拉曼光谱检测设备的制作方法

本实用新型的实施例涉及拉曼光谱检测领域，尤其涉及一种拉曼光谱检测设备。

背景技术：

拉曼光谱分析技术是一种以拉曼散射效应为基础的非接触式光谱分析技术，它能对物质的成分进行定性、定量分析。拉曼光谱是一种分子振动光谱，它可以反映分子的指纹特征，可用于对物质的检测。拉曼光谱检测通过检测待测物对于激发光的拉曼散射效应所产生的拉曼光谱来检测和识别物质。拉曼光谱检测方法已经广泛应用于液体安检、珠宝检测、爆炸物检测、毒品检测、药品检测等领域。

近年来，拉曼光谱分析技术在危险品检查和物质识别等领域得到了广泛的应用。在物质识别领域，由于各种物质的颜色、形状各异，人们通常无法准确判断物质的属性，而拉曼光谱由被检物的分子能级结构决定，因而拉曼光谱可作为物质的“指纹”信息，用于物质识别。因此拉曼光谱分析技术在海关、公共安全、食品药品、环境等领域有广泛应用。

技术实现要素：

为了至少部分地环节现有技术中的一个或多个问题，提出了一种安全性更高的拉曼光谱检测设备。

本实用新型的实施例提供了一种拉曼光谱检测设备，包括：

激光器，用于发射激发光；

光学装置，用于将所述激发光引导至待测样品和收集来自所述待测样品的光信号；

光谱仪，用于对接收的光信号进行分光以生成待测样品的拉曼光谱；以及

安全探测器，用于检测所述待测样品发出的红外光。

在一实施例中，所述光学装置包括：

拉曼光信号收集光路，用于收集来自所述待测样品的拉曼光信号，其中，在所述拉曼光路信号收集光路中设置有第一分光镜，所述第一分光镜布置成从拉曼光路信号收集光路中形成红外辐射支路，以将来自待测样品的光中的红外光朝向安全探测器引导。

在一实施例中，所述第一分光镜为短通二向色镜，所述短通二向色镜设置成将波长大于预定波长的光朝向安全探测器反射，而使波长小于该预定波长的光透射通过所述短通二向色镜，所述预定波长在700纳米至300微米之间。

在一实施例中，所述第一分光镜设置成将一部分光朝向安全检测探测器反射，而将另一部分光朝向光谱仪透射。

在一实施例中，所述拉曼光信号收集光路中还包括：

第一会聚透镜，所述第一会聚透镜用于将激发光会聚到待测样品并收集来自待测样品的光信号；

第二会聚透镜，所述第二会聚透镜用于将收集来的光信号会聚到光谱仪；以及

第二分光镜，所述第二分光镜在所述拉曼光信号收集光路中位于第一分光镜和第二会聚透镜之间或位于第一分光镜和第一会聚透镜之间，布置成用于将来自于激光器的激发光向所述第一会聚透镜反射并使由第一会聚透镜收集的来自待测样品的反射光的至少一部分透射通过以射向所述第二会聚透镜。

在一实施例中，所述第二分光镜为长通二向色镜。

在一实施例中，所述拉曼光信号收集光路中还设置有长通滤波片或陷波滤波片，所述长通滤波片或陷波滤波片位于所述第一分光镜的下游，用于滤除经过第一分光镜之后的光信号中的瑞利光。

在一实施例中，所述拉曼光信号收集光路中还设置有长通滤波片或陷波滤波片，所述长通滤波片或陷波滤波片位于所述待测样品和光谱仪之间，用于滤除光信号中的瑞利光。

在一实施例中，所述光学装置包括：

拉曼光信号收集光路，用于收集来自所述待测样品的拉曼光信号；以及

红外光收集光路，用于收集来自所述待测样品的红外光，所述红外光收集光路完全独立于所述拉曼光信号收集光路。

在一实施例中，所述拉曼光谱检测设备还包括控制器，所述控制器接收所述安全探测器的检测结果并向所述激光器发送控制信号，所述控制器配置成在由安全探测器检测到的红外光的辐射能量超过预定阈值时减小激光器的功率或关断激光器。

