集成式拉曼光譜檢測器的制造方法
【專利摘要】描述了一種利用外差檢測方案進(jìn)行拉曼光譜的系統(tǒng)和方法。該外差檢測方案能夠?qū)⒁呀?jīng)穿過待分析樣品的輻射的經(jīng)調(diào)制的部分與基準(zhǔn)輻射組合，以生成組合的頻率信號。該基準(zhǔn)輻射的至少一部分能夠被從該組合的頻率信號濾出，產(chǎn)生經(jīng)濾波的頻率信號?？梢愿鶕?jù)經(jīng)濾波的信號確定與樣品相關(guān)的信息。然后可以分析所確定的信息以確定該樣品的化學(xué)成分。
【專利說明】集成式拉曼光譜檢測器

【背景技術(shù)】
[0001] 拉曼光譜是調(diào)查并確定無論是固態(tài)的、液態(tài)的或氣態(tài)的形式的樣品的化學(xué)成分的 一種眾所周知的方法。精細(xì)的激光器，通常是以單波長運行的單模激光器，是針對該樣品 的。分散的拉曼信號通過光學(xué)探針被收集并且在高分辨率光譜儀中進(jìn)行分析。激光器以波 長λ射包括光子在內(nèi)的輸入信號。光子被該樣品以取決于該樣品的化學(xué)成分的位移的 波長λ。散射，其中λ 。該位移是在散射之前促使某些輸入能量被樣品吸收的依賴分 子的光子的結(jié)果。散射的光子對于每個分子來說是唯一的，因此收集到的光譜是樣品的化 學(xué)成分的唯一表不。
[0002] 只有一小部分的輸入信號引起拉曼效應(yīng)（總輸入信號的KT9量級），所以必須極 大地加強檢測。這產(chǎn)生了對用于檢測的高分辨率和低噪音光譜儀的需求。這種光譜儀通常 尺寸較大，獲取和運行的成本昂貴，并需要冷卻，而冷卻產(chǎn)生額外的功耗和額外的費用。近 來，一些手持式光譜儀已經(jīng)出現(xiàn)，這種手持式光譜儀的尺寸減小，但是卻以降低光譜分辨率 為代價，從而限制了其有用性。
[0003] 為了達(dá)到足夠的分辨率，傳統(tǒng)光譜儀需要高度地分散光，因此，傳統(tǒng)光譜儀在進(jìn)行 小型化或被設(shè)計成較小的設(shè)備時功能受到限制。在典型的拉曼光譜設(shè)備中，光譜儀占成本 的75%以上，并且占據(jù)相似比例的裝置尺寸和重量。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 在通常的一方面，實施方式公開了一種用于進(jìn)行拉曼光譜的系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括至 少一個第一輻射源，所述至少一個第一輻射源被配置為以第一頻率產(chǎn)生第一輻射并且將所 述第一輻射指向待分析的樣品，其中，所述第一輻射的至少一部分穿過所述樣品并且被所 述樣品調(diào)制，從而產(chǎn)生所述第一輻射的經(jīng)調(diào)制的部分；至少一個第二輻射源，該至少一個第 二輻射源被配置為以第二頻率生成基準(zhǔn)輻射；接收光學(xué)器件，該接收光學(xué)器件被配置為收 集該第一輻射的經(jīng)調(diào)制的部分；以及至少一個檢測裝置，該至少一個檢測裝置被配置為接 收包括所述第一輻射的所述經(jīng)調(diào)制的部分以及所述基準(zhǔn)輻射的組合的頻率信號，所述至少 一個檢測裝置包括至少一個濾波器，所述至少一個濾波器被配置為從所述組合的頻率信號 中過濾所述基準(zhǔn)輻射的至少一部分，以生成經(jīng)濾波的頻率信號。
[0005] 在通常的另一方面，實施方式公開了一種進(jìn)行拉曼光譜的方法。該方法包括：提 供待分析的樣品；將來自至少一個第一輻射源的第一輻射指向所述樣品，其中，所述第一輻 射的至少一部分穿過所述樣品并且被所述樣品調(diào)制，從而產(chǎn)生所述第一輻射的經(jīng)調(diào)制的部 分；在一個或多個接收光學(xué)器件處收集所述第一輻射的所述經(jīng)調(diào)制的部分；將所述第一輻 射的所述經(jīng)調(diào)制的部分從所述一個或多個接收光學(xué)器件指向至少一個檢測裝置；將所述第 一輻射的所述經(jīng)調(diào)制的部分與來自至少一個第二輻射源的基準(zhǔn)輻射組合，以生成組合的頻 率信號；以及在至少一個濾波器處對所組合的頻率信號進(jìn)行濾波以除去所述基準(zhǔn)輻射的至 少一部分，以生成經(jīng)濾波的頻率信號。
