基于色散时变的光纤拉曼光谱仪的制作方法

本发明涉及拉曼光谱仪领域，具体涉及一种基于色散时变的光纤拉曼光谱仪。

背景技术：

拉曼谱线是印度物理学家拉曼1928年在研究液体苯散射时首次发现的，它是一种散射光谱。当光照射到物体上时，有部分光会发生非弹性散射，散射光中除了与入射光相同的弹性成分外(瑞利散射)，还有比入射光频率增大和减小的成分，其中频率减小的成分称为斯托克斯线，频率增大的成分称为反斯托克斯线，两成分频率对称分布在激发光频率的两侧。

拉曼效应这主要是由分子振动，晶格中的光学声子与激发光源相互作用的结果。当一个光子与一个分子发生相互作用时，分子吸收一个光子后进入一个不稳定的虚能态，接着会很快放射出一个光子，这时如果分子的振动或转动能级比初始的能级高，那么发射光子的频率就会比原始光子低，称为斯托克斯光，反之分子的振动或转动能级比初始低，光子的能量会增加，频率会提高，被称为反斯托克斯光，通过拉曼光谱仪记录光子频率发生的规律的变化称为拉曼光谱。

每一种物质都有特定的振动或转动能级，对应有特定的拉曼谱线，而且一般不随入射波长变化而变化，所以拉曼谱线也被称为指纹谱线，被广泛应用于物体成分的标定。

目前拉曼光谱分析仪发展到主要以下几种形式:共焦显微镜拉曼光谱、共振拉曼光谱、表面增强拉曼散射和针尖表面增强的拉曼散射，这些光谱仪都是通过空间分光方式来得到光谱信息，需要光栅和消像差的透镜，光路设计复杂，校准也比较繁琐，而且机械稳定性不高；同时在ccd尺寸一定的情况下，无法同时满足大光谱测量范围和高光谱分辨率的要求。

技术实现要素：

本发明提供一种基于色散时变的光纤拉曼光谱仪目的在于减轻光谱仪的重量，同时在保证分辨率的情况下又能扩大光谱测量范围。

本发明的技术方案是：一种基于色散时变的光纤拉曼光谱仪包括激光探测系统和拉曼光谱探测系统。

所述的激光探测系统包括脉冲激光器、第一准直器和声光调制器。

所述的拉曼光谱探测系统包括第二准直器、耦合器、第一光电探测器和第二第二探测器、示波器、普通光纤和色散光纤。

所述脉冲激光器与第一准直器通过光纤连接，声光调制器与第一准直器相对平行放置。

所述第二准直器与耦合器通过光纤连接，所述耦合器与第一光电探测器通过普通光纤连接；所述耦合器与第二光电探测器通过色散光纤连接；所述第一光电探测器和第二光电探测分别通过串行总线与示波器连接。

优选的，所述普通光纤长度比色散光纤长度短。

优选的，所述耦合器为3db光耦合器。

优选的，所述激光器为光纤锁模孤子激光器，所述激光器采用非线性偏振旋转方式锁模、石墨烯锁模、使染料被动锁模或主动锁模。

优选的，所述色散光纤是分布式线性啁啾光栅或是光子晶体光纤。

优选的，所述光谱仪还包括棱镜组和透镜系统。

优选的，所述棱镜组包括反射棱镜和二向分色棱镜，所述反射棱镜和二向分色棱镜在纵向方向相对水平放置；所述透镜组包括前端物镜和后端物镜，所述透镜组置于样品和第二准直器之间。

一种基于色散时变的光纤拉曼光谱仪测试方法，所述方法包括如下步骤：

1)脉冲激光器发出脉冲激光，经过第一准直器或反射镜后形成空间光；

2)采用声光调制器选择其中一部分光，使得出光频率为几十到几百赫兹；

3)脉冲激光到达待测物体表面后被反射和散射，其中一部分光经过第二准直器被光纤收集；

4)收集的反射和散射光经过光纤进入到耦合器，被均分成两路光；

5)其中一路光在普通光纤中传播，较先进入光电探测器中，在示波器显示脉冲，作为时间起点0时刻；

6)另一路光在色散光纤中传播，由于在色散光纤中各个频率成分光传播常数不一样，另一部分反射光和拉曼散射光经过色散光纤后，不同频率成分的光到达探测器的时间不一样，设该探测器的响应函数为f(t)；

