CN116990281A - 一种高收集效率的腔增强拉曼检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种高收集效率的腔增强拉曼检测装置，利用光源模块向球面反射镜的反射面发射激发光束，通过一对球面反射镜实现多次反射，形成中心汇聚的反射平面光，并穿过收集腔的通光窗口，于抛物面镜的焦点处汇聚，样品管放置于焦点处，待测样品被反射平面光多次激发产生强拉曼散射，其中，大部分散射光经抛物面镜准直后从信号收集孔出射，小部分散射光在收集腔内部不断反射后多次经过焦点，与反射平面光共同作用于样品，实现待测样品的信号强度地进一步增强，出射的拉曼信号光经透镜组滤波并汇聚至光纤中，由拉曼光谱仪分析处理。本发明可在多次激发样品产生强拉曼散射的同时提高信号收集效率，实现样品的高灵敏度检测。

Description

一种高收集效率的腔增强拉曼检测装置

技术领域

本发明涉及拉曼光谱检测技术领域，更具体地说是一种高收集效率的腔增强拉曼检测装置。

背景技术

拉曼光谱检测技术是一种基于光散射的、高灵敏度的无损检测技术，已广泛应用于诸多领域，如化工与材料、环境监测、生物医学、药品分析、食品安全等。随着当今社会对环境污染问题愈发重视，拉曼光谱检测技术在环境监测领域也发挥着更加重要的作用。

拉曼光谱检测技术是一种基于分子振动能级的光谱分析方法。当激发光入射到物质表面时，大部分光子发生弹性的瑞利散射，散射光子的能量与入射光子相同，极小部分光子与物质分子发生非弹性的拉曼散射，散射光子的能量发生变化，能量的变化与物质分子的振动能级有关，通过测量散射光的波长或能量变化，可以得到物质的拉曼光谱。拉曼光谱中的峰值对应于分子的特定振动模式，因此可以用于分子结构和组成的分析。

相较于瑞利散射，拉曼散射的信号比较微弱，容易受到背景噪声、瑞利散射和荧光等干扰。目前，提高拉曼检测灵敏度的方法有表面增强拉曼散射、共振拉曼散射、腔增强拉曼散射等技术。

多次反射腔拉曼信号增强技术可以很好地将激发光多次反射，提高多次反射腔中心区域的激发光功率强度，进而增强拉曼散射信号强度，但是目前腔增强拉曼检测装置对拉曼散射光的收集效率不高，仅仅通过透镜进行侧向收集的方式无法对拉曼散射光实现全方位收集，导致大部分的拉曼散射光浪费在了收集阶段。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提出一种高收集效率的腔增强拉曼检测装置，以期能够在多次激发样品产生强拉曼散射的同时，实现拉曼散射光的高效率收集，以及对样品的高灵敏度检测。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种高收集效率的腔增强拉曼检测装置，包括：

光源模块，用于向球面反射镜组的反射面发射经整形后的激发光束；

球面反射镜组，为一对反射面为凹面并相对设置的球面反射镜，一对球面反射镜所在位置以抛物面镜焦点为对称中心相对称，分设在抛物面镜***两侧，通过其中一个球面反射镜的反射面接收所述激发光束，所述激发光束在两反射面之间不断反射，形成中心汇聚的反射平面光，所述反射平面光能够经抛物面镜上的两处通光窗口全部射入抛物面镜内，且汇聚点与抛物面镜的焦点重合；

拉曼收集模块，包括抛物面镜、第二平面镜与样品管；所述第二平面镜可拆卸地封装在抛物面镜开口端，与抛物面镜共同围设形成的内腔作为收集腔，露出于抛物面镜腔内的镜面上预留开孔，作为信号收集孔，用于收集腔内散射光的出射；所述抛物面镜上开设的两处通光窗口以焦点为对称中心对称分布，分别与所在侧球面反射镜的反射面相对；所述样品管无色透明，与抛物面镜的主轴以及两球面反射镜的中心线均相垂直，穿过焦点，穿设在抛物面镜上，两端管口露出于收集腔外，分别用于待测样品的进样与出样，位于收集腔内焦点处的管内待测样品通过反射平面光的多次激发产生强拉曼散射，所形成的散射光中，一部分直接从信号收集孔出射，剩余部分中，大部分经抛物面镜准直为平行光后，从信号收集孔出射，小部分在收集腔内不断反射，多次经过焦点，与反射平面光共同作用于管内待测样品；

