基于壓電陶瓷調(diào)節(jié)諧振腔的拉曼光譜增強(qiáng)裝置及增強(qiáng)方法與流程

本發(fā)明涉及的是一種基于壓電陶瓷調(diào)節(jié)諧振腔的拉曼光譜增強(qiáng)裝置及增強(qiáng)方法，屬于光電技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

拉曼散射效應(yīng)可以反映出分子的振動(dòng)信息，在被發(fā)現(xiàn)并經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展之后，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于分子結(jié)構(gòu)研究，并且實(shí)現(xiàn)了定量和定性分析物質(zhì)。與紅外光譜和傳統(tǒng)分析儀器相比，拉曼光譜儀不論在分析時(shí)間、可靠性，還是譜圖的清晰度上都有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，因此，拉曼光譜分析法成為了氣體或液體理想的檢測(cè)方法之一。

但由于拉曼散射截面面積僅為，所以傳統(tǒng)的拉曼效應(yīng)是一種弱效應(yīng)。相對(duì)于液體樣品而言，拉曼光譜分析法適用范圍仍然相當(dāng)窄，在檢測(cè)高濃度樣品時(shí)才有可接受的應(yīng)用效果。在實(shí)際應(yīng)用中，當(dāng)待測(cè)樣品濃度很低時(shí)，獲取有效的拉曼光強(qiáng)度就很難，加之雜質(zhì)和非待測(cè)樣品可能發(fā)生的熒光現(xiàn)象，拉曼光譜分析法用武之地就大大減少。

拉曼光譜分析法要想成為一種廣泛應(yīng)用的檢測(cè)技術(shù)，就必須增強(qiáng)拉曼效應(yīng)。為此人們進(jìn)行了大量的研究，因此發(fā)展出各種特殊的拉曼光譜技術(shù)，來(lái)獲取強(qiáng)度更大的拉曼信號(hào)。例如：共振增強(qiáng)拉曼光譜、共焦顯微拉曼光譜、表面增強(qiáng)拉曼光譜、光子晶體光纖增強(qiáng)拉曼效應(yīng)等，由于它們都存在著局限性，只能在不同的領(lǐng)域有著各自的優(yōu)勢(shì)，不能成為通用的方法在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)使用。

基于上述分析，解決好拉曼弱效應(yīng)這個(gè)問(wèn)題對(duì)于將拉曼光譜檢測(cè)成為通用的檢測(cè)分析手段并完全取代各種繁多的分析儀器意義重大，并還將帶來(lái)顯著的經(jīng)濟(jì)效益。本發(fā)明在應(yīng)用現(xiàn)有激光器的基礎(chǔ)上，改進(jìn)了腔模式匹配方法，并尋找出一種新的腔長(zhǎng)與波長(zhǎng)的匹配方式。利用壓電陶瓷的逆壓電效應(yīng)，在電場(chǎng)作用下產(chǎn)生的形變量很小，可以達(dá)到納米級(jí)的優(yōu)點(diǎn)，精密調(diào)節(jié)腔長(zhǎng)。從而達(dá)到光波長(zhǎng)與諧振腔長(zhǎng)度匹配的目的，使腔內(nèi)產(chǎn)生駐波，激光功率因干涉而增強(qiáng)，最終使得產(chǎn)生的拉曼散射光得到顯著增強(qiáng)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明提出的是一種基于壓電陶瓷調(diào)節(jié)諧振腔的拉曼光譜增強(qiáng)裝置及增強(qiáng)方法，旨在增強(qiáng)拉曼光譜的信號(hào)，提高在對(duì)物質(zhì)定性定量分析和氣體檢測(cè)時(shí)拉曼光譜分析儀的靈敏度，使其在拉曼檢測(cè)過(guò)程中得到更準(zhǔn)確的應(yīng)用。

本發(fā)明的技術(shù)解決方案：一種基于壓電陶瓷調(diào)節(jié)諧振腔的拉曼光譜增強(qiáng)裝置，其結(jié)構(gòu)由激光二極管、校準(zhǔn)聚焦裝置、基于壓電陶瓷的光學(xué)諧振腔、功率計(jì)、聚光裝置和光譜分析儀組成；其中激光二極管連接校準(zhǔn)聚焦裝置，校準(zhǔn)聚焦裝置連接光學(xué)諧振腔，光學(xué)諧振腔連接功率計(jì)與聚光裝置，聚光裝置連接光譜分析儀。

基于壓電陶瓷調(diào)節(jié)諧振腔的拉曼光譜增強(qiáng)裝置的增強(qiáng)方法，該方法包括如下步驟：

1）將激光二極管發(fā)出的的激光通過(guò)校準(zhǔn)聚焦裝置進(jìn)行準(zhǔn)直；

2）將校準(zhǔn)后的激光引入光學(xué)諧振腔內(nèi)，讓其在腔內(nèi)多次來(lái)回反射，通過(guò)控制壓電陶瓷器的壓電電壓來(lái)實(shí)現(xiàn)諧振腔長(zhǎng)度的微變化，由于激光的縱模與可變腔的模式產(chǎn)生匹配，激光能量的不斷累積使得腔內(nèi)的激光束能量逐漸增大，使諧振腔內(nèi)的功率被不斷增強(qiáng)；

