平整，將不能精確聚焦。
【發明內容】
[0005]針對現有技術中的缺陷，本發明的目的是提供一種能夠自動調節測量距離使收集到的拉曼信號最大化的拉曼探頭、拉曼信號探測系統以及方法。
[0006]根據本發明的一個方面，提供一種拉曼探頭，所述拉曼探頭包括第一透鏡、第一濾光片、第二濾光片、第四透鏡、第三濾光片、第四濾光片、第二透鏡、光強探測單元；其中:雷射從光纖傳導進入拉曼探頭後，由第一透鏡將其變成平行光，然後經過第一濾光片對光譜進行純化處理，再經過第二濾光片透射，最後由第四透鏡將雷射聚焦於被測樣品；被測樣品被雷射激發後發生拉曼散射，散射光和反射光反方向進入拉曼探頭由第四透鏡收集，其中的拉曼散射光經過由第二濾光片及第四濾光片構成的鏡片組，再經由第二透鏡會聚耦合進入光纖，非拉曼信號光由第二濾光片及第四濾光片構成的鏡片組所阻擋抑制，因此不能到達第二透鏡，其中被樣品反射回來的雷射由第二濾光片低反射，第三濾光片高透射，進入光強探測單元；
[0007]所述光強探測單元包括:第三透鏡、小孔以及光電轉換器件，所述小孔處於第三透鏡的焦點處；第三濾光片透射的雷射經第三透鏡聚焦，會聚後再經過小孔，通過小孔照射在光電轉換器件上，被光電探測器件接收探測。
[0008]優選地，所述第二濾光片、所述第三濾光片平行設置且與光路成45°，所述第二第三濾光片為45° 二色鏡，第二、第三濾光片的作用是高透射雷射而高反射拉曼光。
[0009]根據本發明的第二方面，提供第二種拉曼探頭，所述拉曼探頭包括第一透鏡、第一濾光片、第二濾光片、第四透鏡、第三濾光片、第四濾光片、第二透鏡、光強探測單元；其中:雷射從光纖傳導進入拉曼探頭後，由第一透鏡將其變成平行光，然後經過第一濾光片對光譜進行純化處理，再依次經過與平行光呈45°設置的第二濾光片反射、最後由第四透鏡將雷射聚焦於被測樣品；被測樣品被雷射激發後發生拉曼散射，散射光和反射光反方向進入拉曼探頭由第四透鏡收集，其中的拉曼散射光透過第二濾光片，由第三濾光片反射，經過與光路垂直的第四濾光片，再經由第二透鏡會聚耦合進入光纖，非拉曼信號光由第三濾光片及第四濾光片構成的鏡片組所阻擋抑制，因此不能到達第二透鏡，其中被樣品反射回來的雷射由第二濾光片透射和第三濾光片透射，進入光強探測單元；
[0010]所述光強探測單元包括:第三透鏡、小孔以及光電轉換器件，所述小孔處於第三透鏡的焦點處；第三濾光片透射的雷射經第三透鏡聚焦，會聚後再經過小孔，通過小孔照射在光電轉換器件上，被光電探測器件接收探測。
[0011]所述第二濾光片、所述第三濾光片平行設置且與光路成45°，所述第二濾光片和第三濾光片為45° 二色鏡,第二濾光片反射雷射而透射拉曼光,第三濾光片透射雷射而反射拉曼光。
[0012]上述拉曼探頭，當被測樣品不在所述拉曼探頭的焦點處時，雷射將通過光路會聚於小孔的前方或後方處，僅小部分光能通過小孔，樣品離焦點越遠，能通過小孔的反射光越少；僅當雷射光斑正好聚焦於物體上時，反射的雷射的光斑將通過光路會聚於小孔，幾乎全部的反射光能將通過小孔，光電轉換器件接收到的光強信號最大。由於小孔的空間選擇性，在對焦狀態下，大部分能量能夠通過小孔，此時光電轉換器件得到光強最大。
[0013]根據本發明的第三方面，提供一種上述拉曼探頭組成的可自動調節測量距離到最佳狀態的拉曼信號探測系統，包括拉曼探頭、數控位移樣品臺、控制器；所述拉曼探頭安裝於數控位移樣品臺上，拉曼探頭與數控位移樣品臺可相對移動，所述拉曼探頭的信號輸出側設有光強探測單元；所述光強探測單元的輸出端連接至控制器，控制器驅動數控位移樣品臺改變測量距離，根據所述光強探測單元輸出信號的變化判斷測量距離是否最佳。