透镜组，用于对自所述收集腔所出射的拉曼信号光滤波并汇聚至光纤中；

拉曼光谱仪，通过光纤接收过滤后的拉曼信号光，用于对过滤后的拉曼信号光的分析处理。

本发明的结构特定也在于：

所述信号收集孔所在位置位于抛物面镜开口端中部，呈圆形通孔状，孔径与抛物面镜开口端的直径比例设置为1:3及以上。

所述通光窗口顺着抛物面镜的壁厚方向自外至内呈外宽内窄的结构，设有高透过率的光学窗片。

所述光学窗片的透过率为95%以上，材质类型包括氟化镁、氟化钙、熔融石英。

所述抛物面镜内壁抛光并镀膜，基底材质为铝、铜或不锈钢，镀膜材质为金、银、不锈钢或铝。

所述光源模块包括激发光源、第一聚焦透镜、第一平面镜，由激发光源发射激发光束，通过第一聚焦透镜聚焦后，经第一平面镜反射后射向透镜组中其中一个球面反射镜的反射面。

由所述光源模块发射的激发光束为窄线宽激发光。

所述样品管的材质类型包括石英、硼硅酸玻璃、光学玻璃，待测样品类型包括液体、气体。

所述光纤一端为信号收集端，并对准透镜组的焦点，接收来自透镜组聚焦的拉曼信号光，另一端为信号输出端，并对准拉曼光谱仪的入射狭缝。

所述透镜组位于收集腔***，正对所述第二平面镜，顺着拉曼信号光的出射方向依次包括与所述抛物面镜的主轴呈共轴对齐、间隔布置的高通滤波器和第二聚焦透镜，通过所述高通滤波器滤除拉曼信号光中的瑞利散射光，通过所述第二聚焦透镜将过滤后的拉曼信号光聚焦并送入光纤中，所述光纤的信号收集端对准第二聚焦透镜的焦点。

与已有技术相比，本发明有益效果体现在：

一是，可避免拉曼散射光在收集阶段的损失，实现拉曼散射光的高效率收集：

本发明首次提出收集腔理念，利用抛物面镜可准直光线的特性，将平面镜封装在其开口端，围设形成收集腔，利用收集腔取代传统的透镜作为腔增强拉曼检测装置的收集手段，并在收集腔外配置一对球面反射镜，设置抛物面镜的焦点与一对球面反射镜之间所形成反射平面光的汇聚点重合，激发光束在一对球面反射镜之间形成中心汇聚的反射平面光，增大汇聚点处的激发光功率，提高拉曼散射光的激发强度，当汇聚点处也即收集腔内抛物面镜焦点处的拉曼散射光向四周散射时，拉曼散射光被抛物面镜准直成平行光，一部分平行光通过平面镜上的信号收集孔出射，一部分平行光经过平面镜反射，按照原光路返回并再次被抛物面镜准直成平行光后，经信号收集孔出射。这种收集方式可以实现拉曼散射光的高收集效率，避免拉曼散射光在收集阶段的损失，提高整个腔增强拉曼检测装置的灵敏度；

二是，可提高样品检测的灵敏度和效率，更高效实现对痕量样品的检测：

本发明在收集腔内集成一个样品管，将样品管穿过抛物面镜的焦点贯穿收集腔，待测样品通入样品管中，能够更加集中在抛物面镜焦点附近，从而实现对痕量样品更高效的检测，提高样品检测的灵敏度和效率。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是拉曼收集模块的俯视结构示意图；

图3是拉曼收集模块的主视结构示意图；

图4是拉曼收集模块的侧视结构示意图；

图5是收集腔内的光路反射路径示意图。

图中：

11激发光源；12第一聚焦透镜；13第一平面镜；

2球面反射镜；

31抛物面镜；32通光窗口；33第二平面镜；34样品管；35信号收集孔；

41高通滤波器；42第二聚焦透镜；

5光纤；

6拉曼光谱仪。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参照图1至图5，本实施例的高收集效率的腔增强拉曼检测装置包括：

