CN208140586U - 一种光斑可移动的差分拉曼光谱检测装置 - Google Patents

Abstract

一种光斑可移动的差分拉曼光谱检测装置，本实用新型主要涉及一种基于差分拉曼技术和动态聚焦技术的检测装置。本实用新型提供一种解决拉曼检测过程中样品损伤和荧光干扰问题的技术方案。本实用新型主要包括控制器、具有固定频率差的共光路窄线宽双频激光光源、共用聚焦光路、共用接收光路、共用滤光装置和共用光谱检测器；在分光镜和聚焦光路之间有光斑移动模块，通过驱动光束角度的动态偏转，光斑移动模块可以使双频激光在聚焦光路另一侧焦平面上所形成的聚焦光斑发生快速移动。本实用新型主要应用于物质成分分析检测领域。

Description

一种光斑可移动的差分拉曼光谱检测装置

技术领域

本实用新型涉及一种拉曼检测装置，尤其为一种基于差分拉曼技术和动态聚焦技术的检测装置。

背景技术

由于拉曼信号的谱线区域会受到荧光或强散射背景的影响，在谱图里的拉曼信号经常很难区分。在过去的十几年中，拉曼光谱技术作为工业应用过程控制和环境监测领域中的非接触式和现场方法，已经越来越受到人们的关注。但是由于拉曼光谱需要较高的激发能量，聚焦于材料局部可能导致软化温度较低的材料局部过热，因此对于添加深色或荧光色素的材料，采用普通拉曼技术无法有效获得被测物的拉曼特征光谱。

在同样的条件下，拉曼位移差分技术使用两束具有微小差别的激光激发样品，得到两张效果相当的拉曼光谱，其荧光信号几乎不发生变化，而拉曼信号则根据激发波长产生相应的频移。通过差分可以有效的克服荧光干扰，提高检测光谱的信噪比。在先技术中，CN105092560A专利中公开了一种采用外腔光栅可调谐激光器的差分拉曼光谱装置，但是该装置需要复杂的光栅控制机构，由于采用侧向接收的光谱检测方式，需要复杂机构保持激发点与接收点的重合，因此该方案难以适用于小型化现场应用。另一方面，实验表明对于某些深色塑料材质，仅通过降低激光激发功率、提高检测灵敏度，还是无法获得样品的有效特征光谱。

发明内容

为了解决上述技术问题，本实用新型的目的在于提供了一种光斑可移动的差分拉曼光谱检测装置，其能够有效获取被测物质的拉曼特征光谱，为了实现本实用新型的技术目的，本实用新型提供如下技术方案：

本实用新型所述的一种光斑可移动的差分拉曼光谱检测装置，该装置主要包括控制器、具有固定频率差的共光路窄线宽双频激光光源、共用聚焦光路、共用接收光路、共用滤光装置和共用光谱检测器；在分光镜和聚焦光路之间有光斑移动模块，通过驱动光束角度的动态偏转，光斑移动模块可以使双频激光在聚焦光路另一侧焦平面上所形成的聚焦光斑发生快速移动；所述控制器和双频激光光源、光谱检测器连接，控制器中含有数据处理组件。

优选地，所述固定频率差的共光路窄线宽双频激光光源，频率间隔与所选光谱检测器的分辨率有关，其固定频率偏差应大于光谱检测器的像素分辨率。

优选地，所述数据处理组件主要包括所需重采样、对齐和差分标记及特征提取算法和数据库。

优选地，所述聚焦光路前部有支撑装置，用于定位样品，使样品备件区域位于聚焦光路的焦平面。

优选地，所述支撑装置包括支撑结构外套和支撑结构内套，支撑装置与样品接触面***有不透光柔性裙边，当其与样品接触时能够匹配样品外形变化贴合样品表面构成避光暗室，所述不透光柔性裙边内部为硬质限位结构，确保样品位于聚焦装置焦平面附近。

优选地，所述光斑移动模块可以采用透射方式的光束角度偏转元件，也可以是基于反射原理的光束角度偏转元件，使得在检测过程中聚焦光斑在样品表面快速移动，形成一定的检测范围，以避免在样品同一位置长时间照射产生热量积累导致样品损伤。

