拉曼光譜檢測設備和拉曼光譜檢測設備的安全監控方法與流程

2023-05-04 04:16:17 4

本發明的實施例涉及拉曼光譜檢測領域，尤其涉及一種拉曼光譜檢測設備和拉曼光譜檢測設備的安全監控方法。

背景技術：

拉曼光譜分析技術是一種以拉曼散射效應為基礎的非接觸式光譜分析技術，它能對物質的成分進行定性、定量分析。拉曼光譜是一種分子振動光譜，它可以反映分子的指紋特徵，可用於對物質的檢測。拉曼光譜檢測通過檢測待測物對於激發光的拉曼散射效應所產生的拉曼光譜來檢測和識別物質。拉曼光譜檢測方法已經廣泛應用於液體安檢、珠寶檢測、爆炸物檢測、毒品檢測、藥品檢測等領域。

近年來，拉曼光譜分析技術在危險品檢查和物質識別等領域得到了廣泛的應用。在物質識別領域，由於各種物質的顏色、形狀各異，人們通常無法準確判斷物質的屬性，而拉曼光譜由被檢物的分子能級結構決定，因而拉曼光譜可作為物質的「指紋」信息，用於物質識別。因此拉曼光譜分析技術在海關、公共安全、食品藥品、環境等領域有廣泛應用。

技術實現要素：

為了至少部分地環節現有技術中的一個或多個問題，提出了一種安全性更高的拉曼光譜檢測設備和拉曼光譜檢測設備的安全監控方法。

本發明的實施例提供了一種拉曼光譜檢測設備，包括：

雷射器，用於發射激發光；

光學裝置，用於將所述激發光引導至待測樣品和收集來自所述待測樣品的光信號；

光譜儀，用於對接收的光信號進行分光以生成待測樣品的拉曼光譜；以及

安全探測器，用於檢測所述待測樣品發出的紅外光。

在一實施例中，所述光學裝置包括：

拉曼光信號收集光路，用於收集來自所述待測樣品的拉曼光信號，其中，在所述拉曼光路信號收集光路中設置有第一分光鏡，所述第一分光鏡布置成從拉曼光路信號收集光路中形成紅外輻射支路，以將來自待測樣品的光中的紅外光朝向安全探測器引導。

在一實施例中，所述第一分光鏡為短通二向色鏡，所述短通二向色鏡設置成將波長大於預定波長的光朝向安全探測器反射，而使波長小於該預定波長的光透射通過所述短通二向色鏡，所述預定波長在700納米至300微米之間。

在一實施例中，所述第一分光鏡設置成將一部分光朝向安全檢測探測器反射，而將另一部分光朝向光譜儀透射。

在一實施例中，所述拉曼光信號收集光路中還包括：

第一會聚透鏡，所述第一會聚透鏡用於將激發光會聚到待測樣品並收集來自待測樣品的光信號；

第二會聚透鏡，所述第二會聚透鏡用於將收集來的光信號會聚到光譜儀；以及

第二分光鏡，所述第二分光鏡在所述拉曼光信號收集光路中位於第一分光鏡和第二會聚透鏡之間或位於第一分光鏡和第一會聚透鏡之間，布置成用於將來自於雷射器的激發光向所述第一會聚透鏡反射並使由第一會聚透鏡收集的來自待測樣品的反射光的至少一部分透射通過以射向所述第二會聚透鏡。

在一實施例中，所述第二分光鏡為長通二向色鏡。

在一實施例中，所述拉曼光信號收集光路中還設置有長通濾波片或陷波濾波片，所述長通濾波片或陷波濾波片位於所述第一分光鏡的下遊，用於濾除經過第一分光鏡之後的光信號中的瑞利光。

在一實施例中，所述拉曼光信號收集光路中還設置有長通濾波片或陷波濾波片，所述長通濾波片或陷波濾波片位於所述待測樣品和光譜儀之間，用於濾除光信號中的瑞利光。

在一實施例中，所述光學裝置包括：

拉曼光信號收集光路，用於收集來自所述待測樣品的拉曼光信號；以及

紅外光收集光路，用於收集來自所述待測樣品的紅外光，所述紅外光收集光路完全獨立於所述拉曼光信號收集光路。

在一實施例中，所述拉曼光譜檢測設備還包括控制器，所述控制器接收所述安全探測器的檢測結果並向所述雷射器發送控制信號，所述控制器配置成在由安全探測器檢測到的紅外光的輻射能量超過預定閾值時減小雷射器的功率或關斷雷射器。

