一種高光通量紅外atr探頭的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種高光通量紅外ATR探頭，包括進光筒、第一反射鏡、第二反射鏡、第一內鍍膜光管、第二內鍍膜光管、外殼、第一透鏡、第二透鏡、晶體和出光筒，本發(fā)明采用大口徑內鍍紅外高反射率膜的中空光管做為光導入部件和光導出部件，將ATR光導出的光信號送到MCT檢測室進行光的檢測。ATR探頭中只含有光路，與檢測器隔離開來，既增加了光的通透量，還使信號的檢出更加容易，也不會因罐體的帶電導致檢測器的損壞；同時，由于采用MCT檢測器，檢測效果更好；因此，本發(fā)明與已有商品化ATR探頭相比，其具備低成本、光通量大、高信噪比、結構簡單、使用方便等優(yōu)勢；其在生物、醫(yī)學、地質、材料學等諸多領域具有廣闊的應用前景。
【專利說明】[0001] 一種高光通量紅外ATR探頭

【技術領域】
[0002] 本發(fā)明屬于物理光子學領域，特別是光譜分析儀器【技術領域】，涉及一種高光通量 紅外ATR探頭，尤其涉及一種用于傅里葉變換紅外光譜儀的ATR探頭。
[0003]

【背景技術】
[0004] 衰減全反射（Attenuated Total Reflectance, ATR)光譜技術是紅外光譜測試技 術中的一種，在紅外光譜測試技術中應用非常廣泛。采用ATR光譜技術使得傅立葉紅外光 譜儀在測試過程中，不需要對樣品進行任何處理，省去了取樣、制樣等工作，還不會對樣品 造成任何損壞。
[0005] 隨著傅立葉變換紅外光譜儀的發(fā)展和廣泛應用，這種技術已經成為經常使用的紅 外樣品測試的重要手段。ATR在實際應用中，從一開始便顯示出其獨特的優(yōu)勢和廣闊的應用 前景。由于它是一種完全的非破壞性分析，在測試的過程中不需要對樣品進行任何處理，而 是通過樣品表面的反射信號獲得樣品表層有機成份的結構信息。不但簡化了樣品的制作過 程，而且極大地擴大了紅外光譜法的應用范圍。使許多采用傳統(tǒng)透過法無法制樣，或者樣品 制備過程十分復雜、難度大、而效果又不理想的實驗成為可能。因此，被廣泛應用于塑料、纖 維、橡膠、涂料、粘合劑等高分子材料制品的表面成份分析。
[0006] 對于ATR探頭來說，它主要包含幾個大的部分：光導入部件、ATR晶體、光導出部 件、MCT檢測器等。目前市場上的ATR商品光導入和導出主要采用紅外光纖，其價格昂貴。 也有少部分光導入和導出各采用一根中空光導管，由于光的損失較大，信號微弱。此前設計 的ATR探頭采用DLATGS檢測器嵌入到探頭里面進行檢測，在實際使用中，發(fā)現(xiàn)當探頭插入 被檢測溶液的罐體中時，由于罐體帶靜電，其電壓足以導致DLATGS檢測器損壞，使得ATR探 頭無法使用。
[0007]


【發(fā)明內容】

[0008] 為了克服現(xiàn)有ATR探頭的不足，本發(fā)明提供了一種成本低廉，穩(wěn)定性更好，操作更 加方便的ATR探頭。