[0014]根據本發明的第四方面，提供一種拉曼信號探測方法，所述方法步驟如下:
[0015]a)將待測樣品置於數控位移樣品臺上；
[0016]b)將拉曼探頭置於數控位移樣品臺上方大於拉曼探頭焦距處；
[0017]c)打開雷射器輸出一雷射，經光纖進入拉曼探頭，由第一透鏡將其變成平行光，然後經過第一濾光片對光譜進行純化處理，再經過第二濾光片透射，最後由第四透鏡將雷射聚焦於被測樣品；
[0018]d)被測樣品被雷射激發後發生拉曼散射，散射光和反射光反方向進入拉曼探頭由第四透鏡收集，其中的拉曼散射光經過由第三濾光片及第四濾光片構成的鏡片組，再經由第二透鏡會聚耦合進入光纖；非拉曼信號光由第三濾光片及第四濾光片構成的鏡片組所阻擋抑制，因此不能到達第二透鏡，其中被樣品反射回來的雷射由第三濾光片透射後進入光強探測單元；
[0019]e)光強探測單元將信號輸出到控制器，經控制器控制數控位移樣品臺移動，直至收集到的信號最大，完成對焦。
[0020]根據本發明的第五方面，提供另一種可自動調節測量距離到最佳狀態的拉曼信號探測方法，所述方法步驟如下:
[0021]a)將待測樣品置於數控位移樣品臺上；
[0022]b)將拉曼探頭置於數控位移樣品臺上方大於拉曼探頭焦距處；
[0023]c)打開雷射器輸出一雷射，經光纖進入拉曼探頭，由第一透鏡將其變成平行光，然後經過第一濾光片對光譜進行純化處理，再經過第二濾光片反射，最後由第四透鏡將雷射聚焦於被測樣品；
[0024]d)被測樣品被雷射激發後發生拉曼散射，散射光和反射光反方向進入拉曼探頭由第四透鏡收集，其中的拉曼散射光由第二濾光片透射，經第三濾光片及第四濾光片構成的鏡片組，再經由第二透鏡會聚耦合進入光纖；非拉曼信號光由第三濾光片及第四濾光片構成的鏡片組所阻擋抑制，因此不能到達第二透鏡，其中被樣品反射回來的雷射由第二濾光片低透射再經第三濾光片高透射後進入光強探測單元；
[0025]e)光強探測單元將信號輸出到控制器，經控制器控制數控位移樣品臺移動，直至收集到的信號最大。
[0026]與現有技術相比，本發明具有如下的有益效果:
[0027]本發明中的技術創新避免了人為手動操作，能夠自動調節測量距離到最佳狀態，使拉曼信號最大化且穩定；對比於現有商品化的增加固定距離套筒的探頭，本發明技術可對表面粗糙不平的樣品進行直接檢測，而不需要樣品前處理。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0028]通過閱讀參照以下附圖對非限制性實施例所作的詳細描述，本發明的其它特徵、目的和優點將會變得更明顯:
[0029]圖1為本發明一實施例可自動調節測量距離到最佳狀態的拉曼探測裝置的結構示意圖；
[0030]圖2為本發明另一實施例可自動調節測量距離到最佳狀態的拉曼探測裝置的結構示意圖；
[0031]圖3為本發明一實施例中位移調節裝置調節流程圖；
[0032]圖4為拉曼探頭與樣品之間的距離與測得的拉曼信號強度及光強的關係曲線；
[0033]圖中:100為拉曼探頭，200為數控位移樣品臺，300為控制器；1為光纖，2為第一透鏡，3為第一濾光片，5為第四透鏡，6』、6」為第二濾光片，7』、7」為第三濾光片，8為第四濾光片，9為第二透鏡，10為光強探測單元，11為樣品，12為樣品臺，13為控制器，14為第三透鏡，15為小孔,16為光電探測器件。
【具體實施方式】