[0006] 在通常的另一方面，實施方式公開了一種確定樣品的化學(xué)成分的系統(tǒng)。該系統(tǒng)包 括：至少一個第一激光器，該至少一個第一激光器被配置為產(chǎn)生具有第一頻率的第一輻射 并且將所述第一輻射指向待分析的樣品，其中，所述第一輻射的至少一部分穿過所述樣品 并且被所述樣品調(diào)制，從而產(chǎn)生所述第一輻射的經(jīng)調(diào)制的部分；至少一個第二激光器，該至 少一個第二激光器被配置產(chǎn)生具有第二頻率的基準(zhǔn)輻射；接收光學(xué)器件，該接收光學(xué)器件 被配置為收集所述第一輻射的所述經(jīng)調(diào)制的部分；檢測裝置，該檢測裝置被配置為接收包 括所述第一輻射的所述經(jīng)調(diào)制的部分以及所述基準(zhǔn)輻射的組合的頻率信號。所述檢測裝置 包括：至少一個濾波器，該至少一個濾波器被配置為從所述組合的頻率信號中過濾所述基 準(zhǔn)輻射的至少一部分，以生成經(jīng)濾波的頻率信號，以及至少一個傳感器，該至少一個傳感器 被配置為根據(jù)所述經(jīng)濾波的頻率信號確定與所述樣品相關(guān)的信息。所述分析裝置被配置為 根據(jù)所確定的信息來確定所述樣品的化學(xué)成分。
[0007] 在通常的另一方面，實施方式公開了一種確定樣品的化學(xué)成分的方法。該方法包 括以下步驟：提供待分析的樣品；將來自至少一個第一激光器的第一輻射指向所述樣品， 其中，所述第一輻射的至少一部分穿過所述樣品并且被所述樣品調(diào)制，從而產(chǎn)生所述第一 輻射的經(jīng)調(diào)制的部分；在一個或多個接收光學(xué)器件處收集所述第一輻射的所述經(jīng)調(diào)制的部 分；將所述第一輻射的所述經(jīng)調(diào)制的部分從所述一個或多個接收光學(xué)器件指向檢測裝置； 將所述第一輻射的所述經(jīng)調(diào)制的部分與來自至少一個第二輻射源的基準(zhǔn)輻射進(jìn)行組合，以 生成組合的頻率信號；在至少一個濾波器處對所述組合的頻率信號進(jìn)行濾波以除去所述基 準(zhǔn)輻射的至少一部分，以生成經(jīng)濾波的頻率信號；在至少一個傳感器處根據(jù)所述經(jīng)濾波的 頻率信號確定與所述樣品相關(guān)的信息；以及在分析裝置處根據(jù)所確定的信息來確定所述樣 品的化學(xué)成分。
[0008] 前述內(nèi)容僅僅是說明性的，不得以任何方式用于限制。除了說明性的方面之外，上 述的實施方式和特征、其他方面、實施方式和特征將通過參照附圖和下面的詳細(xì)說明變得 明顯。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0009] 圖1示出用于進(jìn)行拉曼光譜的示例性系統(tǒng)。
[0010] 圖2示出用于進(jìn)行拉曼光譜的示例性過程。
[0011] 圖3示出用于進(jìn)行拉曼光譜的另選的系統(tǒng)。

【具體實施方式】
[0012] 拉曼光譜提供了關(guān)于能夠用于樣品鑒定和定量的分子振動的信息。該技術(shù)涉及在 樣品上照射單色光源（即，激光器）以及檢測散射光。散射光的大部分與激勵源的頻率相 同；這被稱為瑞利或彈性散射。由于入射電磁波和樣品中分子的振動能量級之間的相互作 用，少量散射光（約10-5%的入射光強）從激光頻率開始在能量上位移。針對頻率測繪該 "位移的"的光的強度產(chǎn)生樣品的拉曼光譜。通常，相對于激光頻率來測繪拉曼光譜，使得瑞 利譜帶處于Ocm-1。以這種規(guī)模，譜帶位置將位于與不同的功能組振動的能量級相對應(yīng)的頻 率處。因此能夠與紅外吸收光譜相似地解釋拉曼光譜。
[0013] 如本文中所用，"拉曼光譜"是指大約lOOcnT1到5000CHT1的輻射頻率范圍，正如從 輻射源的頻率所位移的那樣。單位CnT 1表示已經(jīng)穿過正被分析的樣品的所產(chǎn)生的信號與最 初針對該樣品的輸入信號相比的位移。拉曼光譜位移Δω的范圍可以利用下面的換算來 確定：

【權(quán)利要求】
