一種自由空間氣體拉曼散射收集裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于拉曼光譜技術(shù)領(lǐng)域，具體是一種采用拋物面反射鏡和平面反射鏡作為自由空間氣體拉曼散射的收集裝置，該裝置尤其適用于微量氣體成分檢測。
【背景技術(shù)】
[0002]拉曼散射是一種光子的非彈性散射，光波在被散射后頻率發(fā)生變化，頻率的變化決定于散射物質(zhì)的特性，因此拉曼散射在物質(zhì)成分分析等方面具有廣泛的應(yīng)用。由于氣體的碰撞截面通常較小，因此氣體拉曼散射信號強度通常非常弱，入射16-1Oltl個光子，可能有一個光子發(fā)生拉曼散射，因此氣體拉曼散射光信號的收集方法極為重要。
[0003]傳統(tǒng)的氣體拉曼散射收集方法主要采用基于光束多程反射的拉曼散射收集裝置，通過探測激光在腔內(nèi)與氣體分子多次相互作用的方法來增加拉曼散射光子的數(shù)目。但該方法的散射體體積較大，要將大體積的拉曼散射信號收集到光譜儀的狹縫上去，會使得收集裝置比較復(fù)雜。
[0004]1994 年，Alb1n Instruments 公司的 Mitchell 等人(US Patent 5521703)米用具有高反壁的空心光纖作為拉曼散射收集裝置，該裝置通過將半導(dǎo)體激光束耦合進(jìn)空心光纖一端，并在空心光纖內(nèi)來回反射，相應(yīng)的拉曼散射光也約束在空心光纖內(nèi)，并在空心光纖的另一端對拉曼散射信號進(jìn)行收集。采用空心光纖約束拉曼散射信號的方法能夠顯著改善拉曼散射信號收集系統(tǒng)，但由于毛細(xì)管玻璃壁產(chǎn)生的拉曼散射及/或熒光(以下簡稱“拉曼熒光”)噪聲會進(jìn)入毛細(xì)管的空心區(qū)域，不可避免地形成一個連續(xù)的背景散射光譜，玻璃中氧化硅的拉曼散射截面或熒光截面遠(yuǎn)大于氣體的散射截面，因此毛細(xì)管的玻璃壁會帶來很寬的連續(xù)背景噪聲譜，降低系統(tǒng)的靈敏率。雖然后續(xù)研宄人員采用空間濾波的方法來對拉曼散射光進(jìn)行過濾，但是同時也使裝置更加復(fù)雜，不利于實際應(yīng)用。
[0005]相對于實現(xiàn)了散射光約束的空心光纖增強拉曼散射裝置，自由空間拉曼散射裝置采用聚焦方式縮小散射體體積，使收集到的散射光增強，具有光路簡單，調(diào)整方便等特點而得到廣泛的應(yīng)用?！坝糜跉怏w分析的激光喇曼樣品池”(公開號CN1645110A，公開日2005年01月13日)采用了通過透鏡聚焦配合球面反射鏡反射的自由空間氣體拉曼散射裝置來使激光兩次激發(fā)氣體，獲得拉曼散射信號，并直接將光譜儀的狹縫安裝在拉曼散射收集裝置上，從而簡化結(jié)構(gòu)，但聚焦透鏡的使用使該收集方法不可避免的會帶來很強的背景噪聲?！耙环NRaman光譜檢測系統(tǒng)”(公開號102147368A，公開日2011年08月10日)中的拉曼散射收集裝置同樣采用了透鏡和反射鏡配合的方式來設(shè)計拉曼散射收集裝置的光路，并利用透鏡將散射收集裝置中的拉曼散射信號進(jìn)行準(zhǔn)直，采用長通濾光片濾除瑞利散射后收集到光譜儀進(jìn)行探測。由于裝置中采用的透鏡中的氧化硅拉曼熒光背景不可避免，會產(chǎn)生較強的背景噪聲，且透鏡收集的相對口徑有限，不利于對弱信號的探測。
[0006]2012 年，美國 Kaiser 公司的 Tedesco 等人(US Patent 007692786B2)采用了離軸拋物面反射鏡配合球面鏡的自由空間拉曼散射方法來收集拉曼散射信號，該方法通過采用離軸拋物面反射鏡取代透鏡來對探測光束聚焦，從而避免了激光與玻璃介質(zhì)相互作用產(chǎn)生的拉曼散射背景噪聲，進(jìn)而提高了探測的靈敏度。該拋物面反射鏡同時被用來完成對拉曼散射光的收集，但是由于該離軸拋物面反射鏡口徑有限，因此收集的拉曼散射信號強度有限，且離軸拋物面反射鏡配合反射鏡的裝配比較麻煩，調(diào)整光路復(fù)雜。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明提供一種自由空間氣體拉曼散射收集裝置，其目的在于增強氣體拉曼散射收集能力，降低背景噪聲，方便操作，并且能在工業(yè)現(xiàn)場和戶外使用。
