本發(fā)明涉及一種激光光譜探測(cè)方法,尤其涉及一種采用雙波長(zhǎng)激光拉曼探測(cè)的方法，適用于物質(zhì)的分子成分探測(cè)，屬于光電探測(cè)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

在激光拉曼檢測(cè)中，激發(fā)激光除了在目標(biāo)上激發(fā)出離散的拉曼散射譜線以外，還存在連續(xù)輻射的部分，即熒光散射干擾，在某些情況下，強(qiáng)熒光背景會(huì)嚴(yán)重影響拉曼信號(hào)，甚至掩蓋住拉曼信號(hào)，導(dǎo)致激光拉曼檢測(cè)效果的嚴(yán)重下降。

采用波長(zhǎng)接近的兩個(gè)波長(zhǎng)的激光分別激發(fā)拉曼信號(hào)，然后通過(guò)差分運(yùn)算消除熒光連續(xù)輻射是一個(gè)較好的抑制消除熒光的方法。獨(dú)立的雙波長(zhǎng)系統(tǒng)在構(gòu)建的時(shí)候復(fù)雜程度增加兩倍，效率低下。如何高效快捷地實(shí)現(xiàn)雙波長(zhǎng)激光拉曼檢測(cè)是一個(gè)急需解決的難題。

本專利針對(duì)該難題，提出一種高效快捷地實(shí)現(xiàn)雙波長(zhǎng)激光拉曼檢測(cè)的儀器及方法，將互補(bǔ)聲光可調(diào)濾波器運(yùn)用于雙波長(zhǎng)拉曼探頭，并且采用超連續(xù)譜激光器及同一光譜儀，實(shí)現(xiàn)了源與后端的復(fù)用，該儀器及方法可有效地實(shí)現(xiàn)雙波長(zhǎng)拉曼檢測(cè)，并且可方便地實(shí)現(xiàn)連續(xù)多波長(zhǎng)拉曼檢測(cè)，為解決拉曼熒光干擾，提高拉曼檢測(cè)效果提供了解決方案。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種高效快捷地實(shí)現(xiàn)雙波長(zhǎng)激光拉曼檢測(cè)的儀器及方法，通過(guò)復(fù)用增加儀器的輕便性和易用性，用以解決傳統(tǒng)單波長(zhǎng)激光拉曼熒光干擾問(wèn)題。

本發(fā)明是這樣來(lái)實(shí)現(xiàn)的：

雙波長(zhǎng)拉曼光譜儀主要包括主控制器、拉曼光譜儀、超連續(xù)譜激光器及雙波長(zhǎng)拉曼探頭。

其中，雙波長(zhǎng)拉曼探頭由發(fā)射光纖、接收光纖、發(fā)射擴(kuò)束鏡；射頻控制器、AOTF互補(bǔ)窄通帶濾波器、多色鏡、會(huì)聚鏡、全反鏡、AOTF互補(bǔ)窄帶陷濾波器和光纖耦合鏡組成；

主控制器內(nèi)有主控軟件，用于對(duì)超連續(xù)譜激光器、射頻控制器、通過(guò)USB接口對(duì)拉曼光譜儀進(jìn)行供電與接收及分析其輸出光譜信號(hào)；

超連續(xù)譜激光器通過(guò)SMA接口與發(fā)射光纖連接；拉曼光譜儀與接收光纖通過(guò)SMA接口連接；

發(fā)射光軸與接收光軸平行，目標(biāo)測(cè)試點(diǎn)位于發(fā)射光軸上；

雙波長(zhǎng)拉曼光譜儀按以下步驟工作：

(1)雙波長(zhǎng)拉曼信號(hào)獲取

主控制器3發(fā)出控制指令啟動(dòng)射頻控制器，設(shè)定AOTF互補(bǔ)窄通帶濾波器的通帶波長(zhǎng)為λ₁，AOTF互補(bǔ)窄帶陷濾波器的陷帶波長(zhǎng)也為λ₁；

主控制器發(fā)出控制指令啟動(dòng)超連續(xù)譜激光器，超連續(xù)譜激光器發(fā)出的超連續(xù)譜激光通過(guò)發(fā)射光纖傳輸，經(jīng)過(guò)發(fā)射擴(kuò)束鏡進(jìn)行擴(kuò)束后沿發(fā)射光軸行進(jìn)，經(jīng)過(guò)AOTF互補(bǔ)窄通帶濾波器窄帶濾波后波長(zhǎng)變?yōu)棣?sub>1，透過(guò)多色鏡，經(jīng)會(huì)聚鏡聚焦至目標(biāo)測(cè)試點(diǎn)；