1. 一種用于進(jìn)行拉曼光譜的系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括： 至少一個第一輻射源，所述至少一個第一輻射源被配置為以第一頻率產(chǎn)生第一輻射并 且將所述第一輻射指向待分析的樣品，其中，所述第一輻射的至少一部分穿過所述樣品并 且被所述樣品調(diào)制，從而產(chǎn)生所述第一輻射的經(jīng)調(diào)制的部分； 至少一個第二輻射源，所述至少一個第二輻射源被配置為以第二頻率產(chǎn)生基準(zhǔn)輻射； 接收光學(xué)器件，所述接收光學(xué)器件被配置為收集所述第一輻射的經(jīng)調(diào)制的部分；以及 至少一個檢測裝置，所述至少一個檢測裝置被配置為接收包括所述第一輻射的所述經(jīng) 調(diào)制的部分以及所述基準(zhǔn)輻射的組合的頻率信號，所述至少一個檢測裝置包括至少一個濾 波器，所述至少一個濾波器被配置為從所述組合的頻率信號中過濾所述基準(zhǔn)輻射的至少一 部分，以生成經(jīng)濾波的頻率信號。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)進(jìn)一步包括分析裝置，所述分析裝置被配置 為根據(jù)所述經(jīng)濾波的頻率信號確定所述樣品的化學(xué)成分。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，所述至少一個第一輻射源是具有可調(diào)諧分辨率 的動態(tài)可調(diào)諧輻射源，使得所述至少一個第一輻射源被配置為對頻率的動態(tài)范圍進(jìn)行掃 描。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，所述至少一個第一輻射源是可調(diào)諧激光器，該可 調(diào)諧激光器被配置為使得所述第一頻率位于拉曼光譜內(nèi)，其中，所述拉曼光譜的頻率位于 如從所述可調(diào)諧激光器的頻率所位移的100到5000CHT1范圍內(nèi)。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的系統(tǒng)，其中，所述至少一個第二輻射源是可調(diào)諧激光器，該可 調(diào)諧激光器被配置為使得所述基準(zhǔn)輻射位于所述第一輻射的頻率的5000CHT1內(nèi)。
6. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的系統(tǒng)，其中，所述至少一個第二輻射源是掃描激光器，該掃描 激光器被配置為使得所述基準(zhǔn)輻射的頻率位于所述第一輻射的頻率的5000CHT1內(nèi)。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，所述至少一個檢測裝置進(jìn)一步包括非線性混合 器。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，所述至少一個第一輻射源是可調(diào)諧激光二極管， 并且所述至少一個第二輻射源是可調(diào)諧激光二極管。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，所述至少一個第一輻射源是脈沖激光源，并且所 述至少一個第二輻射源是可調(diào)諧脈沖激光器。
10. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，所述至少一個濾波器是直流電子濾波器。
11. 一種進(jìn)行拉曼光譜的方法，該方法包括以下步驟： 提供待分析的樣品； 將來自至少一個第一輻射源的第一輻射指向所述樣品，其中，所述第一輻射的至少一 部分穿過所述樣品并且被所述樣品調(diào)制，從而產(chǎn)生所述第一輻射的經(jīng)調(diào)制的部分； 在一個或多個接收光學(xué)器件處收集所述第一輻射的所述經(jīng)調(diào)制的部分； 將所述第一輻射的所述經(jīng)調(diào)制的部分從所述一個或多個接收光學(xué)器件指向至少一個 檢測裝置； 將所述第一輻射的所述經(jīng)調(diào)制的部分與來自至少一個第二輻射源的基準(zhǔn)輻射組合，以 生成組合的頻率信號；以及 在至少一個濾波器處對所組合的頻率信號進(jìn)行濾波以除去所述基準(zhǔn)輻射的至少一部 分，以生成經(jīng)濾波的頻率信號。
12. 根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，所述方法進(jìn)一步包括在分析裝置處根據(jù)所述經(jīng)濾波 的頻率信號確定所述樣品的化學(xué)成分。