[0009] 本發(fā)明所采用的技術方案是：一種高光通量紅外ATR探頭，其特征在于：包括進 光筒、第一反射鏡、第二反射鏡、第一內鍍膜光管、第二內鍍膜光管、夕卜殼、第一透鏡、第二透 鏡、晶體和出光筒； 所述的第一反射鏡和第二反射鏡成V型連接，構成V型反射裝置，所述的V型反射裝置 一端設置在所述的進光筒出口處、另一端設置在所述的出光筒進口處，所述的外殼上端設 置在所述的V型反射裝置下端、下端與所述的晶體固定連接，與所述的進光筒、V型反射裝 置、晶體和出光筒組成密閉空間； 所述的第一內鍍膜光管、第二內鍍膜光管均設置在所述的外殼內，所述的第一內鍍膜 光管位于所述的第一反射鏡下端，所述的第二內鍍膜光管位于所述的第二反射鏡下端； 所述的第一透鏡設置在所述的第一內鍍膜光管和晶體之間，所述的第二透鏡設置在所 述的第二內鍍膜光管和晶體之間； 入射光射入所述的進光筒后，經所述的第一反射鏡反射后進入所述的第一內鍍膜光 管，通過所述的第一透鏡匯聚后射入所述的晶體，在晶體內反射后射出，再經所述的第二透 鏡射入到所述的第二內鍍膜光管，經過所述的第二反射鏡反射后，由所述的出光筒射出，最 后由MCT檢測器將光信號轉換成電信號。
[0010] 作為優(yōu)選，所述的第一內鍍膜光管、第二內鍍膜光管為石英中空玻璃光管。
[0011] 作為優(yōu)選，所述的第一內鍍膜光管、第二內鍍膜光管內徑為0.5 mm - 5mm。
[0012] 作為優(yōu)選，所述的晶體為錐形或截錐形，使入射光線的入射角為45°或60°，其 中入射角是指入射光線射入晶體全反射面的角度。
[0013] 作為優(yōu)選，所述的晶體由ZnSe材料、KBr、金剛石、藍寶石或Ge材料制作而成。
[0014] 作為優(yōu)選，所述的外殼上設置有密封圈安裝槽，用于安裝密封圈，使所述的ATR探 頭能夠密封安裝在標準化合物反應器上對液體進行檢測，可有效保證探頭插入液體后不會 有液體滲漏到殼體內部，從而保護置于殼體內部的光管、透鏡等不受損壞。
[0015] 作為優(yōu)選，所述的外殼上設置有擋板，用于在ATR探頭插入到反應器中的時候，定 位ATR探頭，將ATR探頭固定在合適的位置處。
[0016] 作為優(yōu)選，所述的第一內鍍膜光管、第二內鍍膜光管通過槽型結構插入并固定在 所述的外殼內部。
[0017] 作為優(yōu)選，所述的外殼采用不銹鋼材料制作而成。
[0018] 本發(fā)明的有益效果是： 1. 采用了大口徑中空內鍍紅外高反膜光管作為入射光和出射光的傳導部件，其具備光 通量大，光能損失小的特點； 2. 增加出射光傳導部件，將紅外光引出去，就可以不受空間限制，采用更高靈敏度的 MCT檢測器。使高信噪比、高靈敏度檢測成為可能； 3. 由于減少了光能量損失，使可檢測的光能量較大，因此紅外光經過ATR之后，可以選 擇MCT檢測器，同時也可以選擇靈敏度稍低的DLATGS檢測器。大大提高了使用的可選擇性， 使ATR探頭具有更廣泛的用途； 4. ATR探頭完全隔離電路部分，使得信號不會受到干擾，信噪比更高，穩(wěn)定性更強，使用 壽命更長； 5. ATR探頭可以應用在生物在線反應罐中，避免了采樣、制樣等工作，使用非常便利，實 時性更好。
[0019]

【專利附圖】

【附圖說明】
[0020] 圖1 :是本發(fā)明實施的ATR探頭整體結構示意圖。
[0021] 圖2:是本發(fā)明實施的45° ATR探頭晶體結構示意圖。
[0022] 圖3:是本發(fā)明實施的60° ATR探頭晶體結構示意圖。
[0023] 圖4 :是本發(fā)明實施的ATR探頭中的光路示意圖。
[0024]