目標(biāo)測(cè)試點(diǎn)的拉曼回波信號(hào)沿發(fā)射光軸返回，透過(guò)會(huì)聚鏡，經(jīng)多色鏡反射后，朝全反鏡行進(jìn)，再經(jīng)全反鏡反射后轉(zhuǎn)向接收光軸，經(jīng)AOTF互補(bǔ)窄帶陷濾波器瑞利濾波，去除波長(zhǎng)為λ₁的發(fā)射回波成份后，余下的拉曼信號(hào)經(jīng)光纖耦合鏡會(huì)聚至接收光纖端面，然后進(jìn)入接收光纖內(nèi)部傳輸，再進(jìn)入拉曼光譜儀，經(jīng)過(guò)光柵分光，光電轉(zhuǎn)換后的激發(fā)波長(zhǎng)為λ₁的拉曼光譜數(shù)據(jù)送入主控制器進(jìn)行存儲(chǔ)分析；

主控制器發(fā)出控制指令啟動(dòng)射頻控制器，設(shè)定AOTF互補(bǔ)窄通帶濾波器的通帶波長(zhǎng)為λ₂，AOTF互補(bǔ)窄帶陷濾波器的陷帶波長(zhǎng)也為λ₂；

此時(shí)，超連續(xù)譜激光器發(fā)出的超連續(xù)譜激光通過(guò)發(fā)射光纖傳輸，經(jīng)過(guò)發(fā)射擴(kuò)束鏡進(jìn)行擴(kuò)束后沿發(fā)射光軸行進(jìn)，經(jīng)過(guò)AOTF互補(bǔ)窄通帶濾波器窄帶濾波后波長(zhǎng)變?yōu)棣?sub>2，透過(guò)多色鏡，經(jīng)會(huì)聚鏡聚焦至目標(biāo)測(cè)試點(diǎn)；

目標(biāo)測(cè)試點(diǎn)的拉曼回波信號(hào)沿發(fā)射光軸返回，透過(guò)會(huì)聚鏡，經(jīng)多色鏡反射后，朝全反鏡行進(jìn)，再經(jīng)全反鏡反射后轉(zhuǎn)向接收光軸，經(jīng)AOTF互補(bǔ)窄帶陷濾波器瑞利濾波，去除波長(zhǎng)為λ₂的發(fā)射回波成份后，余下的拉曼信號(hào)經(jīng)光纖耦合鏡會(huì)聚至接收光纖端面，然后進(jìn)入接收光纖內(nèi)部傳輸，再進(jìn)入拉曼光譜儀，經(jīng)過(guò)光柵分光，光電轉(zhuǎn)換后的激發(fā)波長(zhǎng)為λ₂的拉曼光譜數(shù)據(jù)送入主控制器進(jìn)行存儲(chǔ)分析；

(2)雙波長(zhǎng)拉曼信號(hào)處理

主控制器的分析軟件程序?qū)Σ杉碾p波長(zhǎng)拉曼光譜數(shù)據(jù)按以下步驟進(jìn)行分析：

a.面積歸一化

將λ₁的拉曼光譜數(shù)據(jù)與λ₂的拉曼光譜數(shù)據(jù)按光譜曲線下面包圍的面積進(jìn)行歸一化運(yùn)算，得到λ₁的歸一化拉曼光譜數(shù)據(jù)與λ₂的歸一化拉曼光譜數(shù)據(jù)；

b.差分運(yùn)算

將λ₁的歸一化拉曼光譜數(shù)據(jù)減去λ₂的歸一化拉曼光譜數(shù)據(jù)；消除熒光的干擾和影響，即消除曲線連續(xù)熒光基底部分；

c.截?cái)噙\(yùn)算

將差分以后的光譜數(shù)據(jù)沿λ₂位置進(jìn)行截?cái)啵?/p>

d.反轉(zhuǎn)運(yùn)算

將截?cái)嘁院蟮墓庾V數(shù)據(jù)進(jìn)行取反(反轉(zhuǎn))運(yùn)算；

e.取正運(yùn)算

將反轉(zhuǎn)運(yùn)算后的光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行取正運(yùn)算，消除負(fù)光譜強(qiáng)度數(shù)據(jù)；

f.拉曼頻移轉(zhuǎn)換

將取正運(yùn)算后的光譜數(shù)據(jù)的橫坐標(biāo)由波長(zhǎng)λ轉(zhuǎn)換為波數(shù)cm^-1，并與λ₂對(duì)應(yīng)的波數(shù)相減，得到拉曼頻移。

