一種實現探頭側壁和頂端同時測量的光纖式atr探頭的制作方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種能夠在探頭的側壁和頂端同時實現測量的光纖式衰減全反射(Attenuated Total Reflect1n,以下簡稱ATR)探頭，具體是一種用于光譜分析的，在探頭側壁和垂直于側壁的頂端都能進行光學測量的光纖式ATR探頭。
【背景技術】
[0002]光譜分析是一種用于表征材料特性的重要技術，通過測量材料在一段光頻譜內的吸收譜或透射譜，可以對材料特性進行定性或定量分析。傳統的光譜分析需要將樣品放入光譜分析儀的樣品室內進行測量，限制了應用場合。新型的光譜分析可以通過光纖將信號光從光譜儀的樣品室中引出，導入到特制的ATR探頭，當ATR探頭完成對樣品的測量后，信號光通過另一條光纖返回光譜儀中的探測器，得到樣品的頻譜數據。
[0003]目前已經報道的光纖式ATR探頭主要采用以下幾種設計:
[0004]方法1:光信號從一條光纖發出，垂直射入一個直角錐晶體(即晶體的剖面是一個等腰直角三角型)的底面，然后在晶體內部以45度的入射角照射到一個晶體的側面，光束在側面發生全反射后照射到另一側的側面，再次發生全反射，最后返回到另一條光纖。直角錐晶體側面上的兩個全反射點即是該ATR探頭的兩個測量點。這種ATR探頭在測量固體樣品時，探頭必須與樣品表面呈45度夾角，以保證探頭前端的直角錐晶體上的至少一個測量點能夠與樣品接觸。因此，當探頭移動受限，例如位于直徑較小的管道內時，探頭無法傾斜也就無法測量管道內壁或頂端的光譜特性。
[0005]方法2:光信號從一條光纖發出，垂直射入梯形錐晶體(即晶體的剖面是一個等腰梯形)，光信號從梯形的長邊垂直入射，然后光束在晶體內部依次在晶體的側壁、頂端(即梯形的短邊)、側壁發生三次全反射，隨后光信號離開晶體返回另一條光纖。梯形錐晶體側面上有兩個全反射點，頂端有一個全反射點，這三個點即是該ATR探頭的測量點。這種ATR探頭在測量固體樣品時，或者將探頭前端的梯形錐晶體的頂端與樣品接觸進行測量，或者將探頭傾斜一定角度(通常為60度)使梯形錐晶體的側面與樣品接觸進行測量。與方法一的設計類似，當探頭移動受限，例如位于直徑較小的管道內時，該探頭可以測量管道頂端的光譜特性，但無法傾斜也就無法測量管道內壁的光譜特性。
[0006]總之，以上的設計在探頭移動受限的場合，探頭前端晶體上的測量點無法與樣品接觸，所以無法對樣品進行測量。因此，需要一種裝置能夠在探頭移動受限的場合，能夠同時在探頭的側壁和前端進行測量的光纖式ATR探頭。
【發明內容】
[0007]本發明所要解決的技術問題是克服上述現有技術的不足，提供能夠同時在側壁和前端進行測量的光纖式ATR探頭。該探頭結構簡單且性能穩定可靠。
[0008]為了解決上述問題，本發明的技術解決方案是:
[0009]—種實現探頭側壁和頂端同時測量的光纖式ATR探頭，其特點在于，包括用于耦合光信號的輸入光纖、輸入透鏡、輸出光纖和輸出透鏡、提供ATR測量的ATR晶體和殼體；
[0010]所述的ATR晶體是一個圓柱形晶體，其側剖面為直角梯形，所述的殼體是具有中心圓形通孔的圓柱體，其前端具有和所述的ATR晶體的梯形斜邊相同的傾角，使ATR晶體的斜邊與殼體前端緊密接觸，并封裝在殼體內；
[0011]所述的輸入光纖、輸入透鏡、輸出光纖和輸出透鏡封裝在殼體內部，使光信號從所述的輸入光纖發出，經所述的輸入透鏡入射到所述的ATR晶體的梯形斜邊，經梯形斜邊折射后入射到該ATR晶體的梯形下底邊，經梯形下底邊全反射后再入射到該ATR晶體的梯形直角邊，經梯形直角邊全反射后再入射到梯形斜邊，經該梯形斜邊折射后入射到所述的輸出透鏡，經輸出透鏡匯聚后射入所述的輸出光纖。
[0012]所述的輸入光纖、輸入透鏡、輸出光纖和輸出透鏡與所述的工作頻帶需相匹配。
[0013]所述的殼體的斜邊與ATR晶體的梯形斜邊通過殼體內側的螺紋或螺絲或膠水等固定。