[0008]本發(fā)明提供的一種自由空間氣體拉曼散射收集裝置，其特征在于，該裝置包括旋轉(zhuǎn)拋物面反射鏡和平面反射鏡；旋轉(zhuǎn)拋物面反射鏡為拋光的高反射鏡面，平面反射鏡的反射面與拋物面反射鏡中心軸線垂直，且旋轉(zhuǎn)拋物面反射鏡和平面反射鏡構(gòu)成作為樣品池的封閉區(qū)間，在拋物面反射鏡的拋物曲線頂點設(shè)有用于對樣品池內(nèi)被測氣體進(jìn)行快速更換的進(jìn)氣口，平面反射鏡上設(shè)有用于實現(xiàn)探測激光入射和散射光收集的窗口 ；所述旋轉(zhuǎn)拋物面反射鏡和平面平面鏡組成反射光學(xué)系統(tǒng)；工作時，探測激光束經(jīng)所述反射光學(xué)系統(tǒng)反射后原路返回，從而保證拋物面反射鏡的中心軸線與從窗口入射的激光束保持平行，使得散射池內(nèi)拉曼散射信號得到增強，以提高散射池內(nèi)散射信號的收集能力，并降低激光束反射點拉曼熒光形成的連續(xù)譜背景噪聲。
[0009]作為上述技術(shù)方案的一種改進(jìn)，該裝置還包括雙色鏡，所述平面反射鏡上設(shè)有圓形入射窗口，入射窗口靠近平面反射鏡的邊沿，所述入射窗口內(nèi)部包含隔離樣品氣體與環(huán)境氣氛的隔離鏡片，構(gòu)成光束傳輸窗口，即探測激光束和氣體散射光只能經(jīng)由入射窗口入射和出射；所述雙色鏡與入射窗口的夾角為45°，它們的中心連線與旋轉(zhuǎn)拋物面反射鏡的中心軸線平行。作為對這一改進(jìn)的完善，氣體樣品池與環(huán)境氣氛的隔離鏡片，可自圓形入射窗口處移除，將雙色鏡包含于樣品池內(nèi)。與環(huán)境氣氛的隔離，由雙色鏡附近垂直于入射激光束和出射散射光的2片窗口實現(xiàn)，前者可以是激光線濾光片，后者可以是長通或窄帶陷波濾光片。這一完善可進(jìn)一步降低窗口可能產(chǎn)生的拉曼熒光背景噪聲。
[0010]作為上述技術(shù)方案的另一種改進(jìn)，所述平面反射鏡上開有圓形入射窗口和圓形散射光收集窗口，圓形入射窗口靠近平面反射鏡的邊沿，口徑與入射激光束相當(dāng)；散射光收集窗口位于平面反射鏡的中心，口徑與旋轉(zhuǎn)拋物面反射鏡的焦距相當(dāng)，兩窗口中心距離為2-4倍焦距大小。
[0011]本發(fā)明克服了裝置光路復(fù)雜的缺點，同時提高了拉曼散射的收集效率。通過合適設(shè)置傳遞光路，探測激光束經(jīng)拉曼散射收集裝置(由旋轉(zhuǎn)拋物面反射鏡和平面反射鏡組成)反射后，能原路返回，從而保證拋物面反射鏡的中心軸線與從窗口入射的激光束保持平行。由于激光在散射池內(nèi)經(jīng)歷兩次反射聚焦，使得散射池內(nèi)拉曼散射信號得到兩倍增強。同時該裝置顯著增強了散射池內(nèi)散射信號的收集能力，由拋物面反射鏡和平面反射鏡構(gòu)成的封閉系統(tǒng)使得拋物面反射鏡焦點處產(chǎn)生的拉曼散射光收集角度得到成倍的增大。旋轉(zhuǎn)拋物面反射鏡和平面鏡構(gòu)成的拉曼散射收集裝置光路調(diào)整簡單，只需保證入射激光能夠原路返回，即可保證系統(tǒng)光路的精度，并且該旋轉(zhuǎn)拋物面反射鏡的相對口徑可做得較大以增大焦點處產(chǎn)生的拉曼散射光的收集角度而不用擔(dān)心象差和安裝的困難。