本發(fā)明的有益效果是，將互補(bǔ)聲光可調(diào)濾波器運(yùn)用于雙波長(zhǎng)拉曼探頭，并且采用超連續(xù)譜激光器及同一光譜儀，實(shí)現(xiàn)了源與后端的復(fù)用，可有效地實(shí)現(xiàn)雙波長(zhǎng)及連續(xù)多波長(zhǎng)拉曼檢測(cè)，為解決拉曼熒光干擾，提高拉曼檢測(cè)效果提供了解決方案。

附圖說(shuō)明

圖1為本專利設(shè)計(jì)的雙波長(zhǎng)拉曼光譜儀結(jié)構(gòu)示意圖，圖2為本專利的信號(hào)處理示意圖，圖中：1——拉曼光譜儀；2——超連續(xù)譜激光器；3——主控制器；4——發(fā)射光纖；5——接收光纖；6——發(fā)射擴(kuò)束鏡；7——射頻控制器；8——AOTF互補(bǔ)窄通帶濾波器；9——多色鏡；10——會(huì)聚鏡；11——目標(biāo)測(cè)試點(diǎn)；12—發(fā)射光軸；13——接收光軸；14——雙波長(zhǎng)拉曼探頭；15——全反鏡；16——AOTF互補(bǔ)窄帶陷濾波器；17——光纖耦合鏡。

注：AOTF，acousto-optic tunable filter，即聲光可調(diào)濾波器。

具體實(shí)施方式

本專利具體實(shí)施方式如圖1和圖2所示。

如圖1所示，本專利設(shè)計(jì)的雙波長(zhǎng)拉曼光譜儀主要包括主控制器3、拉曼光譜儀1、超連續(xù)譜激光器2及雙波長(zhǎng)拉曼探頭14。

其中，雙波長(zhǎng)拉曼探頭14由發(fā)射光纖4、接收光纖5、發(fā)射擴(kuò)束鏡6；射頻控制器7、AOTF互補(bǔ)窄通帶濾波器8、多色鏡9、會(huì)聚鏡10、全反鏡15、AOTF互補(bǔ)窄帶陷濾波器16和光纖耦合鏡17組成；

主控制器3內(nèi)有主控軟件，用于對(duì)超連續(xù)譜激光器2、射頻控制器7、通過(guò)USB接口對(duì)拉曼光譜儀1進(jìn)行供電與接收及分析其輸出光譜信號(hào)；

超連續(xù)譜激光器2通過(guò)SMA接口與發(fā)射光纖4連接；拉曼光譜儀1與接收光纖5通過(guò)SMA接口連接；

發(fā)射光軸12與接收光軸13平行，目標(biāo)測(cè)試點(diǎn)11位于發(fā)射光軸12上；

雙波長(zhǎng)拉曼光譜儀按以下步驟工作：

(1)雙波長(zhǎng)拉曼信號(hào)獲取

主控制器3發(fā)出控制指令啟動(dòng)射頻控制器7，設(shè)定AOTF互補(bǔ)窄通帶濾波器8的通帶波長(zhǎng)為λ₁，AOTF互補(bǔ)窄帶陷濾波器16的陷帶波長(zhǎng)也為λ₁；(本實(shí)施例λ₁取785nm)

主控制器3發(fā)出控制指令啟動(dòng)超連續(xù)譜激光器2(在本實(shí)施例中為750nm-1250nm近紅外重頻2MHz脈寬皮秒量級(jí)的光纖超連續(xù)譜激光器)，超連續(xù)譜激光器2發(fā)出的超連續(xù)譜激光通過(guò)發(fā)射光纖4傳輸，經(jīng)過(guò)發(fā)射擴(kuò)束鏡6進(jìn)行擴(kuò)束后沿發(fā)射光軸12行進(jìn)，經(jīng)過(guò)AOTF互補(bǔ)窄通帶濾波器8窄帶濾波后波長(zhǎng)變?yōu)棣?sub>1，透過(guò)多色鏡9，經(jīng)會(huì)聚鏡10聚焦至目標(biāo)測(cè)試點(diǎn)11；