7)在参数固定的情况下，标定具有不同波长的光线在两路光纤中传播的延时函数，即λ＝g(t)；

8)根据固定关系所测量的时间响应函数，得到反射光和拉曼光的光谱：raman(λ)＝f(g^-1(λ))，其响应的时间曲线在示波器上显示。

本发明的有益效果是：一种基于色散时变的光纤拉曼光谱仪省去了原来的空间分光成分和ccd阵列探测器，取而代之的是色散光纤和高速探测器，既能减轻光谱仪的重量，又能在保证分辨率的同时更广泛测量光谱范围；光谱仪不需要传统的分光器件，同时避免了复杂光路设计，既能提高机械稳定性，又降低了器件尺寸和重量，节省成本又易携带。本光谱仪是在时域上分辨的光谱仪，其精度是受探测器的响应速率决定，但其测量范围不受限制，而传统光谱仪是在空域上分光，其分辨率受光栅长度决定，在满足高精度的同时，无法满足大范围光谱的测量。

附图说明

参考随附的附图，本发明更多的目的、功能和优点将通过本发明实施方式的如下描述得以阐明，其中：

图1示出本发明一种基于色散时变的光纤拉曼光谱仪的结构示意图；

图2示出本发明一种基于色散时变的光纤拉曼光谱仪实施例2的结构示意图。

具体实施方式

通过参考示范性实施例，本发明的目的和功能以及用于实现这些目的和功能的方法将得以阐明。然而，本发明并不受限于以下所公开的示范性实施例；可以通过不同形式来对其加以实现。说明书的实质仅仅是帮助相关领域技术人员综合理解本发明的具体细节。

在下文中，将参考附图描述本发明的实施例。在附图中，相同的附图标记代表相同或类似的部件，或者相同或类似的步骤。

实施例1

图1为本发明一种基于色散时变的光纤拉曼光谱仪的结构示意图。如图1所示，一种基于色散时变的光纤拉曼光谱仪包括激光探测系统和拉曼光谱探测系统。

激光探测系统包括脉冲激光器101、第一准直器102和声光调制器103；脉冲激光器101与第一准直器102通过光纤连接，声光调制器103与第一准直器102相对平行放置，声光调制器103发出的脉冲光恰好到达待测样品104。

脉冲激光器101为光纤锁模孤子激光器，脉冲激光器101可以采用非线性偏振旋转方式锁模也可以是石墨烯或者染料被动锁模还可以是主动锁模，锁模方式根据实际情况决定。

拉曼光谱探测系统包括第二准直器110、耦合器105、第一光电探测器108和第二光电探测器111、示波器109、普通光纤106和色散光纤107。

第二准直器110与耦合器105通过光纤连接，耦合器105与第一光电探测器108通过普通光纤106连接；耦合器105与第二光电探测器111通过色散光纤107连接；第一光电探测器108和第二光电探测111分别通过串行总线与示波器109连接。

普通光纤106长度比色散光纤107长度短。普通光纤106色散小，脉冲短，形成尖脉冲；色散光纤107光纤比较长，色散系数大，使得每一纳米间隔波长的两频率的光延时能到500ps左右；耦合器105为3db光耦合器；色散光纤107可以是分布式线性啁啾光栅也可以是光子晶体光纤。

光子晶体光纤的横截面上有较复杂的折射率分布，通常含有不同形式排列的气孔，气孔的尺度与光波波长大致在同一量级且贯穿器件的整个长度，波光可以被限制在低折射率的光纤芯区传播。