在一实施例中，所述光学装置集成在光纤探头中，所述激光器发出的激发光通过导入光纤导入所述光纤探头，所述光纤探头通过收集光纤将收集到的拉曼光信号传送至光谱仪。

借助于根据上述实施例的拉曼光谱检测设备，能够防止在拉曼光谱检测过程中因为样品过热损毁而导致安全性问题。

附图说明

为了更好的理解本实用新型，将根据以下附图对本实用新型的实施例进行描述：

图1示出了根据本实用新型一实施例的拉曼光谱检测设备的示意图；

图2示出了根据本实用新型另一实施例的拉曼光谱检测设备的示意图；

图3示出了根据本实用新型又一实施例的拉曼光谱检测设备的示意图；

图4示出了根据本实用新型再一实施例的拉曼光谱检测设备的示意图；

图5示出了根据本实用新型另一实施例的拉曼光谱检测设备的示意图；

图6示出了根据本实用新型一实施例的拉曼光谱检测设备的安全监控方法的流程图；以及

图7示出了根据本实用新型另一实施例的拉曼光谱检测设备的示意图。

附图没有对实施例的所有电路或结构进行显示。贯穿所有附图相同的附图标记表示相同或相似的部件或特征。

具体实施方式

下面通过实施例，并结合附图，对本实用新型的技术方案作进一步具体的说明。在说明书中，相同或相似的附图标号表示相同或相似的部件。下述参照附图对本实用新型实施方式的说明旨在对本实用新型的总体实用新型构思进行解释，而不应当理解为对本实用新型的一种限制。

根据本实用新型的总体构思，提供一种拉曼光谱检测设备，包括：激光器，用于发射激发光；光学装置，用于将所述激发光引导至待测样品和收集来自所述待测样品的光信号；光谱仪，用于对接收的光信号进行分光以生成待测样品的拉曼光谱；以及安全探测器，用于检测所述待测样品发出的红外光。

另外，在下面的详细描述中,为便于解释,阐述了许多具体的细节以提供对本披露实施例的全面理解。然而明显地，一个或更多个实施例在没有这些具体细节的情况下也可以被实施。在其他情况下，公知的结构和装置以图示的方式体现以简化附图。

图1示出了根据本实用新型实施例的拉曼光谱检测设备100的结构示意图。所述拉曼光谱检测设备100包括：激光器10，用于发射激发光11；光学装置20，用于将所述激发光11引导至待测样品30和收集来自所述待测样品30的光信号；光谱仪40，用于对接收的光信号进行分光以生成待测样品30的拉曼光谱；以及安全探测器50，用于检测所述待测样品30发出的红外光31。作为示例，由光谱仪40生成的待测样品30的拉曼光谱可以与已知物质的拉曼光谱进行比较以确定待测样品30的成分。该比较可以例如通过计算机或处理器来完成。

在拉曼检测过程中，产生安全问题往往是由于样品吸热导致温度上升，进而有可能导致对被测物的烧蚀，甚至产生引燃、引爆等现象。而在本实用新型的实施例中，采用了安全探测器(例如红外探测器)50来检测所述待测样品30发出的红外光31，能够监控待测样品30的温度。这是由于当样品温度的上升时，往往伴随着红外光的辐射能量加大。而通过对于红外光的辐射能量的监控就能够发现待测样品30的温度变化情况并及时控制激光出束，从而避免出现安全事故。