[0034]下面結合具體實施例對本發明進行詳細說明。以下實施例將有助於本領域的技術人員進一步理解本發明，但不以任何形式限制本發明。應當指出的是，對本領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明構思的前提下，還可以做出若干變形和改進。這些都屬於本發明的保護範圍。
[0035]如圖1所示，在本發明一優選實施方式中，可自動調節測量距離到最佳狀態的拉曼探測裝置包括拉曼探頭100，數控位移樣品臺200，控制器300 ;所述拉曼探頭100安裝於數控位移樣品臺200上，拉曼探頭100與數控位移樣品臺200可相對移動。
[0036]其中所述的拉曼探頭100包括第一透鏡、第一濾光片、第二濾光片、第四透鏡、第三濾光片、第四濾光片、第二透鏡、光強探測單元。
[0037]圖中:由第一透鏡2、第一濾光片3、第二濾光片6』、作為雷射聚焦用的第四透鏡5構成的傳導雷射組件一，由作為拉曼光收集用的第四透鏡5、第二濾光片6』、第三濾光片7』、第四濾光片8、第二透鏡9構成的傳導拉曼光及抑制雜散光組件二，由作為雷射準直用的第四透鏡5、第二濾光片6』、第三濾光片7』、光強探測單元10構成的雷射自動測距對焦組件三。組件一、組件二和組件三構成拉曼探頭100，所述拉曼探頭100安裝於數控位移樣品臺200上。
[0038]沿著光纖I輸出光的方向依次設置第一透鏡2、第一濾光片3、第二濾光片6』和第四透鏡5,第一透鏡2、第一濾光片3、第四透鏡5與光路垂直,第二濾光片6』與光路成45度，由樣品11散射或反射後的光反方向經過第四透鏡5後，由第二濾光片6』反射，沿第二濾光片6』反射光路方向設置第三濾光片7』、光強探測單元10，第三濾光片V與第二濾光片6』平行設置，沿著第三濾光片V反射光方向依次設置第四濾光片8、和第二透鏡9，第二透鏡9的另一側設置光纖。第四濾光片8和第二透鏡9與光路垂直，沿著第三濾光片7』的透射光路一側依次設置第三透鏡14、小孔15以及光電轉換器件16，第三透鏡14、小孔15以及光電轉換器件16構成光強探測單元10。
[0039]圖1所示的雷射輸出口置於左側通道，雷射從光纖I傳導進入拉曼探頭100後，由第一透鏡2將其變成平行光，然後經過第一濾光片3對光譜進行純化處理，經第二濾光片6』透射，最後由第四透鏡5將雷射聚焦於被測樣品；被測樣品11被雷射激發後發生拉曼散射，散射光和反射光反方向進入拉曼探頭100由第四透鏡5收集，其中的拉曼散射光經第二濾光片6』反射和第三濾光片7』反射，透過光路垂直的第四濾光片8，再經由第二透鏡9會聚耦合進入光纖，非拉曼信號光由第三濾光片V及第四濾光片8構成的鏡片組所阻擋抑制，因此不能到達第二透鏡9，其中被樣品反射回來的雷射由第三濾光片V透射，進入光強探測單元10 ；
[0040]所述光強探測單元10包括:第三透鏡14、小孔15以及光電轉換器件16，所述小孔15處於第三透鏡14的焦點處；第三濾光片7』透射的雷射經第三透鏡14聚焦，會聚後再經過小孔15，通過小孔15照射在光電轉換器件16上，被光電探測器件16接收探測。
[0041]光強探測單元10的信號經前置處理、放大、AD轉換後送至控制器300，控制器300根據信號比較判斷樣品是否在焦點處，如果不在焦點處，發出指令控制數控位移樣品臺200作相應的位移，如此反覆多次，直至樣品調節在探頭焦距處或設定的精度範圍內。同時，數控位移樣品臺200還可以進行另外兩維的調節，以使探頭工作在一個固定平面上。
