双波长激光拉曼光谱仪的制作方法

本专利涉及一种激光光谱探测系统,尤其涉及一种采用双波长激光拉曼探测的仪器，适用于物质的分子成分探测，属于光电探测领域。

背景技术：

在激光拉曼检测中，激发激光除了在目标上激发出离散的拉曼散射谱线以外，还存在连续辐射的部分，即荧光散射干扰，在某些情况下，强荧光背景会严重影响拉曼信号，甚至掩盖住拉曼信号，导致激光拉曼检测效果的严重下降。

采用波长接近的两个波长的激光分别激发拉曼信号，然后通过差分运算消除荧光连续辐射是一个较好的抑制消除荧光的方法。独立的双波长系统在构建的时候复杂程度增加两倍，效率低下。如何高效快捷地实现双波长激光拉曼检测是一个急需解决的难题。

本专利针对该难题，提出一种高效快捷地实现双波长激光拉曼检测的仪器及方法，将互补声光可调滤波器运用于双波长拉曼探头，并且采用超连续谱激光器及同一光谱仪，实现了源与后端的复用，该仪器及方法可有效地实现双波长拉曼检测，并且可方便地实现连续多波长拉曼检测，为解决拉曼荧光干扰，提高拉曼检测效果提供了解决方案。

技术实现要素：

本专利的目的在于提供一种高效快捷地实现双波长激光拉曼检测的仪器及方法，通过复用增加仪器的轻便性和易用性，用以解决传统单波长激光拉曼荧光干扰问题。

本专利是这样来实现的：

双波长拉曼光谱仪主要包括主控制器、拉曼光谱仪、超连续谱激光器及双波长拉曼探头。

其中，双波长拉曼探头由发射光纤、接收光纤、发射扩束镜、射频控制器、AOTF互补窄通带滤波器、多色镜、会聚镜、全反镜、AOTF互补窄带陷滤波器和光纤耦合镜组成；

主控制器内有主控软件，用于对超连续谱激光器、射频控制器进行控制，并通过USB接口对拉曼光谱仪进行供电与接收及分析其输出光谱信号；

超连续谱激光器通过SMA接口与发射光纤连接；拉曼光谱仪与接收光纤通过SMA接口连接；

发射光轴与接收光轴平行，目标测试点位于发射光轴上；

双波长拉曼光谱仪按以下步骤工作：

(1)双波长拉曼信号获取

主控制器3发出控制指令启动射频控制器，设定AOTF互补窄通带滤波器的通带波长为λ₁，AOTF互补窄带陷滤波器的陷带波长也为λ₁；

主控制器发出控制指令启动超连续谱激光器，超连续谱激光器发出的超连续谱激光通过发射光纤传输，经过发射扩束镜进行扩束后沿发射光轴行进，经过AOTF互补窄通带滤波器窄带滤波后波长变为λ₁，透过多色镜，经会聚镜聚焦至目标测试点；

目标测试点的拉曼回波信号沿发射光轴返回，透过会聚镜，经多色镜反射后，朝全反镜行进，再经全反镜反射后转向接收光轴，经AOTF互补窄带陷滤波器瑞利滤波，去除波长为λ₁的发射回波成份后，余下的拉曼信号经光纤耦合镜会聚至接收光纤端面，然后进入接收光纤内部传输，再进入拉曼光谱仪，经过光栅分光，光电转换后的激发波长为λ₁的拉曼光谱数据送入主控制器进行存储分析；

主控制器发出控制指令启动射频控制器，设定AOTF互补窄通带滤波器的通带波长为λ₂，AOTF互补窄带陷滤波器的陷带波长也为λ₂；

此时，超连续谱激光器发出的超连续谱激光通过发射光纤传输，经过发射扩束镜进行扩束后沿发射光轴行进，经过AOTF互补窄通带滤波器窄带滤波后波长变为λ₂，透过多色镜，经会聚镜聚焦至目标测试点；

目标测试点的拉曼回波信号沿发射光轴返回，透过会聚镜，经多色镜反射后，朝全反镜行进，再经全反镜反射后转向接收光轴，经AOTF互补窄带陷滤波器瑞利滤波，去除波长为λ₂的发射回波成份后，余下的拉曼信号经光纤耦合镜会聚至接收光纤端面，然后进入接收光纤内部传输，再进入拉曼光谱仪，经过光栅分光，光电转换后的激发波长为λ₂的拉曼光谱数据送入主控制器进行存储分析；

(2)双波长拉曼信号处理

主控制器的分析软件程序对采集的双波长拉曼光谱数据按以下步骤进行分析：

a.面积归一化

将λ₁的拉曼光谱数据与λ₂的拉曼光谱数据按光谱曲线下面包围的面积进行归一化运算，得到λ₁的归一化拉曼光谱数据与λ₂的归一化拉曼光谱数据；

b.差分运算

将λ₁的归一化拉曼光谱数据减去λ₂的归一化拉曼光谱数据；消除荧光的干扰和影响，即消除曲线连续荧光基底部分；

c.截断运算

将差分以后的光谱数据沿λ₂位置进行截断；

d.反转运算

将截断以后的光谱数据进行取反(反转)运算；

e.取正运算

将反转运算后的光谱数据进行取正运算，消除负光谱强度数据；

f.拉曼频移转换

将取正运算后的光谱数据的横坐标由波长λ转换为波数cm^-1，并与λ₂对应的波长相减，得到拉曼频移。

本专利的有益效果是，将互补声光可调滤波器运用于双波长拉曼探头，并且采用超连续谱激光器及同一光谱仪，实现了源与后端的复用，可有效地实现双波长及连续多波长拉曼检测，为解决拉曼荧光干扰，提高拉曼检测效果提供了解决方案。