13. 根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其中，所述至少一個第一輻射源是具有可調(diào)諧分辨 率的動態(tài)可調(diào)諧輻射源，使得所述至少一個第一輻射源被配置為對頻率的動態(tài)范圍進(jìn)行掃 描。
14. 根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其中，所述至少一個第一輻射源是可調(diào)諧激光器，該 可調(diào)諧激光器被配置為使得所述第一輻射位于拉曼光譜內(nèi)，其中，所述拉曼光譜的頻率位 于如從所述可調(diào)諧激光器的頻率所位移的100到5000CHT1范圍內(nèi)。
15. 根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，其中，所述至少一個第二輻射源是可調(diào)諧激光器，該 可調(diào)諧激光器被配置為使得所述基準(zhǔn)輻射的頻率位于所述第一輻射的頻率的5000CHT1內(nèi)。
16. 根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，其中，所述至少一個第二輻射源是掃描激光器，該掃 描激光器被配置為使得所述基準(zhǔn)輻射的頻率位于所述第一輻射的頻率的5000CHT1內(nèi)。
17. 根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其中，所述第一輻射的所述經(jīng)調(diào)制的部分和所述基 準(zhǔn)輻射被非線性混合器所組合。
18. 根據(jù)權(quán)利要求11所述的系統(tǒng)，其中，所述至少一個第一輻射源是可調(diào)諧激光二極 管，并且所述至少一個第二輻射源是可調(diào)諧激光二極管。
19. 根據(jù)權(quán)利要求11所述的系統(tǒng)，其中，所述至少一個第一輻射源是可調(diào)諧脈沖激光 器，并且所述至少一個第二輻射源是可調(diào)諧脈沖激光器。
20. 根據(jù)權(quán)利要求11所述的系統(tǒng)，其中，所述至少一個濾波器是直流電子濾波器。
21. -種用于確定樣品的化學(xué)成分的系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括： 至少一個第一激光器，該至少一個第一激光器被配置為產(chǎn)生具有第一頻率的第一輻射 并且將所述第一輻射指向待分析的樣品，其中，所述第一輻射的至少一部分穿過所述樣品 并且被所述樣品調(diào)制，從而產(chǎn)生所述第一輻射的經(jīng)調(diào)制的部分； 至少一個第二激光器，該至少一個第二激光器被配置產(chǎn)生具有第二頻率的基準(zhǔn)輻射； 接收光學(xué)器件，該接收光學(xué)器件被配置為收集所述第一輻射的所述經(jīng)調(diào)制的部分； 檢測裝置，該檢測裝置被配置為接收包括所述第一輻射的所述經(jīng)調(diào)制的部分以及所述 基準(zhǔn)輻射的組合的頻率信號，所述檢測裝置包括： 至少一個濾波器，該至少一個濾波器被配置為從所述組合的頻率信號中過濾所述基準(zhǔn) 輻射的至少一部分，以生成經(jīng)濾波的頻率信號，以及 至少一個傳感器，該至少一個傳感器被配置為根據(jù)所述經(jīng)濾波的頻率信號確定與所述 樣品相關(guān)的彳目息；以及 分析裝置，該分析裝置與所述至少一個傳感器可操作地連接，并且被配置為根據(jù)所確 定的信息來確定所述樣品的化學(xué)成分。
22. 根據(jù)權(quán)利要求21所述的系統(tǒng)，其中，所確定的信息包括振幅、相位、頻率或其組合。
23. 根據(jù)權(quán)利要求21所述的系統(tǒng)，其中，所述至少一個第一激光器是具有可調(diào)諧分辨 率的動態(tài)可調(diào)諧激光器，使得所述至少一個第一輻射源被配置為對頻率的動態(tài)范圍進(jìn)行掃 描。
24. 根據(jù)權(quán)利要求21所述的系統(tǒng)，其中，所述至少一個第一激光器是可調(diào)諧激光器，該 可調(diào)諧激光器被配置為使得所述第一頻率位于拉曼光譜內(nèi)，其中，所述拉曼光譜的頻率位 于如從所述可調(diào)諧激光器的頻率所位移的lOOcnT1到5000CHT1范圍內(nèi)。
25. 根據(jù)權(quán)利要求24所述的系統(tǒng)，其中，所述至少一個第二激光器是可調(diào)諧激光器，該 可調(diào)諧激光器被配置為使得所述基準(zhǔn)輻射的頻率位于所述第一輻射的頻率的5000CHT1內(nèi)。
