旋轉(zhuǎn)拋物面反射鏡101的焦距相當(dāng)，一般為4-6倍焦距，其中心與平面反射鏡102中心之間的距離為2-4倍焦距；所述的入射窗口 103為光束傳輸窗口，即探測(cè)激光束107和氣體散射光106經(jīng)由入射窗口 103入射和出射，內(nèi)部包含的環(huán)境氣氛隔離光學(xué)鏡片的材質(zhì)和表面光學(xué)薄膜應(yīng)保證對(duì)激光束和拉曼散射具有高透過率；平面反射鏡102沿光軸方向觀測(cè)的示意圖如圖3所示。所述的旋轉(zhuǎn)拋物面和平面反射鏡通過采用金剛車對(duì)鍛鋁6061或者無氧銅TUl加工獲得，對(duì)探測(cè)光和拉曼散射光均有很高的反射。為防止拋物面和平面反射鏡被氧化或被氣體腐蝕，可在表面鍍高純度的介質(zhì)膜或者金、銠等惰性金屬膜。
[0025]雙色鏡104與入射窗口 103的夾角為45°，它們的中心連線與旋轉(zhuǎn)拋物面反射鏡101的中心軸線110平行；所述雙色鏡為45°入射單邊長通濾光片或窄帶陷波濾光片，其透過邊沿距離激光波長的寬度小于10nm。雙色鏡104激光束反射率可達(dá)98%以上，對(duì)波長偏離激光波長的輻射(如波長偏離1nm及以上)透過率大于90%，即在45°角入射時(shí)探測(cè)激光束107、探測(cè)激光束107的反射回波和瑞利散射被高反射，而氣體拉曼散射光106高比例透射。
[0026]本發(fā)明工作時(shí)，通過合適設(shè)置傳遞光路，探測(cè)激光束107經(jīng)拉曼散射收集裝置(由旋轉(zhuǎn)拋物面反射鏡101和平面反射鏡102組成)反射后，能原路返回，從而保證拋物面反射鏡101的中心軸線110與從入射窗口 103入射的探測(cè)激光束107保持平行。探測(cè)激光束經(jīng)旋轉(zhuǎn)拋物面反射鏡101的一側(cè)(入射側(cè))反射后會(huì)聚于其焦點(diǎn)100，并從另一側(cè)(出射側(cè))反射準(zhǔn)直成平行光，該平行光經(jīng)由平面鏡反射后沿原路返回，這樣激光能夠兩次經(jīng)過同一探測(cè)區(qū)域，增強(qiáng)拉曼散射信號(hào)。激光束匯聚的焦點(diǎn)100處，將產(chǎn)生較高亮度的自發(fā)拉曼散射信號(hào)，其中后向拉曼散射，經(jīng)旋轉(zhuǎn)拋物面反射鏡101入射側(cè)反射，準(zhǔn)直成平行光，透過45°入射的雙色鏡104后，進(jìn)入探測(cè)系統(tǒng)；前向拉曼散射，經(jīng)旋轉(zhuǎn)拋物面反射鏡101出射側(cè)反射同樣準(zhǔn)直為平行光，經(jīng)平面反射鏡102、旋轉(zhuǎn)拋物面反射鏡101的出射側(cè)反射后再次經(jīng)過焦點(diǎn)100，再經(jīng)旋轉(zhuǎn)拋物面反射鏡101的入射側(cè)反射準(zhǔn)直為平行光，透過45°入射的雙色鏡104后，同樣進(jìn)入探測(cè)系統(tǒng)。
[0027]圖4給出了對(duì)圖1所示本發(fā)明實(shí)施例的進(jìn)一步改善。圖1中平面反射鏡102上的圓形入射窗口 103內(nèi)的隔離鏡片被移除，雙色鏡被包括在樣品池內(nèi)，樣品氣體與環(huán)境氣氛的隔離，由雙色鏡附近與激光束垂直的窗口 103A和與散射光垂直的窗口 103B實(shí)現(xiàn)，前者可以是激光線濾光片，后者可以是長通或窄帶限波濾光片。同時(shí)，在反射鏡基材上增設(shè)一排氣口 105B，以利于實(shí)現(xiàn)連續(xù)流動(dòng)氣體的監(jiān)測(cè)。
[0028]以下結(jié)合探測(cè)激光束107為功率200mW波長532nm激光，氣體散射光106采用帶直接耦合鏡頭和面陣CCD探測(cè)器的成像光譜儀進(jìn)行光譜分析的案例來說明本發(fā)明的效果。如圖5所示為采用本發(fā)明裝置對(duì)空氣拉曼散射進(jìn)行測(cè)量的結(jié)果，積分時(shí)間為Is。從圖5中可以清楚地看到空氣中隊(duì)和O2的特征譜線。圖6為積分時(shí)間20s連續(xù)測(cè)試10次并平均后獲得的空氣拉曼散射譜圖，從中可以清楚地看到隊(duì)分子和02分子的轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)譜線和空氣中水蒸汽、CO2分子的拉曼散射譜(其中放大部分為02分子的拉曼散射譜轉(zhuǎn)動(dòng)結(jié)構(gòu)及0)2分子的拉曼散射譜)，顯示了相當(dāng)高的靈敏度和分辨率。