光源模块，用于向球面反射镜组的反射面发射经整形后的激发光束；

球面反射镜组，为一对反射面为凹面并相对设置的球面反射镜2，一对球面反射镜2所在位置以抛物面镜31焦点为对称中心相对称，分设在抛物面镜31***两侧，通过其中一个球面反射镜2的反射面接收激发光束，激发光束在两反射面之间不断反射，形成中心汇聚的反射平面光，反射平面光能够经抛物面镜31上的两处通光窗口32全部射入抛物面镜31内，且汇聚点与抛物面镜31的焦点重合；

拉曼收集模块，包括抛物面镜31、第二平面镜33与样品管34；第二平面镜33可拆卸地封装在抛物面镜31开口端，与抛物面镜31共同围设形成的内腔作为收集腔，露出于抛物面镜31腔内的镜面上预留开孔，作为信号收集孔35，用于收集腔内散射光的出射；抛物面镜31上开设的两处通光窗口32以焦点为对称中心对称分布，分别与所在侧球面反射镜2的反射面相对；样品管34无色透明，与抛物面镜31的主轴以及两球面反射镜2的中心线均相垂直，穿过焦点，穿设在抛物面镜31上，两端管口露出于收集腔外，分别用于待测样品的进样与出样，位于收集腔内焦点处的管内待测样品通过反射平面光的多次激发产生强拉曼散射，所形成的散射光中，一部分直接从信号收集孔35出射，剩余部分中，大部分经抛物面镜31准直为平行光后，从信号收集孔35出射，小部分在收集腔内不断反射，多次经过焦点，与反射平面光共同作用于管内待测样品，实现对待测样品的信号强度的进一步增强；

透镜组，用于对自收集腔所出射的拉曼信号光滤波并汇聚至光纤5中；

拉曼光谱仪6，通过光纤5接收过滤后的拉曼信号光，用于对过滤后的拉曼信号光的分析处理。

信号收集孔35用于收集腔内拉曼散射光的出射。收集腔内的光路路径如图4所示，大致分为四部分：

一部分光直接从信号收集孔35出射；

一部分光经过抛物面镜31一次准直后，从信号收集孔35出射；

一部分光经过抛物面镜31两次准直后，从信号收集孔35出射；

剩余一部分光在收集腔内不断反射，重复经过焦点，不会出射。

对上述光路更进一步详述如下：

由一对球面反射镜2多次反射形成的中心汇聚的反射平面光，其汇聚点的区域可以增大激发光强度，增大拉曼散射光的激发强度，但是，拉曼散射信号光在每个方向都可以收集到，仅仅采用透镜直接收集的传统方式会造成大量信号的浪费。为此，依据抛物面镜31可准直光线的特性，本实施例采用由抛物面镜31与第二平面镜33围设构成的收集腔进行收集，将抛物面镜31的焦点与上述反射平面光的汇聚点设置为重合，焦点处的激发光对样品管34内的待测样品激发，产生拉曼散射光，拉曼散射光四周散射，经抛物面镜31准直成平行光。其中：

一部分拉曼散射光直接从信号收集孔35出射；

一部分拉曼散射光经抛物面镜31一次准直为平行光后，从信号收集孔35出射，被透镜组收集；

一部分拉曼散射光经抛物面镜31一次准直后，又经过第二平面镜33的反射，按照原光路返回，再次经过抛物面镜31焦点，被抛物面镜31二次准直，形成平行光后从信号收集孔35出射，被透镜组收集；

剩余部分拉曼散射光被抛物面镜31准直后，经第二平面镜33的反射按照原光路返回后经过焦点，被抛物面镜31再次准直，又再次经第二平面镜33的反射原路返回再次经过焦点，如此重复，与反射平面光共同作用于管内待测样品。

将样品管34穿过焦点，可以使管内待测样品更充分地被抛物面镜31焦点处的激发光激发，并通过在收集腔内集成样品管34，可以实现在很短时间内通入待测样品，缩短进样时间，提高样品检测效率。样品管34两端管口露出于收集腔外，分别用于待测样品的进样与出样，分别与外部进样管路与外部出样管路相接，并分别配置有开关阀门。

