本發(fā)明涉及拉曼光譜儀領(lǐng)域，具體涉及一種基于色散時變的光纖拉曼光譜儀。

背景技術(shù)：

拉曼譜線是印度物理學(xué)家拉曼1928年在研究液體苯散射時首次發(fā)現(xiàn)的，它是一種散射光譜。當(dāng)光照射到物體上時，有部分光會發(fā)生非彈性散射，散射光中除了與入射光相同的彈性成分外(瑞利散射)，還有比入射光頻率增大和減小的成分，其中頻率減小的成分稱為斯托克斯線，頻率增大的成分稱為反斯托克斯線，兩成分頻率對稱分布在激發(fā)光頻率的兩側(cè)。

拉曼效應(yīng)這主要是由分子振動，晶格中的光學(xué)聲子與激發(fā)光源相互作用的結(jié)果。當(dāng)一個光子與一個分子發(fā)生相互作用時，分子吸收一個光子后進入一個不穩(wěn)定的虛能態(tài)，接著會很快放射出一個光子，這時如果分子的振動或轉(zhuǎn)動能級比初始的能級高，那么發(fā)射光子的頻率就會比原始光子低，稱為斯托克斯光，反之分子的振動或轉(zhuǎn)動能級比初始低，光子的能量會增加，頻率會提高，被稱為反斯托克斯光，通過拉曼光譜儀記錄光子頻率發(fā)生的規(guī)律的變化稱為拉曼光譜。

每一種物質(zhì)都有特定的振動或轉(zhuǎn)動能級，對應(yīng)有特定的拉曼譜線，而且一般不隨入射波長變化而變化，所以拉曼譜線也被稱為指紋譜線，被廣泛應(yīng)用于物體成分的標定。

目前拉曼光譜分析儀發(fā)展到主要以下幾種形式:共焦顯微鏡拉曼光譜、共振拉曼光譜、表面增強拉曼散射和針尖表面增強的拉曼散射，這些光譜儀都是通過空間分光方式來得到光譜信息，需要光柵和消像差的透鏡，光路設(shè)計復(fù)雜，校準也比較繁瑣，而且機械穩(wěn)定性不高；同時在ccd尺寸一定的情況下，無法同時滿足大光譜測量范圍和高光譜分辨率的要求。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供一種基于色散時變的光纖拉曼光譜儀目的在于減輕光譜儀的重量，同時在保證分辨率的情況下又能擴大光譜測量范圍。

本發(fā)明的技術(shù)方案是：一種基于色散時變的光纖拉曼光譜儀包括激光探測系統(tǒng)和拉曼光譜探測系統(tǒng)。

所述的激光探測系統(tǒng)包括脈沖激光器、第一準直器和聲光調(diào)制器。

所述的拉曼光譜探測系統(tǒng)包括第二準直器、耦合器、第一光電探測器和第二第二探測器、示波器、普通光纖和色散光纖。

所述脈沖激光器與第一準直器通過光纖連接，聲光調(diào)制器與第一準直器相對平行放置。

所述第二準直器與耦合器通過光纖連接，所述耦合器與第一光電探測器通過普通光纖連接；所述耦合器與第二光電探測器通過色散光纖連接；所述第一光電探測器和第二光電探測分別通過串行總線與示波器連接。

優(yōu)選的，所述普通光纖長度比色散光纖長度短。

優(yōu)選的，所述耦合器為3db光耦合器。

優(yōu)選的，所述激光器為光纖鎖模孤子激光器，所述激光器采用非線性偏振旋轉(zhuǎn)方式鎖模、石墨烯鎖模、使染料被動鎖?；蛑鲃渔i模。

優(yōu)選的，所述色散光纖是分布式線性啁啾光柵或是光子晶體光纖。

優(yōu)選的，所述光譜儀還包括棱鏡組和透鏡系統(tǒng)。

優(yōu)選的，所述棱鏡組包括反射棱鏡和二向分色棱鏡，所述反射棱鏡和二向分色棱鏡在縱向方向相對水平放置；所述透鏡組包括前端物鏡和后端物鏡，所述透鏡組置于樣品和第二準直器之間。

一種基于色散時變的光纖拉曼光譜儀測試方法，所述方法包括如下步驟：

1)脈沖激光器發(fā)出脈沖激光，經(jīng)過第一準直器或反射鏡后形成空間光；

2)采用聲光調(diào)制器選擇其中一部分光，使得出光頻率為幾十到幾百赫茲；

3)脈沖激光到達待測物體表面后被反射和散射，其中一部分光經(jīng)過第二準直器被光纖收集；

4)收集的反射和散射光經(jīng)過光纖進入到耦合器，被均分成兩路光；

5)其中一路光在普通光纖中傳播，較先進入光電探測器中，在示波器顯示脈沖，作為時間起點0時刻；

6)另一路光在色散光纖中傳播，由于在色散光纖中各個頻率成分光傳播常數(shù)不一樣，另一部分反射光和拉曼散射光經(jīng)過色散光纖后，不同頻率成分的光到達探測器的時間不一樣，設(shè)該探測器的響應(yīng)函數(shù)為f(t)；