[0042]如圖2所示，在本發明第二種實施方式中，拉曼探頭包括第一透鏡、第一濾光片、第二濾光片、第四透鏡、第三濾光片、第四濾光片、第二透鏡、光強探測單元；雷射輸出口垂直於左側通道，可適用於不同的安裝條件。沿著光纖I輸出光的方向依次設置第一透鏡2、第一濾光片3、第二濾光片6」,第一透鏡2、第一濾光片3與光路垂直,第二濾光片6」與光路成45度，沿第二濾光片6」的反射光路方向設置第四透鏡5，由樣品11散射或反射後的光反方向經過第四透鏡5後，由第二濾光片6」透射，沿著透射光路方向依次設置第三濾光片7」和光強探測單元10，第三濾光片7」與第二濾光片6」平行設置，沿著第三濾光片7」反射光方向依次設置第四濾光片8、和第二透鏡9，第二透鏡9的另一側設置光纖，第四濾光片8和第二透鏡9與光路垂直。沿著第三濾光片7」的透射光路一側依次設置第三透鏡14、小孔15以及光電轉換器件16，第三透鏡14、小孔15以及光電轉換器件16構成光強探測單元10。
[0043]雷射從光纖I傳導進入拉曼探頭100後，由第一透鏡2將其變成平行光，然後經過第一濾光片3對光譜進行純化處理，再經過與平行光呈45°設置的第二濾光片6」反射、最後由第四透鏡5將雷射聚焦於被測樣品；被測樣品11被雷射激發後發生拉曼散射，散射光和反射光反方向進入拉曼探頭100由第四透鏡5收集，其中的拉曼散射光透過第二濾光片6」，由第三濾光片7」反射，經過與光路垂直的第四濾光片8，再經由第二透鏡9會聚耦合進入光纖，非拉曼信號光由第三濾光片7」及第四濾光片8構成的鏡片組所阻擋抑制，因此不能到達第二透鏡9，其中被樣品反射回來的雷射由第二濾光片6」透射和第三濾光片7」透射，進入光強探測單元10。
[0044]需要注意的是，為了達到前述的功能和目的，圖1、2中採用的第二、第三濾光片的光譜特性有所區別，圖1所示濾光片6』、7』為透射雷射而反射拉曼光；圖2所示濾光片6」反射雷射而透射拉曼光，濾光片7 」透射雷射而反射拉曼光。
[0045]為了使結構更加緊湊、減少部件、降低成本，第二透鏡5同時作為組件一中的雷射聚焦透鏡、組件二中的拉曼光收集透鏡、組件三中的雷射準直透鏡，即同一個透鏡，由於光路的可逆性，該透鏡對於正方向和反方向通過它的不同類型的光所起的作用並不相同，從功能上區分為聚焦雷射、收集拉曼光和準直雷射。具體如圖1所示部件5。第四透鏡5可以與光路垂直設置，也可以其他設置方式。
[0046]如圖1所示，所述光強探測單元10包括與第四透鏡5相同焦距的第三透鏡14、小孔15以及光電轉換器件16。該光強探測單元10用以探測收集光路的光強，並將信號輸入控制器300，由控制器300調節數控位移樣品臺200，直至光強最大。具體地，傳導拉曼光及抑制雜散光組件的雷射先經過一個與第四透鏡5焦距一樣的第三透鏡14會聚後再經過小孔15，最後被光電探測器件16接收探測。所述光電轉換器件16可以採用光電池，光電二極體，PSD，C⑶或其他光強探測器件。如附圖1所示，第四透鏡5、第二濾光片6和第三濾光片7、第三透鏡14將第四透鏡5焦面圖像成像於其共軛面上及小孔14上；由於小孔的空間選擇性，在對焦狀態下，大部分能量能夠通過小孔14，此時光電探測器件16得到光強最大。
[0047]上述實施例中所述光強探測單元10的原理相同，以圖1所示實施例為例，光強探測單元10具體工作為:
[0048]a)經光路準直聚焦的雷射作用於被測樣品上；
[0049]b)經物體反射後的雷射，經第四透鏡5進行拉曼收集，透過45度放置的第二濾光片6』，並在第三濾光片7』上部分反射，反射光經第三透鏡14聚焦，通過小孔15照射在光電轉換器件16上；所述第三透鏡14與第四透鏡5焦距一致；所述小孔15處於第三透鏡14的焦點處；
[0050]c)當被測樣品不在探頭焦點處時，反射的雷射將通過光路會聚於小孔15的前方或後方處，僅小部分光能通過小孔15，樣品離焦點越遠，能通過小孔的反射光越少；僅當雷射光斑正好聚焦於物體上時(此時光斑最小，即處於對焦狀態)，反射的雷射的光斑將通過光路會聚於小孔15，幾乎全部的反射光能將通過小孔15，探測器接收到的光強信號最大。