具体实施中，该装置相应的结构设置也包括：

所述信号收集孔35所在位置位于抛物面镜31开口端中部，呈圆形通孔状。理论上，信号收集孔35的最佳位置应当是居中设置在抛物面镜31开口端处，并最好为圆孔。因此在实际实施时，信号收集孔35应尽量置于抛物面镜31开口端中部处，且应接近圆形。为了保证信号收集孔35处出射的拉曼散射光尽可能地都被透镜组收集，同时保证第二平面镜33的有效反射面积，因此，本实施例中，将信号收集孔35的孔径设置为与透镜组中高通滤波器41的滤波镜片尺寸一致，并与抛物面镜31开口端的直径比例设置为1:3及以上，参见图4。

所述通光窗口32顺着抛物面镜31的壁厚方向自外至内呈外宽内窄的结构，以确保所占据的抛物面镜31内壁面积尽量小，保证抛物面镜31内壁反射面积尽量大，保证抛物面镜31最高的反射效率，并设有高透过率的光学窗片，光学窗片透过率为95%以上，材质类型包括氟化镁、氟化钙、熔融石英，可依据激发光源11的波段相应配置。

抛物面镜31内壁抛光并镀膜，基底材质为铝、铜或不锈钢；依据不同的激发波长，镀膜材质可以相应选择金、银、不锈钢或铝。第二平面镜33具有高反射率，反射率高达95%以上。

光源模块包括激发光源11、第一聚焦透镜12、第一平面镜13，由激发光源11发射激发光束，通过第一聚焦透镜12聚焦后，经第一平面镜13反射后射向透镜组中其中一个球面反射镜2的反射面。

由光源模块发射的激发光束为窄线宽激发光。

样品管34的材质类型包括石英、硼硅酸玻璃、光学玻璃，待测样品类型包括液体、气体等不影响检测光路的物质。

光纤5可由光纤5夹具固定，一端为信号收集端，并对准透镜组的焦点，接收来自透镜组聚焦的拉曼信号光，另一端为信号输出端，并对准拉曼光谱仪6的入射狭缝。

透镜组位于收集腔***，正对第二平面镜33，顺着拉曼信号光的出射方向依次包括与抛物面镜31的主轴呈共轴对齐、间隔布置的高通滤波器41和第二聚焦透镜42，通过高通滤波器41滤除拉曼信号光中的瑞利散射光及其他杂散光，通过第二聚焦透镜42将过滤后的拉曼信号光聚焦并送入光纤5中，光纤5的信号收集端对准第二聚焦透镜42的焦点。

拉曼光谱仪6通过内部的光栅分光，将光纤5送入的不同波长的拉曼信号光分离不同方向，内部的CCD进一步将拉曼散射光从光信号转换成电信号，数据处理之后生成拉曼光谱分析图。

具有上述结构的腔增强拉曼检测装置，结合了多次反射腔的激发光多次反射汇聚能力和抛物面镜31腔的信号高收集效率能力，采用收集腔的这种收集方式，相较于传统透镜收集方式，拉曼信号检测强度得到大幅增强，对拉曼散射光的收集效率大幅提高，实现了腔增强拉曼检测装置的高效率收集。检测时可按下述步骤进行：

步骤1、打开激发光源11，将整形后的激发光束射向其中一个球面反射镜2的反射面上；

步骤2、调整两个球面反射镜2的位置和角度，使接收到的激发光束在两反射面之间形成中心汇聚的反射平面光；

步骤3、在两个球面反射镜2之间放置拉曼收集模块，调整收集腔的位置和角度，使抛物面镜31的焦点与反射平面光的汇聚点重合；

步骤4、向样品管34中充入待测样品；

步骤5、使透镜组的焦点、光纤5的信号收集端与收集腔的信号收集孔35共轴对齐，通过透镜组对收集腔出射的拉曼信号光进行过滤并聚焦后，进入光纤5的信号收集端，通过光纤5送入拉曼光谱仪6中；

步骤6、拉曼光谱仪6通过内部光栅对接收到的拉曼信号光进行分光后，通过CCD将光信号转化为电信号，生成拉曼信号图谱，用于对待测样品所需信息的检测。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.一种高收集效率的腔增强拉曼检测装置，其特征是包括：

光源模块，用于向球面反射镜组的反射面发射经整形后的激发光束；

球面反射镜组，为一对反射面为凹面并相对设置的球面反射镜（2），一对球面反射镜（2）所在位置以抛物面镜（31）焦点为对称中心相对称，分设在抛物面镜（31）***两侧，通过其中一个球面反射镜（2）的反射面接收所述激发光束，所述激发光束在两反射面之间不断反射，形成中心汇聚的反射平面光，所述反射平面光能够经抛物面镜（31）上的两处通光窗口（32）全部射入抛物面镜（31）内，且汇聚点与抛物面镜（31）的焦点重合；