【具體實施方式】 為了便于本領域普通技術人員理解和實施本發(fā)明，下面結合附圖及實施例對本發(fā)明作 進一步的詳細描述，應當理解，此處所描述的實施示例僅用于說明和解釋本發(fā)明，并不用于 限定本發(fā)明。
[0025] 請見圖1，本發(fā)明所采用的技術方案是：一種高光通量紅外ATR探頭，包括進光筒 1、第一反射鏡2、第二反射鏡11、第一內鍍膜光管3、第二內鍍膜光管10、夕卜殼4、第一透鏡 7、第二透鏡9、晶體8和出光筒12 ;第一反射鏡2和第二反射鏡11成V型連接，構成V型反 射裝置，V型反射裝置一端設置在進光筒1出口處、另一端設置在出光筒12進口處，外殼4 上端設置在V型反射裝置下端、下端與晶體8固定連接，與進光筒1、V型反射裝置、晶體8 和出光筒12組成密閉空間；第一內鍍膜光管3、第二內鍍膜光管10均設置在外殼4內，第 一內鍍膜光管3位于第一反射鏡2下端，第二內鍍膜光管10位于第二反射鏡11下端；第一 透鏡7設置在第一內鍍膜光管3和晶體8之間，第二透鏡9設置在第二內鍍膜光管10和晶 體8之間；外殼4上設置有密封圈安裝槽6,用于安裝密封圈，使ATR探頭能夠密封安裝在 標準化合物反應器上對液體進行檢測；外殼4上設置有擋板5,用于在ATR探頭插入到反應 器中的時候，定位ATR探頭，將ATR探頭固定在合適的位置處。
[0026] 請見圖2和圖3,本實施例所采用的晶體8采用截錐形結構，也可以直接采用錐形 結構，光線進入晶體后，反射2次，入射角選45°，入射角是指入射光線射入晶體全反射面 的角度。也可以反射3次，入射角為60°。優(yōu)選45°，紅外光的穿透深度更合適。
[0027] 圖2所示的光路，光線在晶體8內發(fā)生了 3次反射。但實際上，本發(fā)明對于的晶體 8截錐形設計中，只要改變截錐的位置和角度，就可以在晶體內發(fā)生2次或者多次的反射。 因此，本發(fā)明所要主張的權利并不局限于2次反射。
[0028] 本實施例所采用的晶體8為ZnSe材料，不排除Ge晶體、KBr、金剛石、藍寶石等材 料晶體。
[0029] 本實施例的第一透鏡7與第二透鏡9分別對準晶體8的兩個不同的錐形斜面。
[0030] 本實施例的外殼4,采用金屬材料，首選不銹鋼材料。
[0031] 請見圖4,本實施例的光路傳遞路線為：經過匯聚的入射光線首先進入進光筒1， 再經過第一反射鏡2進入第一內鍍膜光管3,再由第一透鏡7匯聚后照射到晶體8錐形的第 一個斜面上反射后，照射到錐形的底面上，再照射到錐形的第二個斜面上，在此斜面上再次 發(fā)生反射后從晶體8射出，再經過第二透鏡9匯聚聚焦到第二內鍍膜光管10后，經過第二 反射鏡11射到出光筒12,最后照到MCT檢測器的光敏面上。
[0032] 本實施例的導入光部件采用的是第一內鍍膜光管3,導出光部件采用的是第二內 鍍膜光管10,光管內壁潔凈光滑，并鍍上對紅外光反射率極高的膜層，從而大大降低入射光 在光管3內壁多次反射后的能量損失。所鍍膜層主要針對4000 Cm-l~400cm-l波段范圍內的 紅外光進行優(yōu)化設計。與傳統(tǒng)的光纖式ATR探頭相比，本發(fā)明導入和導出都采用了大口徑 光管，光纖式探頭多是有多根細小的光纖組成的，因此，從反射能量損失來看，本發(fā)明占優(yōu)。 另外，從光通量來看，所能通過的光通量也具有較大的優(yōu)勢。