在一示例中，如图2所示，光学装置20可以包括拉曼光信号收集光路21，用于收集来自所述待测样品30的拉曼光信号。在所述拉曼光路信号收集光路21中设置有第一分光镜22，所述第一分光镜22布置成从拉曼光路信号收集光路21中形成红外辐射支路23，以将来自待测样品30的光中的红外光朝向安全探测器50引导。该第一分光镜22能够将待测样品30发出的红外光从拉曼光路信号收集光路21中提取出来，可以在尽量不影响拉曼光信号的情况下对红外光进行探测。作为示例，第一分光镜22要求在尽量不影响拉曼光(一般是0‐3000cm^‐1范围)的前提下，尽量将安全探测器响应波段的红外光反射到安全探测器。当然，也可以根据需要对红外辐射支路23中的红外光进行波段选择、会聚等处理。

在上述示例中，红外光所经过的光路和拉曼光所经过的光路在前端(靠近待测样品30的一端)是相同的，以这种方式收集的红外光能够更好地体现待测样品30的实际温度。

作为示例，第一分光镜22为短通二向色镜，所述短通二向色镜设置成将波长大于预定波长的光朝向安全探测器50反射，而使波长小于该预定波长的光透射通过所述短通二向色镜。例如，所述预定波长可以700纳米至300微米之间，如在900纳米至1500纳米之间，如可以将预定波长设定成1200纳米。但本实用新型的实施例中的短通二向色镜的预定波长不限于此范围。通常，拉曼光谱检测设备中的光谱仪所处理的拉曼光谱的波长范围为550至1100纳米。波长短于所述预定波长的光可以透射通过该短通二向色镜(例如透射率可以在90％以上)，对拉曼光谱检测基本上没有影响，波长长于所述预定波长的光可以被反射到红外辐射支路中被传输到安全探测器50。而相应的红外光将被安全探测器接收分析。而典型的安全探测器响应波段例如为1500至3000纳米。但本实用新型的实施例不限于此。

虽然在上述示例中，以短通二向色镜对于第一分光镜22进行介绍，但是这不是必须的，也可以采用本领域已知的任何其它波长选择分光部件来实现第一分光镜22。

在本申请的实施例中，第一分光镜22例如也可以采用普通分光镜来实现。作为示例，第一分光镜可以设置成将一部分光朝向安全检测探测器反射，而将另一部分光朝向光谱仪透射。这也可以实现信号光收集功能和温度监测功能。

在一示例中，如图2所示的示例性的拉曼光谱检测设备100b，拉曼光信号收集光路21中可以还设置有第一会聚透镜24、第二会聚透镜41和第二分光镜25。所述第一会聚透镜24用于将激发光11会聚到待测样品30并收集来自待测样品30的光信号。第二会聚透镜41用于将收集来的光信号会聚到光谱仪。所述第二分光镜25在所述拉曼光信号收集光路21中位于第一会聚透镜24和第一分光镜22之间，布置成用于将来自于激光器10的激发光11向第一会聚透镜24反射并使由第一会聚透镜24收集的来自待测样品30的反射光的至少一部分透射通过以射向所述第一分光镜22或第二会聚透镜41。在该示例中，激发光11被引导至待测样品30上的光路和拉曼光信号收集光路21在从第二分光镜25和待测样品30之间的部分是重合的。而在光路中，第一分光镜22位于第二分光镜25的下游，可以避免对于光路前端的干扰。

作为示例，图2中的第一分光镜22和第二分光镜25的位置可以互换。例如，如图7所示，在拉曼光谱检测设备100b’中，第二分光镜25在所述拉曼光信号收集光路21中位于第一分光镜22和第二会聚透镜41之间。

作为示例，所述第二分光镜25可以为长通二向色镜，即仅允许波长长于一定阈值的光透射通过，而将波长短于该阈值的光挡住。该方案的优势在于，可以削弱来自待测样品30的瑞利光。待测样品30在产生拉曼光的同时往往也会产生波长小于拉曼光的瑞利光，而长通二向色镜的该阈值可以设置成削弱甚至消除波长较短的瑞利光，从而提高拉曼光信号的信噪比。长通二向色镜的具体阈值可以根据实际测量的要求来进行选择。本实用新型的实施例中，第二分光镜25不限于长通二向色镜，例如也可以采用本领域已知的任何其它分光部件来实现第二分光镜25。