[0029]如圖7所示為本發(fā)明另一種實(shí)施例的拉曼散射收集裝置的系統(tǒng)示意圖，旋轉(zhuǎn)拋物面反射鏡的結(jié)構(gòu)與第一種實(shí)施例相同。平面反射鏡202沿中心軸線方向觀測(cè)的示意圖如圖8所示，平面反射鏡202上設(shè)有入射窗口 203和收集散射窗口 204。入射窗口 203靠近平面反射鏡邊沿，其中心與平面反射鏡202中心的距離為2-4倍焦距大小，窗口直徑與探測(cè)激光束107的光斑大小相當(dāng)，一般為2-3倍光斑直徑；所述的入射窗口 203可以為線濾光片，即只對(duì)探測(cè)激光束107有高透過率的濾光片，從而減少激光器輸出的熒光背景對(duì)測(cè)量的影響。平面反射鏡202的圓形散射收集窗口 204位于平面反射鏡202的中心，窗口直徑與旋轉(zhuǎn)拋物面反射鏡101的焦距相當(dāng)，一般為4-6倍焦距大小，用于對(duì)氣體散射光106進(jìn)行收集；所述的收集窗口 204可以為正入射的長通或者窄帶陷波濾光片，即能對(duì)探測(cè)激光束107進(jìn)行反射，而能透射樣品池內(nèi)產(chǎn)生的氣體拉曼散射光106的濾光片。
[0030]該實(shí)施例工作時(shí)，探測(cè)激光束107經(jīng)由入射窗口 202進(jìn)入樣品池，探測(cè)激光束107的方向與旋轉(zhuǎn)拋物面反射鏡101的中心軸線110平行，經(jīng)旋轉(zhuǎn)拋物面反射鏡101入射面反射聚焦后會(huì)聚于其焦點(diǎn)100，并經(jīng)旋轉(zhuǎn)拋物面反射鏡101出射面反射后準(zhǔn)直成平行光，該平行光經(jīng)由平面反射鏡202或收集窗口 204反射后沿原路返回，這樣激光能夠兩次激發(fā)氣體，增強(qiáng)拉曼散射信號(hào)。焦點(diǎn)100處產(chǎn)生的拉曼散射信號(hào)經(jīng)旋轉(zhuǎn)拋物面反射鏡101反射后被準(zhǔn)直的散射光都能從收集窗口 204出射后被收集起來，顯著提高了焦點(diǎn)處拉曼散射光的收集能力。
[0031]本發(fā)明通過采用拋物面反射鏡和平面反射鏡配合構(gòu)成拉曼散射收集裝置來增加氣體拉曼散射信號(hào)的收集能力，降低了背景噪聲，提高測(cè)量的靈敏度，并具有結(jié)構(gòu)緊湊，光路調(diào)整方便等一系列優(yōu)點(diǎn)。
[0032]上述實(shí)驗(yàn)裝置為便于理解本發(fā)明的基本原理而提供的實(shí)施方案。本發(fā)明不限于這里的實(shí)驗(yàn)裝置，本領(lǐng)域技術(shù)人員根據(jù)本發(fā)明的揭示，對(duì)于本發(fā)明做出的改進(jìn)和修改都應(yīng)該在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一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(diǎn)設(shè)有用于對(duì)樣品池內(nèi)被測(cè)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(shí)現(xiàn)探測(cè)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(shí)，探測(cè)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(hào)得到增強(qiáng)，以提高散射池內(nèi)散射信號(hào)的收集能力，并降低激光束反射點(diǎn)拉曼熒光形成的連續(xù)譜背景噪聲。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的自由空間氣體拉曼散射收集裝置，其特征在于，所述旋轉(zhuǎn)拋物面反射鏡的口徑為6-10倍焦距大??；平面反射鏡的直徑與旋轉(zhuǎn)拋物面反射鏡的口徑相等。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的自由空間氣體拉曼散射收集裝置，其特征在于，所述進(jìn)氣口的口徑為lmm-3mm。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種自由空間氣體拉曼散射收集裝置，其特征在于，所述的旋轉(zhuǎn)拋物面反射鏡和平面反射鏡通過采用金剛車對(duì)金屬鋁或銅進(jìn)行加工，獲得高反射的鏡面，對(duì)探測(cè)光和拉曼散射光都有很高的反射；為防止氧化或腐蝕，所述高反射鏡面可鍍高純介質(zhì)膜或惰性金屬膜。