拉曼收集模块，包括抛物面镜（31）、第二平面镜（33）与样品管（34）；所述第二平面镜（33）可拆卸地封装在抛物面镜（31）开口端，与抛物面镜（31）共同围设形成的内腔作为收集腔，露出于抛物面镜（31）腔内的镜面上预留开孔，作为信号收集孔（35），用于收集腔内散射光的出射；所述抛物面镜（31）上开设的两处通光窗口（32）以焦点为对称中心对称分布，分别与所在侧球面反射镜（2）的反射面相对；所述样品管（34）无色透明，与抛物面镜（31）的主轴以及两球面反射镜（2）的中心线均相垂直，穿过焦点，穿设在抛物面镜（31）上，两端管口露出于收集腔外，分别用于待测样品的进样与出样，位于收集腔内焦点处的管内待测样品通过反射平面光的多次激发产生强拉曼散射，所形成的散射光中，一部分直接从信号收集孔（35）出射，剩余部分中，大部分经抛物面镜（31）准直为平行光后，从信号收集孔（35）出射，小部分在收集腔内不断反射，多次经过焦点，与反射平面光共同作用于管内待测样品；

透镜组，用于对自所述收集腔所出射的拉曼信号光滤波并汇聚至光纤（5）中；

拉曼光谱仪（6），通过光纤（5）接收过滤后的拉曼信号光，用于对过滤后的拉曼信号光的分析处理。

2.根据权利要求1所述的高收集效率的腔增强拉曼检测装置，其特征是：所述信号收集孔（35）所在位置位于抛物面镜（31）开口端中部，呈圆形通孔状，孔径与抛物面镜（31）开口端的直径比例设置为1:3及以上。

3.根据权利要求1所述的高收集效率的腔增强拉曼检测装置，其特征是：所述通光窗口（32）顺着抛物面镜（31）的壁厚方向自外至内呈外宽内窄的结构，设有高透过率的光学窗片。

4.根据权利要求3所述的高收集效率的腔增强拉曼检测装置，其特征是：所述光学窗片的透过率为95%以上，材质类型包括氟化镁、氟化钙、熔融石英。

5.根据权利要求1所述的高收集效率的腔增强拉曼检测装置，其特征是：所述抛物面镜（31）内壁抛光并镀膜，基底材质为铝、铜或不锈钢，镀膜材质为金、银、不锈钢或铝。

6.根据权利要求1所述的高收集效率的腔增强拉曼检测装置，其特征是：所述光源模块包括激发光源（11）、第一聚焦透镜（12）、第一平面镜（13），由激发光源（11）发射激发光束，通过第一聚焦透镜（12）聚焦后，经第一平面镜（13）反射后射向透镜组中其中一个球面反射镜（2）的反射面。

7.根据权利要求1或6所述的高收集效率的腔增强拉曼检测装置，其特征是：由所述光源模块发射的激发光束为窄线宽激发光。

8.根据权利要求1所述的高收集效率的腔增强拉曼检测装置，其特征是：所述样品管（34）的材质类型包括石英、硼硅酸玻璃、光学玻璃，待测样品类型包括液体、气体。

9.根据权利要求1所述的高收集效率的腔增强拉曼检测装置，其特征是：所述光纤（5）一端为信号收集端，并对准透镜组的焦点，接收来自透镜组聚焦的拉曼信号光，另一端为信号输出端，并对准拉曼光谱仪（6）的入射狭缝。

10.根据权利要求1或9所述的高收集效率的腔增强拉曼检测装置，其特征是：所述透镜组位于收集腔***，正对所述第二平面镜（33），顺着拉曼信号光的出射方向依次包括与所述抛物面镜（31）的主轴呈共轴对齐、间隔布置的高通滤波器（41）和第二聚焦透镜（42），通过所述高通滤波器（41）滤除拉曼信号光中的瑞利散射光，通过所述第二聚焦透镜（42）将过滤后的拉曼信号光聚焦并送入光纤（5）中，所述光纤（5）的信号收集端对准第二聚焦透镜（42）的焦点。