基于多波長同時激發(fā)的拉曼信號檢測與提取系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】一種基于多波長同時激發(fā)的拉曼信號檢測與提取系統(tǒng)，包括用于產(chǎn)生單一波長激光的拉曼激光器；用于產(chǎn)生多波長連續(xù)激光的光學頻率梳產(chǎn)生單元；用于對待檢測樣品進行聚焦輻照，同時收集產(chǎn)生的拉曼光譜的光譜采集單元；以及用于對所收集拉曼光譜進行分析、顯示并對拉曼信號進行提取的算法處理單元；其中所述拉曼激光器與光學頻率梳產(chǎn)生單元之間設(shè)置控制所述單一波長激光直接入射至光譜采集單元或者經(jīng)由光學頻率梳產(chǎn)生單元產(chǎn)生多波長連續(xù)激光然后再入射至光譜采集單元的開關(guān)控制單元；本發(fā)明在單一激光器的基礎(chǔ)上實現(xiàn)了多波長激發(fā)同時激發(fā)，可以實現(xiàn)實時、快速的拉曼檢測；同時結(jié)合后期的算法處理，克服了高噪聲、強熒光背景給拉曼信號提取帶來的影響。
【專利說明】基于多波長同時激發(fā)的拉曼信號檢測與提取系統(tǒng)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于拉曼光譜檢測【技術(shù)領(lǐng)域】，特別涉及一種基于多波長同時激發(fā)的拉曼信號檢測與提取系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]拉曼光譜是一種分子振動和轉(zhuǎn)動光譜，激發(fā)光子與分子通過相互作用產(chǎn)生表征分子振動或轉(zhuǎn)動能級差的特征頻移，由此可判斷出分子中所含有的化學鍵或官能團，從而得到分子結(jié)構(gòu)或成分的信息，每種物質(zhì)都有對應(yīng)的“指紋”拉曼光譜，因而拉曼光譜在光譜學大家族中占著重要地位。目前，拉曼光譜已經(jīng)廣泛應(yīng)用于化學、生物醫(yī)學、材料、環(huán)保、安檢和考古等領(lǐng)域。隨著激光技術(shù)和信號檢測技術(shù)的發(fā)展，拉曼光譜技術(shù)在當代工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和科學研究中必將得到越來越廣泛的應(yīng)用。但在檢測過程中，樣品含有雜質(zhì)或熒光吸收物質(zhì)時會產(chǎn)生熒光干擾，且當激發(fā)光子提供了足夠的能量以致產(chǎn)生熒光時，拉曼信號將變模糊甚至被掩蓋，一般情況下，熒光的強度是拉曼散射光的IO6-1O8倍。另外，CXD等光電探測器本身的隨機噪聲和暗電流也會對一些相對弱的拉曼峰的識別產(chǎn)生嚴重的干擾。這些問題都極大地制約了拉曼光譜技術(shù)在實際中的應(yīng)用。
[0003]為了扣除熒光背景、濾除噪聲，從而準確地提取出拉曼信號，一種稱之為移頻激發(fā)法(SERDS)的技術(shù)被提了出來，其是基于拉曼光譜與熒光光譜對激發(fā)光波長的依賴程度不同而提出的。在一定的范圍內(nèi)，熒光光譜幾乎不會隨著激發(fā)波長的變化而變化，相反拉曼光譜卻會緊密跟隨激發(fā)波長的變化而發(fā)生移動。若采用兩個波長相近的激光分別激發(fā)樣品，得到兩組散射譜，再利用差分方法，得到兩個散射譜的差值譜，則在該差值譜中熒光的光譜信號幾乎被完全消除，而拉曼信號卻能夠保留下來。移頻激發(fā)法多使用兩個或者三個不同波長的激光器，采用逐次激發(fā)樣品的方式得到不同的散射譜，然后在后期處理中提取出拉曼信號。移頻激發(fā)法提取出的拉曼信號的信噪比與使用的激發(fā)波長的數(shù)量成正比，但是多個激光器的聯(lián)合使用必然極大地增加光源復雜度與探測成本；同時逐次探測的方式會增加樣品輻照的時間，對于生物樣品可能造成光損傷。除此之外，移頻激發(fā)法在高噪聲的情況下很難提取弱的拉曼峰。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點，本發(fā)明的目的在于提供一種基于多波長同時激發(fā)的拉曼信號檢測與提取系統(tǒng)，用于高噪聲、強熒光背景的拉曼信號測量與提取，在使用單一激光器的基礎(chǔ)上，采用相位調(diào)制產(chǎn)生多波長激發(fā)光對樣品進行同時激發(fā)的技術(shù)，可以對樣品進行簡單、快速的檢測，同時克服高熒光、強噪聲背景的影響，準確地提取出拉曼信號。