优选地，上述光束角度偏转元件可以为旋转楔镜、震镜或者MEMS微反射镜阵列。

本实用新型采用后向共用拉曼光路和光束动态偏转光路，通过检测点的快速移动实现检测目标单位面积照射强度的大幅度减弱，从而防止损伤高吸收或低损伤阈值样品。同时能够保证瞬时有足够的激发强度，以提取出样品的拉曼特征。同时，为了进一步降低激发强度，采用在同一硅片上长的共输出双波长激光光源，通过交替对样品进行激发，并对采集光谱进行后续位移差分拉曼处理，在低输入功率下消除受激发射干扰，获得样品的拉曼特征，采用双层支撑实现样品的准确对焦和对环境干扰光频率的隔离，以克服荧光和其它非拉曼干扰，提高设备的检测灵敏度，从而实现对被测物质样品拉曼特征的提取。通过所提取的拉曼特征与先验标准库中的数据比对进而判定出检测样品的材质。

附图说明

图1为本实用新型一种光斑可移动的差分拉曼光谱检测装置结构示意图。

图2为本实用新型实施例一中光斑移动模块的结构示意图。

图3为本实用新型实施例二中光斑移动模块的结构示意图。

图4为应用本实用新型检测ABS塑料的技术效果图。

附图中标号解释：1-控制器，2-双波长窄线宽激光器，3-支撑结构外套，4-支撑结构内套，5-聚焦镜，6-光斑移动模块，7-分光镜，8-接收光路，9-光谱检测器，10-大径齿轮，11-光束角度偏转元件，12-小径齿轮，13-驱动齿轮，14-差分光谱2，15-差分光谱1，16-ABS参考光谱，17-解调光谱，18-反射镜，19-反射镜，20-反射镜架子，21-偏心转子，22-定心轴承。

具体实施方式

本实用新型通过采用双波长激光光源，通过复用控制***，减小光学***的体积和重量，由于双波长光源采用芯片集成因而其性能一致性好，可以很好的保持双波长差，进而提高***的检测稳定性。本实用新型采用差分检测实现低激光输入功率，通过软硬件结合提光谱特征恢复能力；同时，通过在光路中***光束角度偏转元件实现高能量聚焦光斑在检测焦平面快速移动，减少样品局部高能激光能量积累，减少样品损伤。此外采用双层支撑装置通过内层硬限位层保证样品表层区域与装置焦平面重合，以获得最大的激发效率；同时，支撑结构设置有外层柔性裙边，匹配样品外形变化，贴合样品表面，构成避光暗室，防止环境光线干扰。下面结合附图对本实用新型作进一步的说明。

实施例一，结合附图1和2作进一步叙述。

一种光斑可移动的差分拉曼光谱检测装置，该装置可以分为主机和光斑移动模块两部分。主机模块主要包括控制器1、用户交互***、双波长窄线宽双频激光光源2、光谱检测器9；另外还包括复用的准直发射和接收光路8，用于输出和接收共轴光束。光斑移动模块包括大径齿轮10、小径齿轮12、驱动齿轮13、光束角度偏转元件11，光斑移动模块通过共轴套管与主机模块相连，连接时需要保证光路同心。光斑移动模块采用两块不同速转动的楔镜11实现光束偏转以及聚焦光斑的移动；光斑移动模块还包括非球面镜片，用于将主机发射的准直激光聚焦，同时接收样品返回的拉曼信号并将其变换为与激发光同轴的反向平行光束。

在具体实施中首先将待测样品放置于支撑装置中，支撑装置包括支撑结构内套4和支撑结构外套3，支撑装置与样品接触面***有不透光柔性裙边，当其与样品接触时能够匹配样品外形变化贴合样品表面构成避光暗室，不透光柔性裙边内部为硬质限位结构，确保样品位于聚焦装置焦平面附近。然后进行光谱数据采集，通过双频激光光源2发射激发光交替照射样品，样品的反射光通过聚焦镜5进入光斑移动模块6，然后通过分光镜7沿着接收光路8进入光谱检测器9，光谱检测器获得样品的激发光谱。然后对获得的光谱数据进行处理和标记，对获得的激发光谱进行等间距重新采样，通过梯度下降算法同时获取差分光谱并扣除基线偏移。根据全谱信号强度对差分光谱对齐、差分以实现样品分子特征的差分标记。根据差分特征对光谱信息进行去噪和重建，提取重建后的特征峰高度和峰位作为光谱特征。进而通过与先验数据库中的光谱特征进行匹配实现对目标材料的鉴别。同时，采用带拟合滤波方法，通过设计数字滤波器，仅提取光谱中具有与样品拉曼特征峰宽度相近、差分距离一致的特征信号，从而在高度干扰信号中实现拉曼特征的准确提取。附图4中示出用激发光照射ABS塑料后获得的差分光谱14和差分光谱15，通过对差分光谱14、15运算后获得解调光谱17，通过和ABS参考光谱16进行比对得到材料信息。