5.根據(jù)權(quán)利要求1至4中任一所述的自由空間氣體拉曼散射收集裝置，其特征在于，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)部包含用于隔離環(huán)境氣氛的隔離鏡片，構(gòu)成光束傳輸窗口，即探測(cè)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。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種自由空間氣體拉曼散射收集裝置，其特征在于，所述入射窗口中心與平面反射鏡中心之間的距離為2-4倍焦距；入射窗口的直徑為旋轉(zhuǎn)拋物面反射鏡焦距的4 - 6倍。
7.根據(jù)權(quán)利要求5至6所述的自由空間氣體拉曼散射收集裝置，其特征在于，圓形入射窗口內(nèi)的隔離鏡片自平面反射鏡處移除，雙色鏡被包含在樣品池中，樣品氣體與環(huán)境氣體的隔離由雙色鏡附近與入射激光束垂直的窗口和與出射散射光垂直的窗口實(shí)現(xiàn)，前者可以是激光線濾光片，直徑與激光束相當(dāng)，約為光束直徑的2-3倍，后者可以是長通或窄帶濾光陷波濾光片，直徑為旋轉(zhuǎn)拋物面反射鏡焦距的4-6倍。
8.根據(jù)權(quán)利要求1至4中任一所述的自由空間氣體拉曼散射收集裝置，其特征在于，所述平面反射鏡上開有圓形入射窗口和圓形散射收集窗口組成，圓形入射窗口靠近平面反射鏡的邊沿，散射收集窗口位于平面反射鏡的中心，兩窗口中心距離為2-4倍焦距大小。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的自由空間氣體拉曼散射收集裝置，其特征在于，所述入射窗口為只能通過探測(cè)激光束的線濾光片；所述的收集窗口為正入射的長通或窄帶陷波濾光片。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的自由空間氣體拉曼散射收集裝置，其特征在于，所述入射窗口的直徑為1-3倍探測(cè)激光束光斑直徑；散射收集窗口直徑為旋轉(zhuǎn)拋物面反射鏡的焦距的 bo hi I γλ τ
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種自由空間氣體拉曼散射收集裝置，尤其適用于微量氣體成分檢測(cè)。本發(fā)明裝置包括旋轉(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(diǎn)設(shè)有用于對(duì)樣品池內(nèi)被測(cè)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(shí)現(xiàn)探測(cè)激光的入射和散射光的收集的窗口。本發(fā)明裝置結(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(hào)，提高拉曼散射裝置探測(cè)的靈敏度，并且本發(fā)明可以增強(qiáng)氣體拉曼散射收集能力，降低背景噪聲，方便操作，能夠在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)和戶外使用。
【IPC分類】G01N21-65
【公開號(hào)】CN104614362
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510033961
【發(fā)明人】左都羅, 熊友輝
【申請(qǐng)人】華中科技大學(xué), 武漢四方光電科技有限公司
【公開日】2015年5月13日
【申請(qǐng)日】2015年1月22日