[0051]圖2所示實施例中的光強探測單元10與上述實現基本相同，此處不再詳細說明。
[0052]在本發明另一優選實施方式中，所述數控位移樣品臺200中設有位移調節裝置和樣品臺12，該位移調節裝置是一種可在三維移動的精確調整裝置，尤其是指能在三維移動的步進電機控制或壓電陶瓷控制的三維移動裝置。由於探頭與樣品存在相對運動，可將探頭固定，樣品作三維移動，也可以反過來將樣品固定，探頭作三維運動，或者也可以採取探頭作一維運動與樣品作二維運動相結合的方式，樣品在與探頭輸出光束垂直的平面作二維相對移動的情況特別適合於需要對多個位置進行掃描檢測的情形，例如當拉曼與薄層色譜等技術進行聯用時，需要對展開在薄層板上多個位置樣品進行拉曼光譜測量。
[0053]本發明上述實施例中的可自動對焦的拉曼信號探測系統，所述位移調節裝置可與拉曼探頭100以及樣品臺12固定連接，拉曼探頭100可以與樣品臺12相對移動。
[0054]在本發明再一優選實施方式中，基於圖1所示探測裝置，其採用的可自動調節測量距離到最佳狀態的拉曼信號探測方法，步驟如下:
[0055]a)將待測樣品置於數控位移樣品臺上；
[0056]b)將拉曼探頭置於數控位移樣品臺上方大於拉曼探頭焦距處；
[0057]c)打開雷射器輸出一雷射，經光纖進入拉曼探頭，由第一透鏡將其變成平行光，然後經過第一濾光片對光譜進行純化處理，再經過第二濾光片透射，最後由第四透鏡將雷射聚焦於被測樣品；
[0058]d)被測樣品被雷射激發後發生拉曼散射，散射光和反射光反方向進入拉曼探頭由第四透鏡收集，其中的拉曼散射光經過由第三濾光片及第四濾光片構成的鏡片組，再經由第二透鏡會聚耦合進入光纖；非拉曼信號光由第三濾光片及第四濾光片構成的鏡片組所阻擋抑制，因此不能到達第二透鏡，其中被樣品反射回來的雷射由第三濾光片透射後進入光強探測單元；
[0059]e)光強探測單元將信號輸出到控制器，經控制器控制數控位移樣品臺移動，直至收集到的信號最大。
[0060]類似的，基於圖2所示的探測裝置，其採用的自動調節測量距離到最佳狀態的拉曼信號探測方法，具體步驟如下:
[0061]a)將待測樣品置於數控位移樣品臺上；
[0062]b)將拉曼探頭置於數控位移樣品臺上方大於拉曼探頭焦距處；
[0063]c)打開雷射器輸出一雷射，經光纖進入拉曼探頭，由第一透鏡將其變成平行光，然後經過第一濾光片對光譜進行純化處理，再經過第二濾光片反射，最後由第四透鏡將雷射聚焦於被測樣品；
[0064]d)被測樣品被雷射激發後發生拉曼散射，散射光和反射光反方向進入拉曼探頭由第四透鏡收集，其中的拉曼散射光由第二濾光片透射，經第三濾光片及第四濾光片構成的鏡片組，再經由第二透鏡會聚耦合進入光纖；非拉曼信號光由第三濾光片及第四濾光片構成的鏡片組所阻擋抑制，因此不能到達第二透鏡，其中被樣品反射回來的雷射由第二濾光片低透射再經第三濾光片高透射後進入光強探測單元；
[0065]e)光強探測單元將信號輸出到控制器，經控制器控制數控位移樣品臺移動，直至收集到的信號最大。
[0066]上述實施例中，控制器採用計算機實現，光電轉換器件16的信號經放大電路、AD轉換進入計算機，計算機通過運算控制位移調節裝置移動(比如機控制位移調節裝置在豎直方向推進等)，直至收集到的信號最大，此時完成對焦。
[0067]在本發明一優選實施方式中，上述探測裝置中涉及的位移調節裝置進行位移調整時按照以下步驟，如圖3所示:
[0068]a)拉曼探頭位於樣品臺外焦點距離外3_5mm處，初始光強信號為Xtl ；
[0069]b)控制位移調節裝置每向下移動一個步距，測量此時光強信號為Xi ；
[0070]c)當相鄰兩次光強信號差值X1-Xp1大於O時，繼續控制位移調節裝置移動，直至X1-X1-1小於0，位移控制器控制反向移動；
[0071]d)根據實際對焦精度，可控制步驟c)過程中X1-Xp1小於O時縮小步進值，並反覆多次，直至光強差小於設定的最小值esp。
[0072]圖4為採用本發明裝置的實驗結果:拉曼探頭100與樣品11之間的距離與測得的拉曼信號強度及光強的關係。由圖可知，光強出現極值的距離位置正是拉曼信號最大值的距離位置。
[0073]以上對本發明的具體實施例進行了描述。需要理解的是，本發明並不局限於上述特定實施方式，本領域技術人員可以在權利要求的範圍內做出各種變形或修改，這並不影響本發明的實質內容。
【權利要求】
1.一種拉曼探頭,其特徵在於,包括第一透鏡、第一濾光片、第二濾光片、第四透鏡、第三濾光片、第四濾光片、第二透鏡、光強探測單元；其中:雷射從光纖傳導進入拉曼探頭後，由第一透鏡將其變成平行光，然後經過第一濾光片對光譜進行純化處理，經第二濾光片透射，最後由第四透鏡將雷射聚焦於被測樣品；被測樣品被雷射激發後發生拉曼散射，散射光和反射光反方向進入拉曼探頭由第四透鏡收集，其中的拉曼散射光經第二濾光片反射和第三濾光片反射，透過與光路垂直的第四濾光片，再經由第二透鏡會聚耦合進入光纖，非拉曼信號光由第三濾光片及第四濾光片構成的鏡片組所阻擋抑制，因此不能到達第二透鏡，其中被樣品反射回來的雷射由第三濾光片透射，進入光強探測單元； 所述光強探測單元包括:第三透鏡、小孔以及光電轉換器件，所述小孔處於第三透鏡的焦點處；第三濾光片反射的雷射經第三透鏡聚焦，會聚後再經過小孔，通過小孔照射在光電轉換器件上，被光電探測器件接收探測。
2.根據權利要求1所述的拉曼探頭，其特徵在於，所述第二濾光片、第三濾光片為二色鏡、平行設置且與光路成45°，第二濾光片、第三濾光片均高透射雷射而高反射拉曼光。
3.—種拉曼探頭,其特徵在於,包括第一透鏡、第一濾光片、第二濾光片、第四透鏡、第三濾光片、第四濾光片、第二透鏡、光強探測單元；其中:雷射從光纖傳導進入拉曼探頭後，由第一透鏡將其變成平行光，然後經過第一濾光片對光譜進行純化處理，再依次經過與光路呈45°設置的第二濾光片反射、最後由第四透鏡將雷射聚焦於被測樣品；被測樣品被雷射激發後發生拉曼散射，散射光和反射光反方向進入拉曼探頭由第四透鏡收集，其中的拉曼散射光透過第二濾光片，由第三濾光片反射，經過與光路垂直的第四濾光片，再經由第二透鏡會聚耦合進入光纖，非拉曼信號光由第三濾光片及第四濾光片構成的鏡片組所阻擋抑制，因此不能到達第二透鏡，其中被樣品反射回來的雷射由第二濾光片透射和第三濾光片透射，進入光強探測單元； 所述光強探測單元包括:第三透鏡、小孔以及光電轉換器件，所述小孔處於第三透鏡的焦點處；第三濾光片透射的雷射經第三透鏡聚焦，會聚後再經過小孔，通過小孔照射在光電轉換器件上，被光電探測器件接收探測。
4.根據權利要求3所述的拉曼探頭，其特徵在於，所述第二、第三濾光片為二色鏡、平行設置且與光路成45°，第二濾光片高反射雷射而高透射拉曼光，第三濾光片高透射雷射而高反射拉曼光。
5.根據權利要求1-4任一項所述的拉曼探頭，其特徵在於，當被測樣品不在所述拉曼探頭的焦點處時，雷射將通過光路會聚於小孔的前方或後方處，僅小部分光能通過小孔，樣品離焦點越遠，能通過小孔的反射光越少；僅當雷射光斑正好聚焦於物體上時，反射的雷射的光斑將通過光路會聚於小孔，幾乎全部的反射光能將通過小孔，光電轉換器件接收到的光強信號最大。
