使用空間輸出激光器的偏振調制拉曼探頭及光譜探測方法技術

本發明專利技術公開了一種使用空間輸出激光器的偏振調制拉曼探頭及光譜探測方法，此探頭包括：空間輸出激光器、光路轉換裝置、聚集采集裝置、耦合濾光裝置、光譜儀、波片；波片設置于空間輸出激光器和光路轉換裝置之間的光路上，或者，波片設置于光路轉換裝置和聚集采集裝置的焦點之間的光路上。本發明專利技術采用與狹縫方向平行的非軸對稱空間條形光斑輸出模式的激光器設計，使激光長軸方向和短軸方向的發散角與狹縫匹配，使匯聚后同樣能量的激光能量由圓形區域分布變為條形區域分布，并且對激光光束進行消極化處理，可以提高光譜儀耦合效率，提高系統采集效率；降低器件及儀器的成本，提高系統的容差性能。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術涉及激光激發光譜檢測
，尤其涉及一種使用空間輸出激光器的偏振調制拉曼探頭及光譜探測方法。
技術介紹
拉曼光譜(Ramanspectra)，是一種散射光譜。拉曼光譜分析法是基于印度科學家C.V.拉曼(Raman)所發現的拉曼散射效應，對與入射光頻率不同的散射光譜進行分析以得到分子振動、轉動方面信息，并應用于分子結構研究的一種分析方法。拉曼光譜技術以其靈敏性、快速性以及操作方便等優點，在非侵入式檢測領域得到了快速發展和廣泛應用。基于光柵/棱鏡的光譜分析儀是目前使用最為廣泛的光譜探測設備，其光學結構主要包括：狹縫、準直光學系統、光柵/棱鏡、收集光學系統、探測器/探測器陣列；激光器種類繁多，有半導體激光器、固體激光器、光纖激光器等；而激光器輸出的激光經過多種處理后多以軸對稱的平行光出射并最終匯聚成圓形光斑，最終耦合進光譜儀的激發信號的能量受限于狹縫，大部分的能量均被狹縫阻隔而無法進入后續分析系統，極大的降低的系統的采集效率。為了達到更高的效率，通常的做法是嚴格控制激光的發散角，使其以極小的發散角匯聚后達到盡量小的匯聚光斑，這樣導致激光器的制造成本提高，極小的匯聚光斑又有能量密度過高易點燃被測樣品、采樣范圍小不利于混合固體測量，而且系統的對焦景深小，系統容差小等問題。在偏振拉曼理論中，當電磁輻射與一系統相互作用時，偏振態常發生變化，這種現象稱為退偏。在拉曼散射中，這種退偏度和分子的對稱性是密切相關的。在激光拉曼光譜探測中，偏振方向平行于入射激光偏振方向的拉曼光強度記為I||，偏振方向垂直于入射激光偏振方向的拉曼強度記為I⊥，兩者之比ρ＝I⊥/I||稱為退偏比。如果退偏比ρ小于0.75，該振動可以被認為是偏振的，那么振動是全對稱的。如果退偏比ρ等于0.75，該振動可以被認為是退偏振的，振動則是非對稱的。由于激光具有極強的線偏振度，進行拉曼光譜探測時，譜峰的強度就與分子的結構及激光的偏振狀態有關，偏振方向角還是一個相對量，這增加了拉曼光譜探測的隨機性。除了一些專門或科研級別的拉曼光譜儀需要對偏振進行調制或使用特定偏振態的激光進行采集分析。通常，標準的拉曼采集需要消除偏振的影響，在空間輸出激光器和樣品之間光路中插入“擾偏”元件來去除其偏振特性，常用的擾偏器件有石英楔擾偏器和液晶擾偏器。石英楔擾偏器能將偏振光束轉化為偽隨機偏振光束，用偽隨機來形容是因為通過擾偏器的光束并不是非偏振光；而是它的偏振態是隨機的。單色光源的線偏振光經過石英楔擾偏器后，其偏振態將發生空間變化。通常擾偏器的結構由兩個晶體石英楔片組成，其中一個厚度是另一個的兩倍。兩個楔片被一個薄金屬環隔開。每個楔片的光軸垂直于楔片的平面。兩個晶體石英楔片的光軸間的夾角為45度。由于該器件利用的是不同空間位置處的相位延遲的差異來打亂入射光的偏振態，故通常要求入射光斑具有一定直徑(通常≥6mm)，故不適用于細小的光束的擾偏，且成本非常高。液晶擾偏器的原理和石英楔的類似，其利用不同像素點的液晶分子的偏轉程度的不一致來實現不同空間位置處的相位延遲量的差異來打亂入射光的偏振態。其優點是對光束的尺寸要求相對較低，但由于液晶分子的耐光能力問題，其激光損傷閾值較低，不適于大功率激光的應用。