7)在參數(shù)固定的情況下，標定具有不同波長的光線在兩路光纖中傳播的延時函數(shù)，即λ＝g(t)；

8)根據(jù)固定關(guān)系所測量的時間響應(yīng)函數(shù)，得到反射光和拉曼光的光譜：raman(λ)＝f(g^-1(λ))，其響應(yīng)的時間曲線在示波器上顯示。

本發(fā)明的有益效果是：一種基于色散時變的光纖拉曼光譜儀省去了原來的空間分光成分和ccd陣列探測器，取而代之的是色散光纖和高速探測器，既能減輕光譜儀的重量，又能在保證分辨率的同時更廣泛測量光譜范圍；光譜儀不需要傳統(tǒng)的分光器件，同時避免了復(fù)雜光路設(shè)計，既能提高機械穩(wěn)定性，又降低了器件尺寸和重量，節(jié)省成本又易攜帶。本光譜儀是在時域上分辨的光譜儀，其精度是受探測器的響應(yīng)速率決定，但其測量范圍不受限制，而傳統(tǒng)光譜儀是在空域上分光，其分辨率受光柵長度決定，在滿足高精度的同時，無法滿足大范圍光譜的測量。

附圖說明

參考隨附的附圖，本發(fā)明更多的目的、功能和優(yōu)點將通過本發(fā)明實施方式的如下描述得以闡明，其中：

圖1示出本發(fā)明一種基于色散時變的光纖拉曼光譜儀的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2示出本發(fā)明一種基于色散時變的光纖拉曼光譜儀實施例2的結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實施方式

通過參考示范性實施例，本發(fā)明的目的和功能以及用于實現(xiàn)這些目的和功能的方法將得以闡明。然而，本發(fā)明并不受限于以下所公開的示范性實施例；可以通過不同形式來對其加以實現(xiàn)。說明書的實質(zhì)僅僅是幫助相關(guān)領(lǐng)域技術(shù)人員綜合理解本發(fā)明的具體細節(jié)。

在下文中，將參考附圖描述本發(fā)明的實施例。在附圖中，相同的附圖標記代表相同或類似的部件，或者相同或類似的步驟。

實施例1

圖1為本發(fā)明一種基于色散時變的光纖拉曼光譜儀的結(jié)構(gòu)示意圖。如圖1所示，一種基于色散時變的光纖拉曼光譜儀包括激光探測系統(tǒng)和拉曼光譜探測系統(tǒng)。

激光探測系統(tǒng)包括脈沖激光器101、第一準直器102和聲光調(diào)制器103；脈沖激光器101與第一準直器102通過光纖連接，聲光調(diào)制器103與第一準直器102相對平行放置，聲光調(diào)制器103發(fā)出的脈沖光恰好到達待測樣品104。

脈沖激光器101為光纖鎖模孤子激光器，脈沖激光器101可以采用非線性偏振旋轉(zhuǎn)方式鎖模也可以是石墨烯或者染料被動鎖模還可以是主動鎖模，鎖模方式根據(jù)實際情況決定。

拉曼光譜探測系統(tǒng)包括第二準直器110、耦合器105、第一光電探測器108和第二光電探測器111、示波器109、普通光纖106和色散光纖107。

第二準直器110與耦合器105通過光纖連接，耦合器105與第一光電探測器108通過普通光纖106連接；耦合器105與第二光電探測器111通過色散光纖107連接；第一光電探測器108和第二光電探測111分別通過串行總線與示波器109連接。

普通光纖106長度比色散光纖107長度短。普通光纖106色散小，脈沖短，形成尖脈沖；色散光纖107光纖比較長，色散系數(shù)大，使得每一納米間隔波長的兩頻率的光延時能到500ps左右；耦合器105為3db光耦合器；色散光纖107可以是分布式線性啁啾光柵也可以是光子晶體光纖。

光子晶體光纖的橫截面上有較復(fù)雜的折射率分布，通常含有不同形式排列的氣孔，氣孔的尺度與光波波長大致在同一量級且貫穿器件的整個長度，波光可以被限制在低折射率的光纖芯區(qū)傳播。