[0005]為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是:
[0006]一種基于多波長同時激發(fā)的拉曼信號檢測與提取系統(tǒng)，包括:
[0007]用于產(chǎn)生單一波長激光5的拉曼激光器I ;
[0008]用于產(chǎn)生多波長連續(xù)激光7的光學頻率梳產(chǎn)生單元6 ；[0009]用于對待檢測樣品進行聚焦輻照，同時收集產(chǎn)生的拉曼光譜的光譜采集單元；
[0010]以及，
[0011]用于對所收集拉曼光譜進行分析、顯示并對拉曼信號進行提取的算法處理單元；
[0012]其中，所述拉曼激光器I與光學頻率梳產(chǎn)生單元6之間設(shè)置控制所述單一波長激光5直接入射至光譜采集單元或者經(jīng)由光學頻率梳產(chǎn)生單元6產(chǎn)生多波長連續(xù)激光7然后再入射至光譜采集單元的開關(guān)控制單元。
[0013]所述多波長連續(xù)激光7為等頻率間隔的多波長光學頻率梳，所述光學頻率梳產(chǎn)生單元6包括F-P腔、相位調(diào)制晶體以及微波信號源。
[0014]所述光學頻率梳產(chǎn)生單元6中，微波信號源為驅(qū)動，相位調(diào)制晶體對入射的單一波長激光5進行調(diào)制，在中心頻率的兩側(cè)距中心頻率同樣間距處出現(xiàn)成對的邊頻，各個頻率分量之間的間隔與微波信號源的頻率一致，經(jīng)過F-P腔的多次反射與相位調(diào)制晶體的調(diào)制，得到頻域上間隔相等且和微波信號源提供的頻率一致的光學頻率梳。
[0015]所述光譜采集單元包括:
[0016]用于接收單一波長激光5或多波長連續(xù)激光7的激發(fā)光纖15 ；
[0017]用于將激發(fā)光纖15傳導激光聚焦后輻照至樣品12上并收集所產(chǎn)生的拉曼光譜(即散射光譜)的拉曼探頭11;
[0018]以及用于將所收集拉曼光譜傳導至算法處理單元的收集光纖16。
[0019]所述算法處理單元包括:
[0020]用于接收收集光纖16所傳導拉曼光譜并將其進行光柵分光、CCD探測后得到不同波數(shù)對應(yīng)的光強度信息的光譜儀13 ；
[0021]以及，用于運行算法恢復出真實拉曼信號的計算機14。
[0022]所述開關(guān)控制單元包括:
[0023]布置于單一波長激光5向光學頻率梳產(chǎn)生單兀6入射路線上的反射鏡一 3 ；
[0024]布置于多波長連續(xù)激光7向光譜采集單元入射路線上的反射鏡四9 ；
[0025]布置于反射鏡一 3的反射路線上的反射鏡二 4 ；
[0026]布置于反射鏡二 4的反射路線上的反射鏡三10，且反射鏡四9位于反射鏡三10的反射路線上；
[0027]作用于反射鏡一 3控制其開閉的開關(guān)一 2 ；
[0028]以及，
[0029]作用于反射鏡四9控制其開閉的開關(guān)二 8 ；
[0030]當同時開啟反射鏡一 3和反射鏡四9時，單一波長激光5經(jīng)四個反射鏡反射后之間入射至光譜采集單元；
[0031]當同時關(guān)閉反射鏡一 3和反射鏡四9時，單一波長激光5經(jīng)光學頻率梳產(chǎn)生單元6后產(chǎn)生多波長連續(xù)激光7，然后再入射至光譜采集單元。
[0032]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是:
[0033]1.采用單一拉曼激光器實現(xiàn)多波長的拉曼激發(fā)，避免了傳統(tǒng)的移頻激發(fā)法采用多個激光器帶來的光源的高復雜性，以及高成本。
[0034]2.采用多個波長同時激發(fā)的方式，大大節(jié)省了 了傳統(tǒng)的移頻激發(fā)法的不同波長逐個激發(fā)的時間成本，同時也避免了對樣本的光損傷。[0035]3.采用特定的拉曼信號提取算法，不僅可以極大地抑制熒光背景，同時顯著提高了在強噪聲背景中的拉曼信號恢復能力，特別對于弱拉曼峰的提取作用非常明顯。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0036]圖1是本發(fā)明相位測量系統(tǒng)框圖。