分布式线性啁啾光栅是一种光栅周期沿光纤的纵向改变的光栅。

本实施例采用的脉冲激光器101为光纤锁模孤子激光器。

一种基于色散时变的光纤拉曼光谱仪获得光谱的具体方法包括以下步骤：

1)光纤锁模孤子激光器101发出约为1微米波长的脉冲激光，脉冲宽度为几十到几百飞秒，经过第一准直器102后变成空间光；

2)由于锁模激光器的重复频率很高，采用声光调制器103选择其中一部分光，使得出光频率为几十到几百赫兹；

3)脉冲激光到达待测样品104表面后被反射和散射，其中一部分光会经过第二准直器110被光纤收集；

4)收集的反射和散射光经过光纤进入到3db光耦合器105，被均分成两路光；

5)其中一路光在普通光纤106中传播，较先进入光电探测器108中，由于色散小，脉冲非常短，在示波器109中会是一个很尖的脉冲，作为时间起点0时刻；

6)另一路光在色散光纤107中传播，由于在色散光纤107各个频率成分光传播常数不一样，另一部分反射光和拉曼散射光经过色散光纤107后，不同频率成分的光到达探测器的时间不一样，设该探测器的响应函数为f(t)，时刻t就是相对于前面提到的时刻0而言的；

7)在参数固定的情况下，可以标定具有不同波长的光线在这两路光纤中传播的延时函数，即λ＝g(t)；

8)根据上面的固定关系和所测量的时间响应函数，脉冲激光经过色散光纤107展宽后到达高速第二光电探测器111，其响应的时间曲线在示波器109上显示，得到反射光和拉曼光的光谱：raman(λ)＝f(g^-1(λ))。

利用延时与色散的关系，就可以得到相应的拉曼光谱。近距离测量方式所需的脉冲能量是非常小的，因此不需要对激光器脉冲放大，而且也不损害样品表面，是一种真正的无损检测。

实施例2

图2为本发明一种基于色散时变的光纤拉曼光谱仪实施例2的结构示意图。本实施例与实施例1的区别在于：在实施例1的结构图中增加了反射棱镜211、二向分色镜212和透镜系统213，实现远距离的拉曼测量技术抑制背景光和避开荧光的影响。

反射棱镜211和待测样品204沿光路置于二向分色镜212的反射方向，透镜系统213置于二向分色镜212的透射方向。

其中，反射棱镜211和二向分色镜212的形状不限于是等腰直角，能够实现激光束的反射和透射即可。

本实施例采用的脉冲激光器210为固体激光器nd:yag激光器。

一种基于色散时变的光纤拉曼光谱仪远距离测量技术的具体方法包括如下步骤：

1)固体激光器nd:yag激光器210发出约为1.064微米波长的脉冲激光，脉冲宽度为150飞秒；

2)由于激光器的重复频率很高，需要采用声光调制器203选择其中一部分光，使得出光频率为几十到几百赫兹；

3)脉冲光经过反射棱镜211和二向分色镜212反射后到达待测样品204，二向分色镜212是对短波方向反射，对长波方向透射；

4)待测样品204反射脉冲光，经二向分色镜212透射，反射光和散射光经过光学透镜系统213，变成平行光进入准直器202，光学透镜系统的前端透镜口径为2英寸到4英寸，测试距离从1到20m；

5)反射光和散射光进入到3db的光耦合器205，被均分成两路光；

6)其中一路光在普通光纤206中传播，较先进入光电探测器208中，由于色散小，脉冲非常短，在示波器209中会是一个很尖的脉冲，作为时间起点0时刻；

7)另外一路光在色散光纤207中传播，由于光纤比较长，色散系数大，使得每一纳米间隔波长的两频率的光延时能到500ps左右，要高于光电探测器的最低响应时间，这样对于200nm的光谱范围，脉宽展宽到100ns；

由于色散光纤207各个频率成分光传播常数不一样，另一部分反射光和拉曼散射光经过色散光纤207后，不同频率成分的光到达探测器的时间不一样，设该探测器的响应函数为f(t)，时刻t就是相对于前面提到的时刻0而言的；

8)在参数固定的情况下，可以标定具有不同波长的光线在这两路光纤中传播的延时函数，即λ＝g(t)；

9)根据上面的固定关系，和所测量的时间响应函数，脉冲激光经过色散光纤207展宽后到达高速第二光电探测器214，其响应的时间曲线在示波器209上显示，得到反射光和拉曼光的光谱：raman(λ)＝f(g^-1(λ))。

结合这里披露的本发明的说明和实践，本发明的其他实施例对于本领域技术人员都是易于想到和理解的。说明和实施例仅被认为是示例性的，本发明的真正范围和主旨均由权利要求所限定。