在一實施例中，所述光學裝置集成在光纖探頭中，所述雷射器發出的激發光通過導入光纖導入所述光纖探頭，所述光纖探頭通過收集光纖將收集到的拉曼光信號傳送至光譜儀。

本發明的實施例提供一種拉曼光譜檢測設備的安全監控方法，包括：

由雷射器發射激發光；

將所述激發光引導至待測樣品和收集來自所述待測樣品的拉曼光信號；以及

由安全探測器檢測所述待測樣品發出的紅外光的輻射能量以監控所述待測樣品的溫度。

在一實施例中，所述安全監控方法還包括：

在所述待測樣品的溫度大於預定閾值時減小雷射器的功率或關斷雷射器。

在一實施例中，所述安全監控方法還包括：

在雷射器發射激發光持續一預定時間段後關斷雷射器，並根據待測樣品在該預定時間段中的溫度變化來確定待測樣品的安全性。

藉助於根據上述實施例的拉曼光譜檢測設備以及監控方法，能夠防止在拉曼光譜檢測過程中因為樣品過熱損毀而導致安全性問題。

附圖說明

為了更好的理解本發明，將根據以下附圖對本發明的實施例進行描述：

圖1示出了根據本發明一實施例的拉曼光譜檢測設備的示意圖；

圖2示出了根據本發明另一實施例的拉曼光譜檢測設備的示意圖；

圖3示出了根據本發明又一實施例的拉曼光譜檢測設備的示意圖；

圖4示出了根據本發明再一實施例的拉曼光譜檢測設備的示意圖；

圖5示出了根據本發明另一實施例的拉曼光譜檢測設備的示意圖；

圖6示出了根據本發明一實施例的拉曼光譜檢測設備的安全監控方法的流程圖；以及

圖7示出了根據本發明另一實施例的拉曼光譜檢測設備的示意圖。

附圖沒有對實施例的所有電路或結構進行顯示。貫穿所有附圖相同的附圖標記表示相同或相似的部件或特徵。

具體實施方式

下面通過實施例，並結合附圖，對本發明的技術方案作進一步具體的說明。在說明書中，相同或相似的附圖標號表示相同或相似的部件。下述參照附圖對本發明實施方式的說明旨在對本發明的總體發明構思進行解釋，而不應當理解為對本發明的一種限制。

根據本發明的總體構思，提供一種拉曼光譜檢測設備，包括：雷射器，用於發射激發光；光學裝置，用於將所述激發光引導至待測樣品和收集來自所述待測樣品的光信號；光譜儀，用於對接收的光信號進行分光以生成待測樣品的拉曼光譜；以及安全探測器，用於檢測所述待測樣品發出的紅外光。

另外，在下面的詳細描述中,為便於解釋,闡述了許多具體的細節以提供對本披露實施例的全面理解。然而明顯地，一個或更多個實施例在沒有這些具體細節的情況下也可以被實施。在其他情況下，公知的結構和裝置以圖示的方式體現以簡化附圖。

圖1示出了根據本發明實施例的拉曼光譜檢測設備100的結構示意圖。所述拉曼光譜檢測設備100包括：雷射器10，用於發射激發光11；光學裝置20，用於將所述激發光11引導至待測樣品30和收集來自所述待測樣品30的光信號；光譜儀40，用於對接收的光信號進行分光以生成待測樣品30的拉曼光譜；以及安全探測器50，用於檢測所述待測樣品30發出的紅外光31。作為示例，由光譜儀40生成的待測樣品30的拉曼光譜可以與已知物質的拉曼光譜進行比較以確定待測樣品30的成分。該比較可以例如通過計算機或處理器來完成。

在拉曼檢測過程中，產生安全問題往往是由於樣品吸熱導致溫度上升，進而有可能導致對被測物的燒蝕，甚至產生引燃、引爆等現象。而在本發明的實施例中，採用了安全探測器(例如紅外探測器)50來檢測所述待測樣品30發出的紅外光31，能夠監控待測樣品30的溫度。這是由於當樣品溫度的上升時，往往伴隨著紅外光的輻射能量加大。而通過對於紅外光的輻射能量的監控就能夠發現待測樣品30的溫度變化情況並及時控制雷射出束，從而避免出現安全事故。