目標(biāo)測(cè)試點(diǎn)11的拉曼回波信號(hào)沿發(fā)射光軸12返回，透過(guò)會(huì)聚鏡10，經(jīng)多色鏡9反射后，朝全反鏡15行進(jìn)，再經(jīng)全反鏡15反射后轉(zhuǎn)向接收光軸13，經(jīng)AOTF互補(bǔ)窄帶陷濾波器16瑞利濾波，去除波長(zhǎng)為λ₁的發(fā)射回波成份后，余下的拉曼信號(hào)經(jīng)光纖耦合鏡17會(huì)聚至接收光纖5端面，然后進(jìn)入接收光纖5內(nèi)部傳輸，再進(jìn)入拉曼光譜儀1，經(jīng)過(guò)光柵分光，光電轉(zhuǎn)換后的激發(fā)波長(zhǎng)為λ₁的拉曼光譜數(shù)據(jù)送入主控制器3進(jìn)行存儲(chǔ)分析；

主控制器3發(fā)出控制指令啟動(dòng)射頻控制器7，設(shè)定AOTF互補(bǔ)窄通帶濾波器8的通帶波長(zhǎng)為λ₂，AOTF互補(bǔ)窄帶陷濾波器16的陷帶波長(zhǎng)也為λ₂；(本實(shí)施例λ₂取830nm)

此時(shí)，超連續(xù)譜激光器2發(fā)出的超連續(xù)譜激光通過(guò)發(fā)射光纖4傳輸，經(jīng)過(guò)發(fā)射擴(kuò)束鏡6進(jìn)行擴(kuò)束后沿發(fā)射光軸12行進(jìn)，經(jīng)過(guò)AOTF互補(bǔ)窄通帶濾波器8窄帶濾波后波長(zhǎng)變?yōu)棣?sub>2，透過(guò)多色鏡9，經(jīng)會(huì)聚鏡10聚焦至目標(biāo)測(cè)試點(diǎn)11；

目標(biāo)測(cè)試點(diǎn)11的拉曼回波信號(hào)沿發(fā)射光軸12返回，透過(guò)會(huì)聚鏡10，經(jīng)多色鏡9反射后，朝全反鏡15行進(jìn)，再經(jīng)全反鏡15反射后轉(zhuǎn)向接收光軸13，經(jīng)AOTF互補(bǔ)窄帶陷濾波器16瑞利濾波，去除波長(zhǎng)為λ₂的發(fā)射回波成份后，余下的拉曼信號(hào)經(jīng)光纖耦合鏡17會(huì)聚至接收光纖5端面，然后進(jìn)入接收光纖5內(nèi)部傳輸，再進(jìn)入拉曼光譜儀1，經(jīng)過(guò)光柵分光，光電轉(zhuǎn)換后的激發(fā)波長(zhǎng)為λ₂的拉曼光譜數(shù)據(jù)送入主控制器3進(jìn)行存儲(chǔ)分析；

(2)雙波長(zhǎng)拉曼信號(hào)處理

主控制器3的分析軟件程序?qū)Σ杉碾p波長(zhǎng)拉曼光譜數(shù)據(jù)按以下步驟進(jìn)行分析，如圖2所示：

a.面積歸一化

將λ₁的拉曼光譜數(shù)據(jù)與λ₂的拉曼光譜數(shù)據(jù)按光譜曲線下面包圍的面積進(jìn)行歸一化運(yùn)算，得到λ₁的歸一化拉曼光譜數(shù)據(jù)與λ₂的歸一化拉曼光譜數(shù)據(jù)；

b.差分運(yùn)算

將λ₁的歸一化拉曼光譜數(shù)據(jù)減去λ₂的歸一化拉曼光譜數(shù)據(jù)；消除熒光的干擾和影響，即消除曲線連續(xù)熒光基底部分；

c.截?cái)噙\(yùn)算

將差分以后的光譜數(shù)據(jù)沿λ₂位置進(jìn)行截?cái)啵?/p>

d.反轉(zhuǎn)運(yùn)算

將截?cái)嘁院蟮墓庾V數(shù)據(jù)進(jìn)行取反(反轉(zhuǎn))運(yùn)算；

e.取正運(yùn)算

將反轉(zhuǎn)運(yùn)算后的光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行取正運(yùn)算，消除負(fù)光譜強(qiáng)度數(shù)據(jù)；

f.拉曼頻移轉(zhuǎn)換

將取正運(yùn)算后的光譜數(shù)據(jù)的橫坐標(biāo)由波長(zhǎng)λ轉(zhuǎn)換為波數(shù)cm^-1，并與λ₂對(duì)應(yīng)的波數(shù)相減，得到拉曼頻移。