[0037]圖2是本發(fā)明多波長同時激發(fā)的拉曼信號測量與提取系統(tǒng)的結(jié)果對比圖。
【具體實施方式】
[0038]下面結(jié)合附圖和實施例詳細說明本發(fā)明的實施方式。
[0039]本發(fā)明在僅僅使用單一激光器的基礎(chǔ)上實現(xiàn)了對樣品的多波長同時激發(fā)的拉曼探測，并且結(jié)合單一波長激發(fā)得到的散射光譜，運用特定的算法成功提取出了準確的拉曼信號；極大程度地簡化了拉曼的激發(fā)光源，實現(xiàn)了實時、快速的拉曼檢測；同時能成功的從高熒光、強噪聲背景中回復弱的拉曼峰。
[0040]如圖1所示，一種基于多波長同時激發(fā)的拉曼信號檢測與提取系統(tǒng)，包括:用于產(chǎn)生單一波長激光5的拉曼激光器1、用于產(chǎn)生多波長連續(xù)激光7的光學頻率梳產(chǎn)生單元6、用于對待檢測樣品進行聚焦輻照，同時收集產(chǎn)生的拉曼光譜的光譜采集單元；以及，用于對所收集拉曼光譜進行分析、顯示并對拉曼信號進行提取的算法處理單元；其中，拉曼激光器I與光學頻率梳產(chǎn)生單元6之間設(shè)置控制所述單一波長激光5直接入射至光譜采集單元或者經(jīng)由光學頻率梳產(chǎn)生單元6產(chǎn)生多波長連續(xù)激光7然后再入射至光譜采集單元的開關(guān)控制單兀。
[0041]光學頻率梳產(chǎn)生單元6是產(chǎn)生多波長連續(xù)激光7的關(guān)鍵部分，其包括F-P腔、相位調(diào)制晶體以及微波信號源。在微波信號源的驅(qū)動下，相位調(diào)制晶體對入射的單一波長激光5進行調(diào)制，調(diào)制的結(jié)果是在中心頻率的兩側(cè)距中心頻率同樣間距處出現(xiàn)成對的邊頻。假設(shè)微波信號源的頻率為fm，則各個頻率分量之間的間隔也為fm。根據(jù)拉曼光譜隨著激發(fā)波長的平移而產(chǎn)生相同平移的原則，相鄰激發(fā)波長產(chǎn)生的拉曼峰也會平移相同的波數(shù)。最終經(jīng)過F-P腔的多次反射與相位調(diào)制晶體的調(diào)制，得到頻域上間隔相等且和微波信號源提供的頻率一致的光學頻率梳，即多波長連續(xù)激光7。
[0042]光譜采集單元包括:用于接收單一波長激光5或多波長連續(xù)激光7的激發(fā)光纖15 ;用于將激發(fā)光纖15傳導激光聚焦后輻照至樣品12上并收集所產(chǎn)生的拉曼光譜的拉曼探頭11 ;以及用于將所收集拉曼光譜傳導至算法處理單元的收集光纖16，其中拉曼探頭11集聚焦、輻照、收集、濾波于一體。
[0043]算法處理單元包括:用于接收收集光纖16所傳導拉曼光譜并將其進行光柵分光、CCD探測后得到不同波數(shù)對應(yīng)的光強度信息的光譜儀13 ;以及，用于運行算法恢復出真實拉曼信號的計算機14，二者之間通過數(shù)據(jù)傳輸線17傳輸數(shù)據(jù)。計算機14運行的算法過程是:首先對單一波長激光5激發(fā)的散射光譜做功率上的修正，處理的公式如下(I)所示，得到修正的光譜數(shù)據(jù)之后，再結(jié)合多波長連續(xù)激光7激發(fā)得到的光譜數(shù)據(jù)，兩者進行作差處理，對差值光譜進行拉曼信號的提取。
[0044]開關(guān)控制單元包括:布置于單一波長激光5向光學頻率梳產(chǎn)生單元6入射路線上的反射鏡一 3 ;布置于多波長連續(xù)激光7向光譜采集單元入射路線上的反射鏡四9 ;布置于反射鏡一 3的反射路線上的反射鏡二 4 ;布置于反射鏡二 4的反射路線上的反射鏡三10，且反射鏡四9位于反射鏡三10的反射路線上；作用于反射鏡一 3控制其開閉的開關(guān)一 2 ；以及作用于反射鏡四9控制其開閉的開關(guān)二 8 ;當同時開啟反射鏡一 3和反射鏡四9時，單一波長激光5經(jīng)四個反射鏡反射后之間入射至光譜采集單元；當同時關(guān)閉反射鏡一 3和反射鏡四9時，單一波長激光5經(jīng)光學頻率梳產(chǎn)生單元6后產(chǎn)生多波長連續(xù)激光7，然后再入射至光譜采集單元。因此，通過控制開關(guān)一 2和開關(guān)二 8的開閉，可以實現(xiàn)拉曼激發(fā)光源為單一波長激光5或者多波長連續(xù)激光7。上述的開關(guān)一 2和開關(guān)二 8，可采用New Foucs所產(chǎn)型號為9891-M的可翻轉(zhuǎn)的光學支架(Flipper Optics Mounts)。