实施例二，结合附图1和3作进一步叙述。

一种光斑可移动的差分拉曼光谱检测装置，该装置可以分为主机和光斑移动模块两部分。主机模块主要包括控制器1、用户交互***、双波长窄线宽双频激光光源2、光谱检测器9；另外还包括复用的准直发射和接收光路8，用于输出和接收共轴光束。光斑移动模块包括光束角度偏转元件、光束角度偏转元件架子、定心轴承、偏心转子，其中光束角度偏转元件架子固定在定心轴承上，可以绕球心摆动。偏心转子内径长轴略大于轴承内径，转动时与轴承内壁随机碰撞，带动光束角度偏转元件偏转和旋转。本实施例中光束角度偏转元件采用能够实现反射效果的光学元件，作为一种优选的实施例，可以选用反射镜、MEMS微反射镜阵列作为光束偏转镜。当拉曼激光光束打到反射镜时，偏心转子带动反射镜偏转，使得照射到反射镜的光束发生偏转，进而实现光束在被照射样品表面快速移动，形成一定的检测范围。该实施例区别于实施例一的主要地方在于采用基于反射原理的光斑移动模块，其他部分和实施例一相同。

以上描述为本实用新型的优选实施方式，并不以此限制本实用新型，对于本领域的普通技术人员来说，凡是不脱离本实用新型构思和本质特征的情况下，对本实用新型所做的等同替换、修改都应该视作本实用新型覆盖的范围。

Claims (7)

1.一种光斑可移动的差分拉曼光谱检测装置，其特征在于：包括控制器、具有固定频率差的共光路窄线宽双频激光光源、共用聚焦光路、共用接收光路、共用滤光装置和共用光谱检测器；在分光镜和聚焦光路之间有光斑移动模块，通过驱动光束角度的动态偏转，光斑移动模块可以使双频激光在聚焦光路另一侧焦平面上所形成的聚焦光斑发生快速移动；所述控制器和双频激光光源、光谱检测器连接，控制器中含有数据处理组件。

2.根据权利要求1所述的一种光斑可移动的差分拉曼光谱检测装置，其特征在于：所述固定频率差的共光路窄线宽双频激光光源，频率间隔与所选光谱检测器的分辨率有关，其固定频率偏差应大于光谱检测器的像素分辨率。

3.根据权利要求1所述的一种光斑可移动的差分拉曼光谱检测装置，其特征在于：所述数据处理组件主要包括所需重采样、对齐和差分标记及特征提取算法和数据库。

4.根据权利要求1所述的一种光斑可移动的差分拉曼光谱检测装置，其特征在于：所述聚焦光路前部有支撑装置，用于定位样品，使样品备件区域位于聚焦光路的焦平面。

5.根据权利要求4所述的一种光斑可移动的差分拉曼光谱检测装置，其特征在于：所述支撑装置包括支撑结构外套和支撑结构内套，支撑装置与样品接触面***有不透光柔性裙边，当其与样品接触时能够匹配样品外形变化贴合样品表面构成避光暗室，所述不透光柔性裙边内部为硬质限位结构，确保样品位于聚焦装置焦平面附近。

6.根据权利要求1所述的一种光斑可移动的差分拉曼光谱检测装置，其特征在于：所述光斑移动模块可以采用透射方式的光束角度偏转元件，也可以是基于反射原理的光束角度偏转元件，使得在检测过程中聚焦光斑在样品表面快速移动，形成一定的检测范围，以避免在样品同一位置长时间照射产生热量积累导致样品损伤。

7.根据权利要求6所述的一种光斑可移动的差分拉曼光谱检测装置，其特征在于：所述光束角度偏转元件可以为旋转楔镜、震镜或者MEMS微反射镜阵列。