[0012]本發(fā)明的自由空間氣體拉曼散射收集裝置，特別適合于利用包含直接耦合鏡頭的大口徑成像光譜儀進(jìn)行光譜分析，獲得低背景噪聲、高靈敏度的氣體拉曼光譜。旋轉(zhuǎn)拋物面反射鏡和平面鏡組成的反射光學(xué)系統(tǒng)，激光束反射點產(chǎn)生的拉曼熒光較透射系統(tǒng)小。并且焦點處的拉曼散射被拋物面反射鏡準(zhǔn)直成平行光，相當(dāng)于位于直接耦合鏡頭物空間的無限遠(yuǎn)處，而反射面上的激光束反射點以及前述雙色鏡上的激光反射點均距激光束焦點有一定距離，可能產(chǎn)生的拉曼熒光位于耦合鏡頭物空間的有限距離處，在耦合鏡頭像平面即成像光譜儀的狹縫處被充分彌散，有效地降低了激光束反射點拉曼熒光形成的連續(xù)譜背景噪聲。
[0013]本發(fā)明的自由空間氣體拉曼散射收集裝置結(jié)構(gòu)簡單，光路調(diào)整方便，可以有效地收集樣品池內(nèi)產(chǎn)生的拉曼散射信號，提高拉曼散射裝置探測的靈敏度。
【附圖說明】
[0014]圖1是本發(fā)明的拉曼散射收集裝置的系統(tǒng)示意圖。
[0015]圖2是本發(fā)明拉曼散射收集裝置的旋轉(zhuǎn)拋物面反射鏡沿中心軸線方向觀測的示意圖。
[0016]圖3是本發(fā)明拉曼散射收集裝置的平面反射鏡沿中心軸線方向觀測的示意圖。
[0017]圖4是對圖1所示裝置進(jìn)一步改善后的示意圖。
[0018]圖5和圖6是本發(fā)明裝置對空氣拉曼散射信號進(jìn)行測量的結(jié)果。
[0019]圖7是本發(fā)明另一種實施例的拉曼散射收集裝置的系統(tǒng)示意圖。
[0020]圖8是本發(fā)明另一種實施例中平面反射鏡沿中心軸線方向觀測的示意圖。
【具體實施方式】
[0021]本發(fā)明提供的拉曼散射收集裝置，主要由旋轉(zhuǎn)拋物面反射鏡和平面反射鏡構(gòu)成；旋轉(zhuǎn)拋物面反射鏡為拋光的高反射鏡面，對探測激光和拉曼散射光都有很高的反射；旋轉(zhuǎn)拋物面反射鏡和平面反射鏡構(gòu)成的封閉區(qū)間作為本發(fā)明拉曼散射收集裝置的樣品池，并在拋物面反射鏡的拋物曲線頂點設(shè)有進(jìn)氣口，用于對樣品池內(nèi)被測氣體進(jìn)行快速更換；平面反射鏡的反射面與拋物面反射鏡中心軸線垂直，平面反射鏡上的窗口用于實現(xiàn)探測激光的入射和散射光的收集。
[0022]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的【具體實施方式】作進(jìn)一步說明。在此需要說明的是，對于這些實施方式的說明用于幫助理解本發(fā)明，但并不構(gòu)成對本發(fā)明的限定。此外，下面所描述的本發(fā)明各個實施方式中所涉及到的技術(shù)特征只要彼此之間未構(gòu)成沖突就可以相互組合。
[0023]本發(fā)明的一實施例如圖1所示，拉曼散射收集裝置主要由旋轉(zhuǎn)拋物面反射鏡101、平面反射鏡102、入射窗口 103、雙色鏡104等構(gòu)成。
[0024]旋轉(zhuǎn)拋物面反射鏡101的中心軸線110與探測激光束107平行，旋轉(zhuǎn)拋物面反射鏡101為高反射鏡面；所述的旋轉(zhuǎn)拋物面101的口徑一般為6-10倍焦距大?。恍D(zhuǎn)拋物面反射鏡101的頂點處裝有進(jìn)氣口 105 ;所述進(jìn)氣口的口徑一般為lmm-3mm(優(yōu)選2_)，用于對拉曼散射收集裝置內(nèi)被測氣體進(jìn)行快速更換，同時口徑的設(shè)定以不影響拉曼散射的收集為宜；旋轉(zhuǎn)拋物面反射鏡101沿中心軸線110方向觀測的示意圖如圖2所示。平面反射鏡102的反射面與旋轉(zhuǎn)拋物面反射鏡101的中心軸線110垂直，平面反射鏡102的直徑與旋轉(zhuǎn)拋物面101的口徑相等，與旋轉(zhuǎn)拋物面反射鏡101配合構(gòu)成密封區(qū)間，作為拉曼散射樣品池；平面反射鏡102有圓形入射窗口 103，位置靠近平面反射鏡的邊沿，直徑與