3）通過(guò)聚光裝置對(duì)光源頻率進(jìn)一步篩選得到所需的拉曼光，再進(jìn)行拉曼信號(hào)的收集，使用拉曼光譜分析儀獲得增強(qiáng)后的樣品的拉曼光譜圖。

本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)：

1）壓電陶瓷的體積小、分辨率高、響應(yīng)快、推力大、不發(fā)熱、不產(chǎn)生噪聲，通過(guò)控制壓電陶瓷的壓電電壓來(lái)改變諧振腔內(nèi)鏡片的距離，不僅可以使光源的輸出頻率均勻穩(wěn)定，還可以使激光束能量增大，從而使光功率增大；

2）該裝置的增強(qiáng)效果得到明顯提高，使用高精度的諧振腔使拉曼信號(hào)增強(qiáng)好幾個(gè)數(shù)量級(jí)，尤其在檢測(cè)單分子物質(zhì)時(shí)可達(dá)到10⁴倍左右的效果；

3）該方法的靈敏度得到很大提高，不僅可以用于大分子物質(zhì)檢測(cè)，還可用于微量級(jí)物質(zhì)檢測(cè)，更為低成本拉曼光譜技術(shù)應(yīng)用于多組分在線氣體檢測(cè)中提供可能。

附圖說(shuō)明

附圖1是基于壓電陶瓷調(diào)節(jié)諧振腔的拉曼光譜增強(qiáng)裝置原理示意圖。

附圖2是光學(xué)諧振腔結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實(shí)施方式

如圖1所示，基于壓電陶瓷調(diào)節(jié)諧振腔的拉曼光譜增強(qiáng)裝置，其結(jié)構(gòu)由激光二極管、校準(zhǔn)聚焦裝置、基于壓電陶瓷的光學(xué)諧振腔、功率計(jì)、聚光裝置和光譜分析儀組成；其中激光二極管連接校準(zhǔn)聚焦裝置，校準(zhǔn)聚焦裝置連接光學(xué)諧振腔，光學(xué)諧振腔連接功率計(jì)與聚光裝置，聚光裝置連接光譜分析儀。

所述的激光二極管與一個(gè)帶控溫的溫度控制器相連。

所述的校準(zhǔn)聚焦裝置內(nèi)設(shè)有法拉第隔離器(FIA)。

如圖2所示，光學(xué)諧振腔結(jié)構(gòu)由玻璃密封包裝，光學(xué)諧振腔設(shè)有一個(gè)進(jìn)口和一個(gè)出口，光學(xué)諧振腔內(nèi)部設(shè)有一對(duì)相對(duì)放置的反射鏡，其中一個(gè)反射鏡上設(shè)有壓電陶瓷。

所述的聚光裝置包括一個(gè)分色鏡和一個(gè)集光鏡。

基于壓電陶瓷調(diào)節(jié)諧振腔的拉曼光譜增強(qiáng)裝置的增強(qiáng)方法，該方法包括如下步驟：

1）將激光二極管發(fā)出的的激光通過(guò)校準(zhǔn)聚焦裝置進(jìn)行準(zhǔn)直；

2）將待測(cè)樣品注入光學(xué)諧振腔內(nèi)，將校準(zhǔn)后的激光引入光學(xué)諧振腔內(nèi)，讓其在腔內(nèi)多次來(lái)回反射，在諧振腔長(zhǎng)度控制的作用下，由于激光的縱模與可變腔的模式產(chǎn)生匹配，激光能量的不斷累積使得腔內(nèi)的激光束能量逐漸增大，使諧振腔內(nèi)的功率被不斷增強(qiáng)；

3）通過(guò)聚光裝置對(duì)光源頻率進(jìn)一步篩選得到所需的拉曼光，再進(jìn)行拉曼信號(hào)的收集，使用拉曼光譜分析儀獲得增強(qiáng)后的樣品的拉曼光譜圖。