在一示例中，如圖2所示，光學裝置20可以包括拉曼光信號收集光路21，用於收集來自所述待測樣品30的拉曼光信號。在所述拉曼光路信號收集光路21中設置有第一分光鏡22，所述第一分光鏡22布置成從拉曼光路信號收集光路21中形成紅外輻射支路23，以將來自待測樣品30的光中的紅外光朝向安全探測器50引導。該第一分光鏡22能夠將待測樣品30發出的紅外光從拉曼光路信號收集光路21中提取出來，可以在儘量不影響拉曼光信號的情況下對紅外光進行探測。作為示例，第一分光鏡22要求在儘量不影響拉曼光(一般是0‐3000cm‐1範圍)的前提下，儘量將安全探測器響應波段的紅外光反射到安全探測器。當然，也可以根據需要對紅外輻射支路23中的紅外光進行波段選擇、會聚等處理。

在上述示例中，紅外光所經過的光路和拉曼光所經過的光路在前端(靠近待測樣品30的一端)是相同的，以這種方式收集的紅外光能夠更好地體現待測樣品30的實際溫度。

作為示例，第一分光鏡22為短通二向色鏡，所述短通二向色鏡設置成將波長大於預定波長的光朝向安全探測器50反射，而使波長小於該預定波長的光透射通過所述短通二向色鏡。例如，所述預定波長可以700納米至300微米之間，如在900納米至1500納米之間，如可以將預定波長設定成1200納米。但本發明的實施例中的短通二向色鏡的預定波長不限於此範圍。通常，拉曼光譜檢測設備中的光譜儀所處理的拉曼光譜的波長範圍為550至1100納米。波長短於所述預定波長的光可以透射通過該短通二向色鏡(例如透射率可以在90％以上)，對拉曼光譜檢測基本上沒有影響，波長長於所述預定波長的光可以被反射到紅外輻射支路中被傳輸到安全探測器50。而相應的紅外光將被安全探測器接收分析。而典型的安全探測器響應波段例如為1500至3000納米。但本發明的實施例不限於此。

雖然在上述示例中，以短通二向色鏡對於第一分光鏡22進行介紹，但是這不是必須的，也可以採用本領域已知的任何其它波長選擇分光部件來實現第一分光鏡22。

在本申請的實施例中，第一分光鏡22例如也可以採用普通分光鏡來實現。作為示例，第一分光鏡可以設置成將一部分光朝向安全檢測探測器反射，而將另一部分光朝向光譜儀透射。這也可以實現信號光收集功能和溫度監測功能。

在一示例中，如圖2所示的示例性的拉曼光譜檢測設備100b，拉曼光信號收集光路21中可以還設置有第一會聚透鏡24、第二會聚透鏡41和第二分光鏡25。所述第一會聚透鏡24用於將激發光11會聚到待測樣品30並收集來自待測樣品30的光信號。第二會聚透鏡41用於將收集來的光信號會聚到光譜儀。所述第二分光鏡25在所述拉曼光信號收集光路21中位於第一會聚透鏡24和第一分光鏡22之間，布置成用於將來自於雷射器10的激發光11向第一會聚透鏡24反射並使由第一會聚透鏡24收集的來自待測樣品30的反射光的至少一部分透射通過以射向所述第一分光鏡22或第二會聚透鏡41。在該示例中，激發光11被引導至待測樣品30上的光路和拉曼光信號收集光路21在從第二分光鏡25和待測樣品30之間的部分是重合的。而在光路中，第一分光鏡22位於第二分光鏡25的下遊，可以避免對於光路前端的幹擾。

作為示例，圖2中的第一分光鏡22和第二分光鏡25的位置可以互換。例如，如圖7所示，在拉曼光譜檢測設備100b』中，第二分光鏡25在所述拉曼光信號收集光路21中位於第一分光鏡22和第二會聚透鏡41之間。