[0033] 本實施例的通過第一內鍍膜光管3的光，經過第一透鏡7耦合到晶體8內。由于 經過第一內鍍膜光管3后，部分光進行多次反射后有些發(fā)散，如果不加處理直接照射入晶 體8,那么就會導致大量光能量的損失。本實施例采用第一透鏡7進行光束的整形，使進入 晶體8后的光盡可能多的能夠從晶體中射出并被收集。從晶體8出射的光，經過第二透鏡9 進行聚焦，在第二透鏡9匯聚后的光照射在導出的第二內鍍膜光管10上，經過第二反射鏡 11和出光筒12后，照射到MCT檢測器上，實現(xiàn)光信號向電信號的轉換。
[0034] 目前，市面上已有的對輸出光大部分是采用光纖將光引入和引出ATR探頭進行檢 測的方式，國內還沒有采用光管設計ATR探頭進行檢測。本發(fā)明ATR探頭中只含有光路，與 檢測器隔離開來，既增加了光的通透量，還使信號的檢出更加容易。此前設計的ATR光管， 采用的是內嵌DLATGS檢測器，在實際使用過程中會因待檢測物的罐體的帶電，從而導致檢 測器的損壞，而且DLATGS檢測器的靈敏度相對MCT檢測器差了一個數(shù)量級。因此，在ATR外 部采用MCT檢測器，其靈敏度更高，檢測效果更好。當然，本發(fā)明不排除使用DLATGS檢測器 作為感光元件，但需要去除第二內鍍膜光管10,并且將檢測器與外殼4充分絕緣。實際上， 使用MCT檢測器，檢測效果會更好。
[0035] 用液氮制冷的高靈敏度MCT檢測器進行光信號的檢測，普通的DLATGS無法滿足要 求。而且本發(fā)明，采用內鍍膜光管進行光的傳導，光能量損失小，減少了光傳輸過程中的能 量損失，因此，在無更高精度的要求的情況下，還可以采用成本相對低廉而又無需制冷使用 的DLATGS傳感器進行光信號的檢測。因而，本發(fā)明所需元件少，可選擇性強，使用方便，這 是本發(fā)明的主要優(yōu)勢。
[0036] 本發(fā)明除了可以利用MCT傳感器來檢測光信號，也可以使用DLATGS檢測器來檢測 光信號。
[0037] 本發(fā)明采用大口徑內鍍紅外高反射率膜的中空光管做為光導入部件和光導出部 件，將ATR光導出的光信號送到MCT檢測室進行光的檢測。ATR探頭中只含有光路，與檢測 器隔離開來，既增加了光的通透量，還使信號的檢出更加容易，也不會因罐體的帶電導致檢 測器的損壞。同時，由于采用MCT檢測器，檢測效果更好。因此，本發(fā)明與已有商品化ATR探 頭相比，其具備低成本、光通量大、高信噪比、結構簡單、使用方便等優(yōu)勢。其在生物、醫(yī)學、 地質、材料學等諸多領域具有廣闊的應用前景。
[0038] 盡管本說明書較多地使用了進光筒1、第一反射鏡2、第二反射鏡11、第一內鍍膜 光管3、第二內鍍膜光管10、外殼4、擋板5、密封圈安裝槽6、第一透鏡7、第二透鏡9、晶體8 和出光筒12等術語，但并不排除使用其他術語的可能性。使用這些術語僅僅是為了更方便 的描述本發(fā)明的本質，把它們解釋成任何一種附加的限制都是與本發(fā)明精神相違背的。
[0039] 應當理解的是，本說明書未詳細闡述的部分均屬于現(xiàn)有技術。
[0040] 應當理解的是，上述針對較佳實施例的描述較為詳細，并不能因此而認為是對本 發(fā)明專利保護范圍的限制，本領域的普通技術人員在本發(fā)明的啟示下，在不脫離本發(fā)明權 利要求所保護的范圍情況下，還可以做出替換或變形，均落入本發(fā)明的保護范圍之內，本發(fā) 明的請求保護范圍應以所附權利要求為準。