[0045]本發(fā)明臺階拉曼光譜的激發(fā)與拉曼信號的恢復的步驟如下:
[0046]步驟1:
[0047]關(guān)閉開關(guān)一 2與開關(guān)二 8，使得射鏡一 3和反射鏡四9不位于光路中。此時單一波長激光5進入光學頻率梳產(chǎn)生單元6，從而產(chǎn)生多波長連續(xù)激光7。假設(shè)波長數(shù)量為N，則兩邊的邊頻數(shù)量分別為k，其中k滿足:N = 2k+l ;同時假設(shè)每個波長的功率相對于入射的單一波長的功率的 比值為C(j)，其中:j = 1,2……N。
[0048]此時，產(chǎn)生的多波長連續(xù)激光7進入激發(fā)光纖15，經(jīng)過拉曼探頭11的聚焦后輻照在樣品12上，同時記下積分時間T ;再由拉曼探頭11收集產(chǎn)生的散射光譜，經(jīng)濾波后，由收集光纖16傳導進入高分辨的光譜儀13，由光柵的分光、CCD探測后得到對應(yīng)波數(shù)與強度的數(shù)值，記為Pl (V)。Pl (V)被暫時存儲在計算機14上，等待進一步處理。
[0049]步驟2:
[0050]打開開關(guān)一 2與開關(guān)二 8，使得射鏡一 3和反射鏡四9位于光路中，此時光路經(jīng)過使得射鏡一 3、反射鏡二 4、反射鏡三10和反射鏡四9的反射，繞過光學頻率梳產(chǎn)生單元6，直接進入激發(fā)光纖15，同樣經(jīng)過拉曼探頭11的聚焦后輻照在樣品12上，保持同樣的積分時間T ;再由拉曼探頭11產(chǎn)生的散射光譜，經(jīng)濾波后，由收集光纖16傳導進入高分辨的光譜儀13，由光柵的分光、CXD探測后得到對應(yīng)波數(shù)與強度的數(shù)值，記為P2 (V)。P2(V)也被暫時存儲在計算機14上。
[0051]步驟3:
[0052]首先對P2(V)做功率上的修正，處理的公式如下:
[0053]P3(V) =Σ C(j) XP2(V)(I)
[0054]P3(V)為修正后的數(shù)據(jù)。
[0055]步驟4:結(jié)合Pl (V)與P3 (V)的光譜數(shù)據(jù)，在計算機上運用如下算法進行拉曼信號的提取處理:
[0056]I) P4 (V) =Pl (V) -P3 (V)
[0057]2)對P4(V)運用峰值探測算法(或者叫尋峰算法)進行處理，得到每一個峰(大于零且大于某一個閾值，閾值需要根據(jù)具體的光譜特性進行確定)的位置(Xtli)、高度(Atli)、寬度(Wtli)以及峰的個數(shù)(m)；
[0058]3)由2)中得到的數(shù)據(jù)，帶入下面的表達式:
【權(quán)利要求】
1.一種基于多波長同時激發(fā)的拉曼信號檢測與提取系統(tǒng)，其特征在于，包括: 用于產(chǎn)生單一波長激光(5)的拉曼激光器(I)； 用于產(chǎn)生多波長連續(xù)激光(7)的光學頻率梳產(chǎn)生單元(6)； 用于對待檢測樣品進行聚焦輻照，同時收集產(chǎn)生的拉曼光譜的光譜采集單元； 以及， 用于對所收集拉曼光譜進行分析、顯示并對拉曼信號進行提取的算法處理單元； 其中，所述拉曼激光器(I)與光學頻率梳產(chǎn)生單元(6)之間設(shè)置控制所述單一波長激光(5)直接入射至光譜采集單元或者經(jīng)由光學頻率梳產(chǎn)生單元(6)產(chǎn)生多波長連續(xù)激光 (7)然后再入射至光譜采集單元的開關(guān)控制單元。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于多波長同時激發(fā)的拉曼信號檢測與提取系統(tǒng)，其特征在于，所述多波長連續(xù)激光(7)為等頻率間隔的多波長光學頻率梳，所述光學頻率梳產(chǎn)生單元(6)包括F-P腔、相位調(diào)制晶體以及微波信號源。