工作時(shí)，波長(zhǎng)為532nm的光源通過(guò)梯度折射鏡進(jìn)行準(zhǔn)直，采用變形棱鏡對(duì)使光束進(jìn)行循環(huán)，再通過(guò)一個(gè)法拉第隔離器(FIA)來(lái)防止光路中由于各種原因產(chǎn)生的后向傳輸光對(duì)光源以及光路系統(tǒng)產(chǎn)生的不良影響；當(dāng)激光被引入諧振腔內(nèi)后，被約束在腔內(nèi)，由于衍射效應(yīng)的存在，加之反射鏡尺寸無(wú)法做到無(wú)限大，光束每次被反射，就只有部分光再次回到腔內(nèi)，少部分光會(huì)由于微小的透射率而射出諧振腔；讓其激光腔內(nèi)多次來(lái)回反射，通過(guò)壓電陶瓷的逆壓電效應(yīng)，精密調(diào)節(jié)諧振腔長(zhǎng)度，達(dá)到光波長(zhǎng)與諧振腔長(zhǎng)度匹配的目的；由于激光的縱模與可變腔的模式產(chǎn)生匹配，激光能量的不斷累積使得腔內(nèi)的激光束能量逐漸增大，從而諧振腔內(nèi)的功率被不斷增強(qiáng)；通過(guò)分色鏡對(duì)光源頻率進(jìn)一步篩選得到所需的拉曼光，再進(jìn)行拉曼信號(hào)的收集，使用拉曼光譜分析儀獲得增強(qiáng)后的樣品的拉曼光譜圖。

實(shí)施例

選取波長(zhǎng)為532nm的激光二極管作為激光器，為后面的拉曼檢測(cè)實(shí)驗(yàn)作光源，再選用梯度折射率透鏡(L)作為準(zhǔn)直透鏡，將發(fā)散的光源進(jìn)行準(zhǔn)直，用變形棱鏡對(duì)(AP)將光束聚集，經(jīng)過(guò)一個(gè)法拉第隔離器(FIA)可以有效防止光路中由于各種原因產(chǎn)生的后向傳輸光對(duì)光源以及光路系統(tǒng)產(chǎn)生的不良影響，在很大程度上減少反射光對(duì)光源的光譜輸出功率穩(wěn)定性產(chǎn)生的影響。進(jìn)入由高折射率的棱鏡對(duì)(SM)(PSM)組成的Fabry-Perot光學(xué)諧振腔中，諧振腔內(nèi)充滿了待檢測(cè)的物質(zhì)，腔體由密封的玻璃包裹，設(shè)有一個(gè)進(jìn)口和一個(gè)出口。諧振腔下方依次放置一個(gè)分色鏡和一個(gè)集光鏡，分色鏡可以將特定波長(zhǎng)的拉曼光分離，以便后面分析；集光鏡將特定波長(zhǎng)的拉曼光集中起來(lái)，送至拉曼光譜分析儀，做最后的檢測(cè)，在光譜分析儀中，便可觀察到實(shí)驗(yàn)物質(zhì)的拉曼光譜。另外，在諧振腔外連接了功率計(jì)方便測(cè)量諧振腔內(nèi)的功率。

本發(fā)明采用的是高折射的棱鏡對(duì)(SM)(PSM)，其中一個(gè)棱鏡上安裝了壓電陶瓷器，通過(guò)壓電陶瓷的逆壓電效應(yīng)，精密調(diào)節(jié)諧振腔長(zhǎng)度，達(dá)到光波長(zhǎng)與諧振腔長(zhǎng)度匹配的目的。由于激光的縱模與可變腔的模式產(chǎn)生匹配，激光能量的不斷累積使得腔內(nèi)的激光束能量逐漸增大，從而諧振腔內(nèi)的功率被不斷增強(qiáng)。

對(duì)于特定光功率的增強(qiáng)，激光二極管發(fā)出的光源進(jìn)入Fabry-Perot光學(xué)諧振腔后，讓其在腔內(nèi)多次來(lái)回反射，通過(guò)調(diào)節(jié)諧振腔長(zhǎng)，使腔內(nèi)的激光束能量逐漸增大，從而提高拉曼光強(qiáng)度。

上述介紹了本發(fā)明基于壓電陶瓷調(diào)節(jié)諧振腔的拉曼光譜增強(qiáng)裝置及增強(qiáng)方法，實(shí)現(xiàn)了在對(duì)物質(zhì)定性定量分析和氣體檢測(cè)時(shí)的拉曼信號(hào)的增強(qiáng)，通過(guò)激光二極管發(fā)射的特定波長(zhǎng)，以及使用Fabry-Perot光學(xué)諧振腔使光源進(jìn)行多次全反射，達(dá)到增強(qiáng)光功率的目的，解釋說(shuō)明了此光學(xué)諧振腔增強(qiáng)拉曼效應(yīng)的可行性，為低成本拉曼技術(shù)應(yīng)用于氣體檢測(cè)提供了一種解決方案。

上述所述的實(shí)施例僅是作為本發(fā)明的一個(gè)說(shuō)明性實(shí)例，并非只能將本發(fā)明應(yīng)用于上述實(shí)。在不脫離本發(fā)明的精神或本質(zhì)特征的情況下，本發(fā)明可以以其他結(jié)構(gòu)、形式以及其他組件、材料和步驟來(lái)實(shí)現(xiàn)。