附图说明

图1为本专利设计的双波长拉曼光谱仪结构示意图，图2为本专利的信号处理示意图，图中：1——拉曼光谱仪；2——超连续谱激光器；3——主控制器；4——发射光纤；5——接收光纤；6——发射扩束镜；7——射频控制器；8——AOTF互补窄通带滤波器；9——多色镜；10——会聚镜；11——目标测试点；12—发射光轴；13——接收光轴；14——双波长拉曼探头；15——全反镜；16——AOTF互补窄带陷滤波器；17——光纤耦合镜。

注：AOTF，acousto-optic tunable filter，即声光可调滤波器。

具体实施方式

本专利具体实施方式如图1和图2所示。

如图1所示，本专利设计的双波长拉曼光谱仪主要包括主控制器3、拉曼光谱仪1、超连续谱激光器2及双波长拉曼探头14。

其中，双波长拉曼探头14由发射光纤4、接收光纤5、发射扩束镜6、射频控制器7、AOTF互补窄通带滤波器8、多色镜9、会聚镜10、全反镜15、AOTF互补窄带陷滤波器16和光纤耦合镜17组成；

主控制器3内有主控软件，用于对超连续谱激光器2、射频控制器7、通过USB接口对拉曼光谱仪1进行供电与接收及分析其输出光谱信号；

超连续谱激光器2通过SMA接口与发射光纤4连接；拉曼光谱仪1与接收光纤5通过SMA接口连接；

发射光轴12与接收光轴13平行，目标测试点11位于发射光轴12上；

双波长拉曼光谱仪按以下步骤工作：

(1)双波长拉曼信号获取

主控制器3发出控制指令启动射频控制器7，设定AOTF互补窄通带滤波器8的通带波长为λ₁，AOTF互补窄带陷滤波器16的陷带波长也为λ₁；(本实施例λ₁取785nm)

主控制器3发出控制指令启动超连续谱激光器2(在本实施例中为750nm-1250nm近红外重频2MHz脉宽皮秒量级的光纤超连续谱激光器)，超连续谱激光器2发出的超连续谱激光通过发射光纤4传输，经过发射扩束镜6进行扩束后沿发射光轴12行进，经过AOTF互补窄通带滤波器8窄带滤波后波长变为λ₁，透过多色镜9，经会聚镜10聚焦至目标测试点11；

目标测试点11的拉曼回波信号沿发射光轴12返回，透过会聚镜10，经多色镜9反射后，朝全反镜15行进，再经全反镜15反射后转向接收光轴13，经AOTF互补窄带陷滤波器16瑞利滤波，去除波长为λ₁的发射回波成份后，余下的拉曼信号经光纤耦合镜17会聚至接收光纤5端面，然后进入接收光纤5内部传输，再进入拉曼光谱仪1，经过光栅分光，光电转换后的激发波长为λ₁的拉曼光谱数据送入主控制器3进行存储分析；

主控制器3发出控制指令启动射频控制器7，设定AOTF互补窄通带滤波器8的通带波长为λ₂，AOTF互补窄带陷滤波器16的陷带波长也为λ₂；(本实施例λ₂取830nm)

此时，超连续谱激光器2发出的超连续谱激光通过发射光纤4传输，经过发射扩束镜6进行扩束后沿发射光轴12行进，经过AOTF互补窄通带滤波器8窄带滤波后波长变为λ₂，透过多色镜9，经会聚镜10聚焦至目标测试点11；

目标测试点11的拉曼回波信号沿发射光轴12返回，透过会聚镜10，经多色镜9反射后，朝全反镜15行进，再经全反镜15反射后转向接收光轴13，经AOTF互补窄带陷滤波器16瑞利滤波，去除波长为λ₂的发射回波成份后，余下的拉曼信号经光纤耦合镜17会聚至接收光纤5端面，然后进入接收光纤5内部传输，再进入拉曼光谱仪1，经过光栅分光，光电转换后的激发波长为λ₂的拉曼光谱数据送入主控制器3进行存储分析；

(2)双波长拉曼信号处理

主控制器3的分析软件程序对采集的双波长拉曼光谱数据按以下步骤进行分析，如图2所示：

a.面积归一化

将λ₁的拉曼光谱数据与λ₂的拉曼光谱数据按光谱曲线下面包围的面积进行归一化运算，得到λ₁的归一化拉曼光谱数据与λ₂的归一化拉曼光谱数据；

b.差分运算

将λ₁的归一化拉曼光谱数据减去λ₂的归一化拉曼光谱数据；消除荧光的干扰和影响，即消除曲线连续荧光基底部分；

c.截断运算

将差分以后的光谱数据沿λ₂位置进行截断；

d.反转运算

将截断以后的光谱数据进行取反(反转)运算；

e.取正运算

将反转运算后的光谱数据进行取正运算，消除负光谱强度数据；

f.拉曼频移转换

将取正运算后的光谱数据的横坐标由波长λ转换为波数cm^-1，并与λ₂对应的波长相减，得到拉曼频移。