技術實現思路
為解決現有技術中形成圓形光斑使耦合進光譜儀的激發信號的能量受限于狹縫以及消極化處理方法成本高、不適于大功率激光的問題，本專利技術提供了一種使用空間輸出激光器的偏振調制拉曼探頭及光譜探測方法。本專利技術提供了一種使用空間輸出激光器的偏振調制拉曼探頭，包括：空間輸出激光器、光路轉換裝置、聚集采集裝置、耦合濾光裝置、光譜儀、波片；所述空間輸出激光器用于輸出長軸方向和短軸方向發散角不一致的激光光束；所述激光光束為線偏振光；所述光路轉換裝置設置于所述空間輸出激光器輸出激光光束的輸出光路上，用于對所述激光光束進行反射；所述聚集采集裝置以垂直于所述光路轉換裝置反射的激光光束的方式設置于所述光路轉換裝置的一側，用于聚集所述光路轉換裝置反射后的光束；所述耦合濾光裝置以垂直于所述光路轉換裝置透射的激光光束的方式設置于所述光路轉換裝置的另一側，用于將采集到的光束進行光耦合后將形成的條形光斑聚集在所述光譜儀的狹縫處；所述波片設置于所述空間輸出激光器和所述光路轉換裝置之間的光路上，或者，所述波片設置于所述光路轉換裝置和所述聚集采集裝置的焦點之間的光路上。上述激光激發光譜探測探頭還具有以下特點：所述波片為四分之一波片，所述波片的快軸方向角θ與所述激光光束的線偏振方向角成正45度角或負45度角。上述激光激發光譜探測探頭還具有以下特點：所述消極化偏振拉曼探頭還包括以垂直于所述空間輸出激光器輸出的激光光束的方式設置于所述空間輸出激光器和所述光路轉換裝置之間的凈化濾光片；所述波片設置于所述空間輸出激光器和所述光路轉換裝置之間的光路上包括：所述波片以垂直于所述空間輸出激光器輸出的激光光束的方式設置于所述空間輸出激光器和所述凈化濾光片之間，或者，所述波片以垂直于所述空間輸出激光器輸出的激光光束的方式設置于所述凈化濾光片與所述光路轉換裝置之間。上述激光激發光譜探測探頭還具有以下特點：所述波片設置于所述光路轉換裝置和所述聚集采集裝置的焦點之間的光路上包括：所述波片以垂直于所述光路轉換裝置的反射激光光束的方式設置于所述光路轉換裝置和所述聚集采集裝置之間；或者，所述波片設置于所述聚集采集裝置的光束匯聚側。上述激光激發光譜探測探頭還具有以下特點：所述消極化偏振拉曼探頭還包括設置于所述光路轉換裝置和聚集采集裝置之間的陷波濾光片。本專利技術還提供了一種光譜探測方法，包括：步驟1，在所述聚集采集裝置的焦點處放置樣品；步驟2，使用空間輸出激光器輸出長軸方向和短軸方向發散角不一致的激光光束；所述激光光束為線偏振光；使激光光束經由波片透射到所述光路轉換裝置處；通過所述光路轉換裝置將激光光束反射到聚集采集裝置，所述聚集采集裝置將所述光路轉換裝置反射后的光束聚集在放置有樣品的焦點處并采集從樣品散射回的光束；所述光路轉換裝置透射從聚集采集裝置透射回的光束；或者，使用空間輸出激光器輸出長軸方向和短軸方向發散角不一致的激光光束；所述激光光束為線偏振光；通過所述光路轉換裝置將激光光束進行反射，經由波片和聚集采集裝置或者經由聚集采集裝置和波片將所述光路轉換裝置反射后的激光光束聚集在放置有樣品的焦點處并透射從樣品散射回的光束；所述光路轉換裝置透射從樣品散射回的光束；步驟3，所述耦合濾光裝置將采集到的光束進行光耦合后將形成的條形光斑聚集在所述光譜儀的狹縫處；上述光譜探測方法還具有以下特點：所述波片為四分之一波片，所述波片的快軸方向角θ與所述激光光束的線偏振方向角成正45度角或負45度角。上述光譜探測方法還具有以下特點：所述使激光光束經由波片透射到所述光路轉換裝置處包括：使激光光束經由波片和凈化濾光片或者經由凈化濾光片和波片透射到所述光路轉換裝置處。