[0014]所述的殼體是金屬或其他具有較高硬度的材料。
[0015]與現有技術相比，本發明具有如下優點:
[0016]在諸如管道內部等探頭移動受限的場合，能夠同時在探頭的側壁和前端進行測量；光纖、透鏡和ATR晶體涉及的光路被保護在殼體或ATR晶體內，隔絕了外界灰塵、水汽等對探頭使用壽命的影響，保證長期使用的可靠性。
【附圖說明】
[0017]圖1是本發明實現探頭側壁和頂端同時測量的光纖式ATR探頭的側剖面示意圖。
[0018]圖中:1_輸入光纖，2-輸出光纖，3-殼體，4-輸入透鏡，5-光束，6-ATR晶體，7-輸出透鏡。
【具體實施方式】
[0019]下面結合附圖和實施例對本發明作進一步說明，但不應以此限制本發明的保護范圍。
[0020]請參閱圖1，圖1是本發明實現探頭側壁和頂端同時測量的光纖式ATR探頭的側剖面示意圖，如圖所示，光信號從輸入光纖I中發出，經過輸入透鏡4變為準直光束，光束照射到ATR晶體6的梯形斜邊后進入ATR晶體6，光束5表示了光束在ATR晶體內部的路徑，分別經歷了一次斜邊處的折射、一次梯形下底邊的全反射、一次梯形直角邊的全反射和再一次的梯形斜邊處的折射，光束離開ATR晶體后，經過輸出透鏡7的匯聚進入輸出光纖2，殼體3前端與ATR晶體6的斜邊固定，輸入光纖1、輸出光纖2、輸入透鏡4和輸出透鏡7在殼體3內部。本實施例中，輸入光纖I和輸出光纖2為工作波長在5-10微米的中紅外光纖，輸入透鏡4和輸出透鏡7為ZnSe晶體，ATR晶體6為ZnSe晶體，殼體3為不銹鋼材料，輸入光纖1、輸出光纖2、輸入透鏡4、輸出透鏡7和ATR晶體6均通過膠水與殼體3固定，膠水選用受熱固化的環氧樹脂膠。
【主權項】
1.一種實現探頭側壁和頂端同時測量的光纖式ATR探頭，其特征在于，包括用于耦合光信號的輸入光纖、輸入透鏡、輸出光纖和輸出透鏡、提供ATR測量的ATR晶體和殼體； 所述的ATR晶體是一個圓柱形晶體，其側剖面為直角梯形，所述的殼體是具有中心圓形通孔的圓柱體，其前端具有和所述的ATR晶體的梯形斜邊相同的傾角，使ATR晶體的斜邊與殼體前端緊密接觸，并封裝在殼體內； 所述的輸入光纖、輸入透鏡、輸出光纖和輸出透鏡封裝在殼體內部，使光信號從所述的輸入光纖發出，經所述的輸入透鏡入射到所述的ATR晶體的梯形斜邊，經梯形斜邊折射后入射到該ATR晶體的梯形下底邊，經梯形下底邊全反射后再入射到該ATR晶體的梯形直角邊，經梯形直角邊全反射后再入射到梯形斜邊，經該梯形斜邊折射后入射到所述的輸出透鏡，經輸出透鏡匯聚后射入所述的輸出光纖。2.根據權利要求1所述的實現探頭側壁和頂端同時測量的光纖式ATR探頭，其特征在于，所述的輸入光纖、輸入透鏡、輸出光纖和輸出透鏡與所述的工作頻帶需相匹配。3.根據權利要求1所述的實現探頭側壁和頂端同時測量的光纖式ATR探頭，其特征在于，所述的殼體的斜邊與ATR晶體的梯形斜邊通過殼體內側的螺紋或螺絲或膠水等固定。4.根據權利要求1所述的實現探頭側壁和頂端同時測量的光纖式ATR探頭，其特征在于，所述的殼體是金屬或其他具有較高硬度的材料。
【專利摘要】一種實現探頭側壁和頂端同時測量的光纖式ATR探頭，包括用于耦合光信號的輸入光纖、輸入透鏡、輸出光纖和輸出透鏡、提供ATR測量的ATR晶體和殼體；所述的ATR晶體是一個圓柱形晶體，其側剖面為直角梯形，所述的殼體是具有中心圓形通孔的圓柱體，其前端具有和所述的ATR晶體的梯形斜邊相同的傾角，使ATR晶體的斜邊與殼體前端緊密接觸，并封裝在殼體內；所述的輸入光纖、輸入透鏡、輸出光纖和輸出透鏡封裝在殼體內部。本發明可以在諸如管道內部等探頭移動受限的場合，實現探頭的側壁和前端測量，且隔絕了外界灰塵、水汽等對探頭使用壽命的影響，保證長期使用的可靠性。
【IPC分類】G01N21/25
【公開號】CN105424610
【申請號】CN201510759532
【發明人】吳侃, 陳建平
【申請人】上海交通大學
【公開日】2016年3月23日
【申請日】2015年11月10日