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于多波長同時激發(fā)的拉曼信號檢測與提取系統(tǒng)，其特征在于，所述光學頻率梳產(chǎn)生單元(6)中，微波信號源為驅(qū)動，相位調(diào)制晶體對入射的單一波長激光(5)進行調(diào)制，在中心頻率的兩側(cè)距中心頻率同樣間距處出現(xiàn)成對的邊頻，各個頻率分量之間的間隔與微波信號源的頻率一致，經(jīng)過F-P腔的多次反射與相位調(diào)制晶體的調(diào)制，得到頻域上間隔相等且和微波信號源提供的頻率一致的光學頻率梳。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于多波長同時激發(fā)的拉曼信號檢測與提取系統(tǒng)，其特征在于，所述光譜采集單元包括: 用于接收單一波長激光(5)或多波長連續(xù)激光(7)的激發(fā)光纖(15)； 用于將激發(fā)光纖(15)傳導激光聚焦后輻照至樣品(12)上并收集所產(chǎn)生的拉曼光譜的拉曼探頭(11); 以及用于將所收集拉曼光譜傳導至算法處理單元的收集光纖(16)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于多波長同時激發(fā)的拉曼信號檢測與提取系統(tǒng)，其特征在于，所述算法處理單元包括: 用于接收收集光纖(16)所傳導拉曼光譜并將其進行光柵分光、CCD探測后得到不同波數(shù)對應(yīng)的光強度信息的光譜儀(13)； 以及，用于運行算法恢復出真實拉曼信號的計算機(14)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或5所述的基于多波長同時激發(fā)的拉曼信號檢測與提取系統(tǒng)，其特征在于，所述算法過程如下: DP4(V) = Pl(v)-P3(v)，其中，Pl(V)為多波長連續(xù)激光(7)所產(chǎn)生拉曼光譜進行光柵分光、CCD探測后得到的對應(yīng)波數(shù)與強度的數(shù)值，P3(V)為對P2(V)功率修正后的數(shù)據(jù)，P3(V) =EC(J) XP2(V)，P2(V)為單一波長激光(5)所產(chǎn)生拉曼光譜進行光柵分光、C⑶探測后得到的對應(yīng)波數(shù)與強度的數(shù)值； 2)對P4(V)運用峰值探測算法進行處理，得到每一個峰的位置(ΧΜ)、高度(ΑΜ)、寬度(W0i)以及峰的個數(shù)(m)； 3)由步驟2)中得到的數(shù)據(jù)，帶入下面的表達式:
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于多波長同時激發(fā)的拉曼信號檢測與提取系統(tǒng)，其特征在于，所述開關(guān)控制單元包括: 布置于單一波長激光(5)向光學頻率梳產(chǎn)生單兀(6)入射路線上的反射鏡一(3)； 布置于多波長連續(xù)激光(7)向光譜采集單元入射路線上的反射鏡四(9)； 布置于反射鏡一(3)的反射路線上的反射鏡二(4)； 布置于反射鏡二(4)的反射路線上的反射鏡三(10)，且反射鏡四(9)位于反射鏡三(10)的反射路線上； 作用于反射鏡一(3)控制其開閉的開關(guān)一(2); 以及， 作用于反射鏡四(9)控制其開閉的開關(guān)二(8)； 當同時開啟反射鏡一(3)和反射鏡四(9)時，單一波長激光(5)經(jīng)四個反射鏡反射后之間入射至光譜采集單元； 當同時關(guān)閉反射鏡一(3)和反射鏡四(9)時，單一波長激光(5)經(jīng)光學頻率梳產(chǎn)生單元(6)后產(chǎn)生多波長連續(xù)激光(7)，然后再入射至光譜采集單元。
【文檔編號】G01N21/01GK103983631SQ201410251396
【公開日】2014年8月13日 申請日期:2014年6月6日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月6日
【發(fā)明者】陳琨, 李巖, 吳學健 申請人:清華大學