在一示例中，为了更好地抑制瑞利光，还可以在拉曼光信号收集光路21中第一分光镜的下游设置长通滤波片或陷波滤波片26，用于滤除经过第一分光镜之后的光信号中的瑞利光。在本实用新型的实施例中，长通滤波片或陷波滤波片26在拉曼光信号收集光路21中的位置不限于此，其可以设置在待测样品和光谱仪之间的任何位置上，只要能够起到去除收集光路中的光信号的瑞利光的作用即可。例如，长通滤波片或陷波滤波片26也可以位于第一分光镜的上游，如对于图5所示的实施例的变体，长通滤波片或陷波滤波片26也可以设置在第一分光镜与第二分光镜之间的位置。在此情况下，收集光路中的光信号可以依次经过第一会聚透镜、第二分光镜、长通滤波片或陷波滤波片、第一分光镜、第二会聚透镜和光谱仪。当然，本实用新型的实施例并不限于此，例如，也可以不设置长通滤波片或陷波滤波片26。

在另一示例中，如图3和图4所示，光学装置20’还可以包括：拉曼光信号收集光路21，用于收集来自所述待测样品的拉曼光信号；以及红外光收集光路23’，用于收集来自所述待测样品30的红外光。与上述如图1和图2所示的示例中的红外辐射支路23不同，所述红外光收集光路23’完全独立于所述拉曼光信号收集光路21。这可以尽可能地保留拉曼光谱检测装置的原有光路结构。安全探测器50可以设置于待测样品30附近的任何位置，只要红外信号的强度能够满足安全探测器50的检测要求即可。

图3中示出的示例性的拉曼光谱检测设备100c和图4中示出的示例性的拉曼光谱检测设备100d的区别仅在于，在图3中，激发光11被引导至待测样品30上的光路和拉曼光信号收集光路21在从第二分光镜25和待测样品30之间的部分是重合的，而在图4中，激发光11被引导至待测样品30上的光路和拉曼光信号收集光路21是完全独立的(或者称为激发光11被偏轴照射到待测样品30)。在图4的示例中，第二分光镜25并不是必要的元件，在图4中示出仅仅是为了便于与图3的示例进行比较。

在图1和图4的示例中，作为示例，在激发光照射到待测样品30上之前还可以被某些光学元件(如反射镜等)来改变方向以更为方便和准确地被引导到待测样品30上。

如图5所示，在一示例中，拉曼光谱检测设备100e还可以包括控制器60。所述控制器60接收所述安全探测器50的检测结果并向所述激光器10发送控制信号。所述控制器60可以配置成在由安全探测器50检测到的红外光的辐射能量超过预定阈值时减小激光器10的功率或关断激光器10。作为示例，由于待测样品30的温度与其所发出的红外光的辐射能量存在对应关系，因此，控制器60中所设定的红外光的辐射能量的预定阈值可以对应于一不超过待测样品30的最大允许温度的温度值，从而避免待测样品30因为温度过高而被毁。所述控制器60可以由如集成电路、信号处理器、计算机等部件来实现。

作为示例，所述光学装置20可以集成在光纤探头70中，所述激光器10发出的激发光11可以通过导入光纤71导入所述光纤探头70，所述光纤探头70通过收集光纤72将收集到的拉曼光信号传送至光谱仪40。当然，光学装置20也可以由分立的光学元件来构建。但采用光纤探头70的方式，能够提高系统的稳定性。

作为示例，激发光在到达第二分光镜25或第一会聚透镜24之间，还可以经过准直透镜27和窄带滤波片28。准直透镜27可以使激发光称为近似于平行光以提高方向性和光学效率。窄带滤波片28可以去除干扰，提高激发光在期望的波长段上的信噪比。作为示例，为了实现光路的折叠，还可以设置一个或更多个偏转反射镜29。作为示例，为了使拉曼信号光能够更好地耦合入光谱仪40，还可以在收集光纤72的上游设置第二会聚透镜41。