6.一種包含權利要求1-5任一項所述拉曼探頭的拉曼信號探測系統，其特徵在於，所述系統包括拉曼探頭、數控位移樣品臺、控制器；所述拉曼探頭安裝於數控位移樣品臺上，拉曼探頭與數控位移樣品臺可相對移動，所述拉曼探頭的信號輸出側設有光強探測單元；所述光強探測單元的輸出端連接至控制器，控制器驅動數控位移樣品臺改變測量距離，根據所述光強探測單元輸出信號的變化判斷測量距離是否最佳。
7.根據權利要求6所述的拉曼信號探測系統，其特徵在於，所述數控位移樣品臺中設有位移調節裝置和樣品臺，該位移調節裝置是一種可在三維移動的精確調整裝置，所述位移調節裝置與拉曼探頭以及樣品臺固定連接，拉曼探頭能與樣品臺相對移動。
8.一種拉曼信號探測方法，其特徵在於所述方法步驟如下: a)將待測樣品置於數控位移樣品臺上； b)將拉曼探頭置於數控位移樣品臺上方大於拉曼探頭焦距處； c)打開雷射器輸出一雷射，經光纖進入拉曼探頭，由第一透鏡將其變成平行光，然後經過第一濾光片對光譜進行純化處理，再經過第二濾光片透射，最後由第四透鏡將雷射聚焦於被測樣品； d)被測樣品被雷射激發後發生拉曼散射，散射光和反射光反方向進入拉曼探頭由第四透鏡收集，其中的拉曼散射光由第二濾光片反射，經第三濾光片及第四濾光片構成的鏡片組，再經由第二透鏡會聚耦合進入光纖；非拉曼信號光由第三濾光片及第四濾光片構成的鏡片組所阻擋抑制，因此不能到達第二透鏡，其中被樣品反射回來的雷射由第二濾光片低反射再經第三濾光片高透射後進入光強探測單元； e)光強探測單元將信號輸出到控制器，經控制器控制數控位移樣品臺移動，直至收集到的信號最大。
9.一種拉曼信號探測方法，其特徵在於所述方法步驟如下: a)將待測樣品置於數控位移樣品臺上； b)將拉曼探頭置於數控位移樣品臺上方大於拉曼探頭焦距處； c)打開雷射器輸出一雷射，經光纖進入拉曼探頭，由第一透鏡將其變成平行光，然後經過第一濾光片對光譜進行純化處理，再經過第二濾光片反射，最後由第四透鏡將雷射聚焦於被測樣品； d)被測樣品被雷射激發後發生拉曼散射，散射光和反射光反方向進入拉曼探頭由第四透鏡收集，其中的拉曼散射光由第二濾光片透射，經第三濾光片及第四濾光片構成的鏡片組，再經由第二透鏡會聚耦合進入光纖；非拉曼信號光由第三濾光片及第四濾光片構成的鏡片組所阻擋抑制，因此不能到達第二透鏡，其中被樣品反射回來的雷射由第二濾光片低透射再經第三濾光片高透射後進入光強探測單元； 光強探測單元將信號輸出到控制器，經控制器控制數控位移樣品臺移動，直至收集到的信號最大。
10.根據權利要求8或9所述的拉曼信號探測方法，其特徵在於，所述控制器控制數控位移樣品臺移動，所述數控位移樣品臺設有位移調節裝置和樣品臺，所述位移調節裝置進行位移調整時按照以下步驟: a)拉曼探頭位於樣品臺外焦點距離外3-5_處，初始光強信號為X(l； b)控制位移調節裝置向下移動一個步距，測量此時光強信號為Xi； C)當相鄰兩次光強信號差值X1-Xg大於0時，繼續控制位移調節裝置移動，直至X1-XH小於0,位移控制器控制反向移動； d)根據實際對焦精度，可控制步驟c)過程中X1-Xg小於0時縮小步進值，並反覆多次，直至光強差小於設定的最小值esp。
【文檔編號】G01J3/44GK104316507SQ201410542095
【公開日】2015年1月28日 申請日期:2014年10月14日 優先權日:2014年10月14日
【發明者】黃梅珍, 汪洋, 孫振華, 餘鎮崗, 劉天元 申請人:上海交通大學