【權利要求】
1. 一種高光通量紅外ATR探頭，其特征在于：包括進光筒（1)、第一反射鏡（2)、第二 反射鏡（11)、第一內鍍膜光管（3)、第二內鍍膜光管（10)、夕卜殼（4)、第一透鏡（7)、第二透鏡 (9)、晶體（8)和出光筒（12); 所述的第一反射鏡（2)和第二反射鏡（11)成V型連接，構成V型反射裝置，所述的V型 反射裝置一端設置在所述的進光筒（1)出口處、另一端設置在所述的出光筒（12)進口處， 所述的外殼（4)上端設置在所述的V型反射裝置下端、下端與所述的晶體（8)固定連接，與 所述的進光筒（1 )、V型反射裝置、晶體（8 )和出光筒（12 )組成密閉空間； 所述的第一內鍍膜光管（3)、第二內鍍膜光管（10)均設置在所述的外殼（4)內，所述的 第一內鍍膜光管（3)位于所述的第一反射鏡（2)下端，所述的第二內鍍膜光管（10)位于所 述的第二反射鏡（11)下端； 所述的第一透鏡（7)設置在所述的第一內鍍膜光管（3)和晶體（8)之間，所述的第二透 鏡（9 )設置在所述的第二內鍍膜光管（10 )和晶體（8 )之間； 入射光射入所述的進光筒（1)后，經所述的第一反射鏡（2)反射后進入所述的第一內 鍍膜光管（3)，通過所述的第一透鏡（7)匯聚后射入所述的晶體（8)，在晶體（8)內反射后射 出，再經所述的第二透鏡（9)射入到所述的第二內鍍膜光管（10)，經過所述的第二反射鏡 (11)反射后，由所述的出光筒（12)射出，最后由MCT檢測器將光信號轉換成電信號。
2. 根據(jù)權利要求1所述的高光通量紅外ATR探頭，其特征在于：所述的第一內鍍膜光 管（3)、第二內鍍膜光管（10)為石英中空玻璃光管。
3. 根據(jù)權利要求1或2所述的高光通量紅外ATR探頭，其特征在于：所述的第一內鍍 膜光管（3)、第二內鍍膜光管（10)內徑為0.5 mm -5mm。
4. 根據(jù)權利要求1所述的高光通量紅外ATR探頭，其特征在于：所述的晶體（8)為錐形 或截錐形，使入射光線的入射角為45°或60°，其中入射角是指入射光線射入晶體全反射 面的角度。
5. 根據(jù)權利要求1或4所述的高光通量紅外ATR探頭，其特征在于：所述的晶體（8)由 ZnSe材料、KBr、金剛石、藍寶石或Ge材料制作而成。
6. 根據(jù)權利要求1所述的高光通量紅外ATR探頭，其特征在于：所述的外殼（4)上設置 有密封圈安裝槽（6)，用于安裝密封圈，使所述的ATR探頭能夠密封安裝在標準化合物反應 器上對液體進行檢測。
7. 根據(jù)權利要求1所述的高光通量紅外ATR探頭，其特征在于：所述的外殼（4)上設置 有擋板（5)，用于在ATR探頭插入到反應器中的時候，定位ATR探頭，將ATR探頭固定在合適 的位置處。
8. 根據(jù)權利要求3所述的高光通量紅外ATR探頭，其特征在于：所述的第一內鍍膜光 管（3)、第二內鍍膜光管（10)通過槽型結構插入并固定在所述的外殼（4)內部。
9. 根據(jù)權利要求1所述的高光通量紅外ATR探頭，其特征在于：所述的外殼（4)采用不 銹鋼材料制作而成。
【文檔編號】G01N21/01GK104062009SQ201410292437
【公開日】2014年9月24日 申請日期:2014年6月26日 優(yōu)先權日:2014年6月26日
【發(fā)明者】謝非, 吳瓊水, 曾立波, 石磊 申請人:武漢大學