作為示例，所述第二分光鏡25可以為長通二向色鏡，即僅允許波長長於一定閾值的光透射通過，而將波長短於該閾值的光擋住。該方案的優勢在於，可以削弱來自待測樣品30的瑞利光。待測樣品30在產生拉曼光的同時往往也會產生波長小於拉曼光的瑞利光，而長通二向色鏡的該閾值可以設置成削弱甚至消除波長較短的瑞利光，從而提高拉曼光信號的信噪比。長通二向色鏡的具體閾值可以根據實際測量的要求來進行選擇。本發明的實施例中，第二分光鏡25不限於長通二向色鏡，例如也可以採用本領域已知的任何其它分光部件來實現第二分光鏡25。

在一示例中，為了更好地抑制瑞利光，還可以在拉曼光信號收集光路21中第一分光鏡的下遊設置長通濾波片或陷波濾波片26，用於濾除經過第一分光鏡之後的光信號中的瑞利光。在本發明的實施例中，長通濾波片或陷波濾波片26在拉曼光信號收集光路21中的位置不限於此，其可以設置在待測樣品和光譜儀之間的任何位置上，只要能夠起到去除收集光路中的光信號的瑞利光的作用即可。例如，長通濾波片或陷波濾波片26也可以位於第一分光鏡的上遊，如對於圖5所示的實施例的變體，長通濾波片或陷波濾波片26也可以設置在第一分光鏡與第二分光鏡之間的位置。在此情況下，收集光路中的光信號可以依次經過第一會聚透鏡、第二分光鏡、長通濾波片或陷波濾波片、第一分光鏡、第二會聚透鏡和光譜儀。當然，本發明的實施例並不限於此，例如，也可以不設置長通濾波片或陷波濾波片26。

在另一示例中，如圖3和圖4所示，光學裝置20』還可以包括：拉曼光信號收集光路21，用於收集來自所述待測樣品的拉曼光信號；以及紅外光收集光路23』，用於收集來自所述待測樣品30的紅外光。與上述如圖1和圖2所示的示例中的紅外輻射支路23不同，所述紅外光收集光路23』完全獨立於所述拉曼光信號收集光路21。這可以儘可能地保留拉曼光譜檢測裝置的原有光路結構。安全探測器50可以設置於待測樣品30附近的任何位置，只要紅外信號的強度能夠滿足安全探測器50的檢測要求即可。

圖3中示出的示例性的拉曼光譜檢測設備100c和圖4中示出的示例性的拉曼光譜檢測設備100d的區別僅在於，在圖3中，激發光11被引導至待測樣品30上的光路和拉曼光信號收集光路21在從第二分光鏡25和待測樣品30之間的部分是重合的，而在圖4中，激發光11被引導至待測樣品30上的光路和拉曼光信號收集光路21是完全獨立的(或者稱為激發光11被偏軸照射到待測樣品30)。在圖4的示例中，第二分光鏡25並不是必要的元件，在圖4中示出僅僅是為了便於與圖3的示例進行比較。

在圖1和圖4的示例中，作為示例，在激發光照射到待測樣品30上之前還可以被某些光學元件(如反射鏡等)來改變方向以更為方便和準確地被引導到待測樣品30上。

如圖5所示，在一示例中，拉曼光譜檢測設備100e還可以包括控制器60。所述控制器60接收所述安全探測器50的檢測結果並向所述雷射器10發送控制信號。所述控制器60可以配置成在由安全探測器50檢測到的紅外光的輻射能量超過預定閾值時減小雷射器10的功率或關斷雷射器10。作為示例，由於待測樣品30的溫度與其所發出的紅外光的輻射能量存在對應關係，因此，控制器60中所設定的紅外光的輻射能量的預定閾值可以對應於一不超過待測樣品30的最大允許溫度的溫度值，從而避免待測樣品30因為溫度過高而被毀。所述控制器60可以由如集成電路、信號處理器、計算機等部件來實現。

作為示例，所述光學裝置20可以集成在光纖探頭70中，所述雷射器10發出的激發光11可以通過導入光纖71導入所述光纖探頭70，所述光纖探頭70通過收集光纖72將收集到的拉曼光信號傳送至光譜儀40。當然，光學裝置20也可以由分立的光學元件來構建。但採用光纖探頭70的方式，能夠提高系統的穩定性。

作為示例，激發光在到達第二分光鏡25或第一會聚透鏡24之間，還可以經過準直透鏡27和窄帶濾波片28。準直透鏡27可以使激發光稱為近似於平行光以提高方向性和光學效率。窄帶濾波片28可以去除幹擾，提高激發光在期望的波長段上的信噪比。作為示例，為了實現光路的摺疊，還可以設置一個或更多個偏轉反射鏡29。作為示例，為了使拉曼信號光能夠更好地耦合入光譜儀40，還可以在收集光纖72的上遊設置第二會聚透鏡41。