本实用新型的实施例还提供了一种拉曼光谱检测设备的安全监控方法200。如图6所示，该安全监控方法200可以包括：

步骤S10：由激光器发射激发光；

步骤S20：将所述激发光引导至待测样品和收集来自所述待测样品的拉曼光信号；以及

步骤S30：由安全探测器检测所述待测样品发出的红外光的辐射能量以监控所述待测样品的温度。

该方法可以用于在拉曼光谱检测设备工作时监控待测样品的温度。

作为示例，所述安全监控方法200还可以包括：

步骤S40：在所述待测样品的温度大于预定阈值时减小激光器的功率或关断激光器。

该步骤S40可以在拉曼光谱检测设备工作时实时地监测待测样品的温度是否大于预定阈值(该预定阈值例如可以为80度、100度、150度等等，可依赖于待测样品30来确定)，从而保证检测工作的安全性。

作为示例，所述监控方法200还可以包括：

步骤S50：在激光器发射激发光持续一预定时间段后关断激光器，并根据待测样品在该预定时间段中的温度变化来确定待测样品的安全性。

该步骤S50可以用于在正式执行拉曼光谱检测操作之前评估检测的安全性。该预定时间段例如可以是0.5秒、1秒、3秒等等。如果预计待测样品的温度可能过高，则可以有针对性地控制拉曼检测参数(例如激光功率、待测样品位置等)，从而避免在正式检测中出现安全风险。

在本实用新型的实施例中，步骤S40和步骤S50可以择一使用，也可以组合使用。图6中虚线部分表示可选的步骤。

以上的详细描述通过使用示意图、流程图和/或示例，已经阐述了上述拉曼光谱检测设备及其监控方法的众多实施例。在这种示意图、流程图和/或示例包含一个或多个功能和/或操作的情况下，本领域技术人员应理解，这种示意图、流程图或示例中的每一功能和/或操作可以通过各种结构、硬件、软件、固件或实质上它们的任意组合来单独和/或共同实现。在一个实施例中，本实用新型的实施例所述主题的若干部分可以通过专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)、数字信号处理器(DSP)、或其他集成格式来实现。然而，本领域技术人员应认识到，这里所公开的实施例的一些方面在整体上或部分地可以等同地实现在集成电路中，实现为在一台或多台计算机上运行的一个或多个计算机程序(例如，实现为在一台或多台计算机系统上运行的一个或多个程序)，实现为在一个或多个处理器上运行的一个或多个程序(例如，实现为在一个或多个微处理器上运行的一个或多个程序)，实现为固件，或者实质上实现为上述方式的任意组合，并且本领域技术人员根据本公开，将具备设计电路和/或写入软件和/或固件代码的能力。此外，本领域技术人员将认识到，本公开所述主题的机制能够作为多种形式的程序产品进行分发，并且无论实际用来执行分发的信号承载介质的具体类型如何，本公开所述主题的示例性实施例均适用。信号承载介质的示例包括但不限于：可记录型介质，如软盘、硬盘驱动器、光盘(CD、DVD)、数字磁带、计算机存储器等；以及传输型介质，如数字和/或模拟通信介质(例如，光纤光缆、波导、有线通信链路、无线通信链路等)。

除非存在技术障碍或矛盾，本实用新型的上述各种实施方式可以自由组合以形成另外的实施例，这些另外的实施例均在本实用新型的保护范围中。

虽然结合附图对本实用新型进行了说明，但是附图中公开的实施例旨在对本实用新型优选实施方式进行示例性说明，而不能理解为对本实用新型的一种限制。附图中的尺寸比例仅仅是示意性的，并不能理解为对本实用新型的限制。

虽然本实用新型总体构思的一些实施例已被显示和说明，本领域普通技术人员将理解，在不背离本总体实用新型构思的原则和精神的情况下，可对这些实施例做出改变，本实用新型的范围以权利要求和它们的等同物限定。