26. 根據(jù)權(quán)利要求24所述的系統(tǒng)，其中，所述至少一個第二激光器是掃描激光器，該掃 描激光器被配置為使得所述基準(zhǔn)輻射的頻率位于所述第一輻射的頻率的5000CHT1內(nèi)。
27. 根據(jù)權(quán)利要求21所述的系統(tǒng)，其中，所述檢測裝置進(jìn)一步包括非線性混合器。
28. 根據(jù)權(quán)利要求21所述的系統(tǒng)，其中，所述至少一個第一激光器是可調(diào)諧激光二極 管，并且所述至少一個第二激光器是可調(diào)諧激光二極管。
29. 根據(jù)權(quán)利要求21所述的系統(tǒng)，其中，所述至少一個第一激光器是可調(diào)諧脈沖激光 器，并且所述至少一個第二激光器是可調(diào)諧脈沖激光器。
30. 根據(jù)權(quán)利要求21所述的系統(tǒng)，其中，所述至少一個濾波器是直流電子濾波器。
31. -種確定樣品的化學(xué)成分的方法，該方法包括： 提供待分析的樣品； 將來自至少一個第一激光器的第一輻射指向所述樣品，其中，所述第一輻射的至少一 部分穿過所述樣品并且被所述樣品調(diào)制，從而產(chǎn)生所述第一輻射的經(jīng)調(diào)制的部分； 在一個或多個接收光學(xué)器件處收集所述第一輻射的所述經(jīng)調(diào)制的部分； 將所述第一輻射的所述經(jīng)調(diào)制的部分從所述一個或多個接收光學(xué)器件指向檢測裝 置； 將所述第一輻射的所述經(jīng)調(diào)制的部分與來自至少一個第二輻射源的基準(zhǔn)輻射進(jìn)行組 合，以生成組合的頻率信號； 在至少一個濾波器處對所述組合的頻率信號進(jìn)行濾波以除去所述基準(zhǔn)輻射的至少一 部分，以生成經(jīng)濾波的頻率信號； 在至少一個傳感器處根據(jù)所述經(jīng)濾波的頻率信號確定與所述樣品相關(guān)的信息；以及 在分析裝置處根據(jù)所確定的信息來確定所述樣品的化學(xué)成分。
32. 根據(jù)權(quán)利要求31所述的方法，其中，所確定的信息包括振幅、相位、頻率或其組合。
33. 根據(jù)權(quán)利要求31所述的系統(tǒng)，其中，所述至少一個第一激光器是具有可調(diào)諧分辨 率的動態(tài)可調(diào)諧激光器，使得所述至少一個第一激光器被配置為對頻率的動態(tài)范圍進(jìn)行掃 描。
34. 根據(jù)權(quán)利要求31所述的方法，其中，所述至少一個第一激光器是可調(diào)諧激光器，該 可調(diào)諧激光器被配置為使得所述第一輻射位于拉曼光譜內(nèi)，其中，所述拉曼光譜的頻率位 于如從所述可調(diào)諧激光器的頻率所位移的100到5000CHT1范圍內(nèi)。
35. 根據(jù)權(quán)利要求34所述的方法，其中，所述至少一個第二激光器是可調(diào)諧激光器，該 可調(diào)諧激光器被配置為使得所述基準(zhǔn)輻射的頻率位于所述第一輻射的頻率的5000CHT1內(nèi)。
36. 根據(jù)權(quán)利要求34所述的方法，其中，所述至少一個第二激光器是掃描激光器，該掃 描激光器被配置為使得所述基準(zhǔn)輻射的頻率位于所述第一輻射的頻率的5000CHT1內(nèi)。
37. 根據(jù)權(quán)利要求31所述的方法，其中，所述第一輻射的所述經(jīng)調(diào)制的部分和所述基 準(zhǔn)輻射被非線性混合器所組合。
38. 根據(jù)權(quán)利要求31所述的方法，其中，所述至少一個第一激光器是可調(diào)諧激光二極 管，并且所述至少一個第二激光器是可調(diào)諧激光二極管。
39. 根據(jù)權(quán)利要求31所述的方法，其中，所述至少一個第一激光器是可調(diào)諧脈沖激光 器，并且所述至少一個第二激光器是可調(diào)諧脈沖激光器。
40. 根據(jù)權(quán)利要求31所述的系統(tǒng)，其中，所述至少一個濾波器是直流電子濾波器。
【文檔編號】G01J3/44GK104428643SQ201280074481
【公開日】2015年3月18日 申請日期:2012年6月4日 優(yōu)先權(quán)日:2012年6月4日
【發(fā)明者】莫迪埃·馬加利特, A·利普森 申請人:英派爾科技開發(fā)有限公司