本發明的實施例還提供了一種拉曼光譜檢測設備的安全監控方法200。如圖6所示，該安全監控方法200可以包括：

步驟S10：由雷射器發射激發光；

步驟S20：將所述激發光引導至待測樣品和收集來自所述待測樣品的拉曼光信號；以及

步驟S30：由安全探測器檢測所述待測樣品發出的紅外光的輻射能量以監控所述待測樣品的溫度。

該方法可以用於在拉曼光譜檢測設備工作時監控待測樣品的溫度。

作為示例，所述安全監控方法200還可以包括：

步驟S40：在所述待測樣品的溫度大於預定閾值時減小雷射器的功率或關斷雷射器。

該步驟S40可以在拉曼光譜檢測設備工作時實時地監測待測樣品的溫度是否大於預定閾值(該預定閾值例如可以為80度、100度、150度等等，可依賴於待測樣品30來確定)，從而保證檢測工作的安全性。

作為示例，所述監控方法200還可以包括：

步驟S50：在雷射器發射激發光持續一預定時間段後關斷雷射器，並根據待測樣品在該預定時間段中的溫度變化來確定待測樣品的安全性。

該步驟S50可以用於在正式執行拉曼光譜檢測操作之前評估檢測的安全性。該預定時間段例如可以是0.5秒、1秒、3秒等等。如果預計待測樣品的溫度可能過高，則可以有針對性地控制拉曼檢測參數(例如雷射功率、待測樣品位置等)，從而避免在正式檢測中出現安全風險。

在本發明的實施例中，步驟S40和步驟S50可以擇一使用，也可以組合使用。圖6中虛線部分表示可選的步驟。

以上的詳細描述通過使用示意圖、流程圖和/或示例，已經闡述了上述拉曼光譜檢測設備及其監控方法的眾多實施例。在這種示意圖、流程圖和/或示例包含一個或多個功能和/或操作的情況下，本領域技術人員應理解，這種示意圖、流程圖或示例中的每一功能和/或操作可以通過各種結構、硬體、軟體、固件或實質上它們的任意組合來單獨和/或共同實現。在一個實施例中，本發明的實施例所述主題的若干部分可以通過專用集成電路(ASIC)、現場可編程門陣列(FPGA)、數位訊號處理器(DSP)、或其他集成格式來實現。然而，本領域技術人員應認識到，這裡所公開的實施例的一些方面在整體上或部分地可以等同地實現在集成電路中，實現為在一臺或多臺計算機上運行的一個或多個電腦程式(例如，實現為在一臺或多臺計算機系統上運行的一個或多個程序)，實現為在一個或多個處理器上運行的一個或多個程序(例如，實現為在一個或多個微處理器上運行的一個或多個程序)，實現為固件，或者實質上實現為上述方式的任意組合，並且本領域技術人員根據本公開，將具備設計電路和/或寫入軟體和/或固件代碼的能力。此外，本領域技術人員將認識到，本公開所述主題的機制能夠作為多種形式的程序產品進行分發，並且無論實際用來執行分發的信號承載介質的具體類型如何，本公開所述主題的示例性實施例均適用。信號承載介質的示例包括但不限於：可記錄型介質，如軟盤、硬碟驅動器、光碟(CD、DVD)、數字磁帶、計算機存儲器等；以及傳輸型介質，如數字和/或模擬通信介質(例如，光纖光纜、波導、有線通信鏈路、無線通信鏈路等)。

除非存在技術障礙或矛盾，本發明的上述各種實施方式可以自由組合以形成另外的實施例，這些另外的實施例均在本發明的保護範圍中。

雖然結合附圖對本發明進行了說明，但是附圖中公開的實施例旨在對本發明優選實施方式進行示例性說明，而不能理解為對本發明的一種限制。附圖中的尺寸比例僅僅是示意性的，並不能理解為對本發明的限制。

雖然本發明總體構思的一些實施例已被顯示和說明，本領域普通技術人員將理解，在不背離本總體發明構思的原則和精神的情況下，可對這些實施例做出改變，本發明的範圍以權利要求和它們的等同物限定。