分布式線性啁啾光柵是一種光柵周期沿光纖的縱向改變的光柵。

本實施例采用的脈沖激光器101為光纖鎖模孤子激光器。

一種基于色散時變的光纖拉曼光譜儀獲得光譜的具體方法包括以下步驟：

1)光纖鎖模孤子激光器101發(fā)出約為1微米波長的脈沖激光，脈沖寬度為幾十到幾百飛秒，經(jīng)過第一準直器102后變成空間光；

2)由于鎖模激光器的重復(fù)頻率很高，采用聲光調(diào)制器103選擇其中一部分光，使得出光頻率為幾十到幾百赫茲；

3)脈沖激光到達待測樣品104表面后被反射和散射，其中一部分光會經(jīng)過第二準直器110被光纖收集；

4)收集的反射和散射光經(jīng)過光纖進入到3db光耦合器105，被均分成兩路光；

5)其中一路光在普通光纖106中傳播，較先進入光電探測器108中，由于色散小，脈沖非常短，在示波器109中會是一個很尖的脈沖，作為時間起點0時刻；

6)另一路光在色散光纖107中傳播，由于在色散光纖107各個頻率成分光傳播常數(shù)不一樣，另一部分反射光和拉曼散射光經(jīng)過色散光纖107后，不同頻率成分的光到達探測器的時間不一樣，設(shè)該探測器的響應(yīng)函數(shù)為f(t)，時刻t就是相對于前面提到的時刻0而言的；

7)在參數(shù)固定的情況下，可以標定具有不同波長的光線在這兩路光纖中傳播的延時函數(shù)，即λ＝g(t)；

8)根據(jù)上面的固定關(guān)系和所測量的時間響應(yīng)函數(shù)，脈沖激光經(jīng)過色散光纖107展寬后到達高速第二光電探測器111，其響應(yīng)的時間曲線在示波器109上顯示，得到反射光和拉曼光的光譜：raman(λ)＝f(g^-1(λ))。

利用延時與色散的關(guān)系，就可以得到相應(yīng)的拉曼光譜。近距離測量方式所需的脈沖能量是非常小的，因此不需要對激光器脈沖放大，而且也不損害樣品表面，是一種真正的無損檢測。

實施例2

圖2為本發(fā)明一種基于色散時變的光纖拉曼光譜儀實施例2的結(jié)構(gòu)示意圖。本實施例與實施例1的區(qū)別在于：在實施例1的結(jié)構(gòu)圖中增加了反射棱鏡211、二向分色鏡212和透鏡系統(tǒng)213，實現(xiàn)遠距離的拉曼測量技術(shù)抑制背景光和避開熒光的影響。

反射棱鏡211和待測樣品204沿光路置于二向分色鏡212的反射方向，透鏡系統(tǒng)213置于二向分色鏡212的透射方向。

其中，反射棱鏡211和二向分色鏡212的形狀不限于是等腰直角，能夠?qū)崿F(xiàn)激光束的反射和透射即可。

本實施例采用的脈沖激光器210為固體激光器nd:yag激光器。

一種基于色散時變的光纖拉曼光譜儀遠距離測量技術(shù)的具體方法包括如下步驟：

1)固體激光器nd:yag激光器210發(fā)出約為1.064微米波長的脈沖激光，脈沖寬度為150飛秒；

2)由于激光器的重復(fù)頻率很高，需要采用聲光調(diào)制器203選擇其中一部分光，使得出光頻率為幾十到幾百赫茲；

3)脈沖光經(jīng)過反射棱鏡211和二向分色鏡212反射后到達待測樣品204，二向分色鏡212是對短波方向反射，對長波方向透射；

4)待測樣品204反射脈沖光，經(jīng)二向分色鏡212透射，反射光和散射光經(jīng)過光學(xué)透鏡系統(tǒng)213，變成平行光進入準直器202，光學(xué)透鏡系統(tǒng)的前端透鏡口徑為2英寸到4英寸，測試距離從1到20m；

5)反射光和散射光進入到3db的光耦合器205，被均分成兩路光；

6)其中一路光在普通光纖206中傳播，較先進入光電探測器208中，由于色散小，脈沖非常短，在示波器209中會是一個很尖的脈沖，作為時間起點0時刻；

7)另外一路光在色散光纖207中傳播，由于光纖比較長，色散系數(shù)大，使得每一納米間隔波長的兩頻率的光延時能到500ps左右，要高于光電探測器的最低響應(yīng)時間，這樣對于200nm的光譜范圍，脈寬展寬到100ns；

由于色散光纖207各個頻率成分光傳播常數(shù)不一樣，另一部分反射光和拉曼散射光經(jīng)過色散光纖207后，不同頻率成分的光到達探測器的時間不一樣，設(shè)該探測器的響應(yīng)函數(shù)為f(t)，時刻t就是相對于前面提到的時刻0而言的；

8)在參數(shù)固定的情況下，可以標定具有不同波長的光線在這兩路光纖中傳播的延時函數(shù)，即λ＝g(t)；

9)根據(jù)上面的固定關(guān)系，和所測量的時間響應(yīng)函數(shù)，脈沖激光經(jīng)過色散光纖207展寬后到達高速第二光電探測器214，其響應(yīng)的時間曲線在示波器209上顯示，得到反射光和拉曼光的光譜：raman(λ)＝f(g^-1(λ))。

結(jié)合這里披露的本發(fā)明的說明和實踐，本發(fā)明的其他實施例對于本領(lǐng)域技術(shù)人員都是易于想到和理解的。說明和實施例僅被認為是示例性的，本發(fā)明的真正范圍和主旨均由權(quán)利要求所限定。