上述光譜探測方法還具有以下特點：所述步驟2和步驟3之間還包括：陷波濾光片接收光路轉換裝置透射的光束并透射輸出至所述耦合濾光裝置。本專利技術采用與狹縫方向平行的非軸對稱空間條形光斑輸出模式的激光器設計，使激光長軸方向和短軸方向的發散角與狹縫匹配，使匯聚后同樣能量的激光能量由圓形區域分布變為條形區域分布本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種使用空間輸出激光器的偏振調制拉曼探頭，其特征在于，包括：空間輸出激光器(1)、光路轉換裝置(2)、聚集采集裝置(3)、耦合濾光裝置、光譜儀(5)、波片(6)；所述空間輸出激光器(1)用于輸出長軸方向和短軸方向發散角不一致的激光光束；所述激光光束為線偏振光；所述光路轉換裝置(2)設置于所述空間輸出激光器(1)輸出激光光束的輸出光路上，用于對所述激光光束進行反射；所述聚集采集裝置(3)以垂直于所述光路轉換裝置(2)反射的激光光束的方式設置于所述光路轉換裝置(2)的一側，用于聚集所述光路轉換裝置(2)反射后的光束；所述耦合濾光裝置(4)以垂直于所述光路轉換裝置(2)透射的激光光束的方式設置于所述光路轉換裝置(2)的另一側，用于將采集到的光束進行光耦合后將形成的條形光斑聚集在所述光譜儀(5)的狹縫處；所述波片(6)設置于所述空間輸出激光器(1)和所述光路轉換裝置(2)之間的光路上，或者，所述波片(6)設置于所述光路轉換裝置(2)和所述聚集采集裝置(3)的焦點之間的光路上。

【技術特征摘要】
1.一種使用空間輸出激光器的偏振調制拉曼探頭，其特征在于，包括：空間輸出激光器(1)、光路轉換裝置(2)、聚集采集裝置(3)、耦合濾光裝置、光譜儀(5)、波片(6)；所述空間輸出激光器(1)用于輸出長軸方向和短軸方向發散角不一致的激光光束；所述激光光束為線偏振光；所述光路轉換裝置(2)設置于所述空間輸出激光器(1)輸出激光光束的輸出光路上，用于對所述激光光束進行反射；所述聚集采集裝置(3)以垂直于所述光路轉換裝置(2)反射的激光光束的方式設置于所述光路轉換裝置(2)的一側，用于聚集所述光路轉換裝置(2)反射后的光束；所述耦合濾光裝置(4)以垂直于所述光路轉換裝置(2)透射的激光光束的方式設置于所述光路轉換裝置(2)的另一側，用于將采集到的光束進行光耦合后將形成的條形光斑聚集在所述光譜儀(5)的狹縫處；所述波片(6)設置于所述空間輸出激光器(1)和所述光路轉換裝置(2)之間的光路上，或者，所述波片(6)設置于所述光路轉換裝置(2)和所述聚集采集裝置(3)的焦點之間的光路上。2.如權利要求1所述的激光激發光譜探測探頭，其特征在于，所述波片(6)為四分之一波片，所述波片(6)的快軸方向角θ與所述激光光束的線偏振方向角成正45度角或負45度角。3.如權利要求1或2所述的消極化偏振拉曼探頭，其特征在于，所述消極化偏振拉曼探頭還包括以垂直于所述空間輸出激光器(1)輸出的激光光束的方式設置于所述空間輸出激光器(1)和所述光路轉換裝置(2)之間的凈化濾光片(7)；所述波片(6)設置于所述空間輸出激光器(1)和所述光路轉換裝置(2)之間的光路上包括：所述波片(6)以垂直于所述空間輸出激光器(1)輸出的激光光束的方式設置于所述空間輸出激光器(1)和所述凈化濾光片(7)之間，或者，所述波片(6)以垂直于所述空間輸出激光器(1)輸出的激光光束的方式設置于所述凈化濾光片(7)與所述光路轉換裝置(2)之間。4.如權利要求1或2所述的消極化偏振拉曼探頭，其特征在于，所述波片(6)設置于所述光路轉換裝置(2)和所述聚集采集裝置(3)的焦點之間的光路上包括：所述波片(6)以垂直于所述光路轉換裝置(...

【專利技術屬性】
技術研發人員：熊勝軍，夏征，
申請(專利權)人：北京華泰諾安探測技術有限公司，
類型：發明
國別省市：北京;11