基于小型紫外掃頻激光的共振拉曼光譜探測(cè)系統(tǒng)及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種激光光譜探測(cè)方法，尤其涉及一種基于小型紫外掃頻激光的共振拉曼光譜探測(cè)方法，屬于光電探測(cè)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]當(dāng)用單色探測(cè)光照射探測(cè)對(duì)象時(shí)，大部分的光會(huì)按原來(lái)的方向反射，小部分按不同的角度散射形成散射光。在垂直方向上，除了與原入射光具有相同頻率的瑞利散射外，還有一些對(duì)稱分布的與入射光頻率發(fā)生正負(fù)頻移的拉曼譜線，稱拉曼散射。拉曼譜線的強(qiáng)度及頻移大小與探測(cè)對(duì)象組成分子振動(dòng)或轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)有關(guān)，因此拉曼光譜分析可用來(lái)得到有關(guān)分子振動(dòng)或轉(zhuǎn)動(dòng)的信息。激光拉曼光譜分析技術(shù)已廣泛應(yīng)用于各種物質(zhì)的鑒定，分子結(jié)構(gòu)的研宄。
[0003]常規(guī)激光拉曼探測(cè)存在著兩個(gè)不足，即拉曼散射信號(hào)微弱及易受熒光干擾的影響。采用紫外拉曼光譜技術(shù)，即用紫外波段的激光激發(fā)探測(cè)樣品，其斯托克斯拉曼散射也通常位于紫外段，與熒光所在的可見(jiàn)光波段分離，因此可有效消除熒光干擾；采用共振拉曼光譜技術(shù)，激發(fā)激光頻率與所探測(cè)分子的的電子躍迀頻率接近或相等時(shí)，可引起強(qiáng)列的吸收或共振，導(dǎo)致分子的某些拉曼譜帶強(qiáng)度急劇增強(qiáng)數(shù)百萬(wàn)倍，可極大增強(qiáng)拉曼散信號(hào)，有利于拉曼光譜分析。綜合兩者的紫外共振拉曼技術(shù)可實(shí)現(xiàn)對(duì)一種分子分布的高靈敏度探測(cè)，但對(duì)于多種分子的高靈敏度探測(cè)無(wú)能為力。
[0004]如果在紫外激發(fā)波段采用掃頻激光激發(fā)，就可實(shí)現(xiàn)對(duì)多種分子的共振拉曼激發(fā)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)多種分子的高靈敏度拉曼光譜探測(cè)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于提供一種基于小型紫外掃頻激光激發(fā)的，能實(shí)現(xiàn)多種分子高靈敏度探測(cè)的拉曼光譜探測(cè)方法，克服常規(guī)拉曼探測(cè)的不足，全面地高精度地獲取待測(cè)樣品的分子組成。
[0006]本發(fā)明是這樣來(lái)實(shí)現(xiàn)的，其方法步驟為:
[0007]本發(fā)明提出的基于小型紫外掃頻激光的共振拉曼光譜探測(cè)系統(tǒng)，包括小型紫外掃頻激光器和主控制器及數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)。其中小型紫外掃頻激光器由脈沖半導(dǎo)體激光器組件、光纖激光器組件以及紫外掃頻光學(xué)組件組成。
[0008]脈沖半導(dǎo)體激光器組件用于產(chǎn)生泵浦光纖激光器組件的脈沖種子激光。它包含F(xiàn)PGA(注:即Field Programmable Gate Array，現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列)脈沖發(fā)生器、脈沖整形及功率放大電路、半導(dǎo)體激光器驅(qū)動(dòng)電路、光纖耦合器、第一偏振控制器及光隔離器。其中半導(dǎo)體激光器驅(qū)動(dòng)電路由場(chǎng)效應(yīng)管驅(qū)動(dòng)芯片、高速大功率場(chǎng)效應(yīng)管、激光二極管放電回路組成。
[0009]光纖激光器組件包含半導(dǎo)體激光器、光耦合器、環(huán)形腔、第一負(fù)GVD(注:即GroupVelocity Dispers1n，群速度色散)光纖、第一波分復(fù)用器、摻鐿光纖放大器、第二波分復(fù)用器、第二負(fù)GVD光纖、第二偏振控制器、第三偏振控制器、法拉第光隔離器及第四偏振控制器，用于對(duì)脈沖半導(dǎo)體激光器組件傳送過(guò)來(lái)的脈沖種子激光進(jìn)行功率放大及脈沖鎖模壓縮。
[0010]紫外掃頻光學(xué)組件包含PCF(注:即photonic crystal fiber，光子晶體光纖)親合器、PCF、PCF 輸出接口、AOTF (注:即 acousto-optic tunable filter，聲光可調(diào)濾波器)及倍頻聚焦模塊，用于先產(chǎn)生超連續(xù)譜脈沖激光，然后掃頻并倍頻至紫外段，實(shí)現(xiàn)紫外掃頻脈沖激光聚焦輸出。
[0011]主控制器及數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)，含有執(zhí)行控制的硬件電路及數(shù)據(jù)分析軟件，用于控制A0TF、半導(dǎo)體激光器、FPGA脈沖發(fā)生器及紫外拉曼光譜儀，并接收紫外拉曼光譜儀的輸出光譜信號(hào)進(jìn)行光譜數(shù)據(jù)分析。
[0012]掃頻共振拉曼光譜探測(cè)按以下步驟進(jìn)行:
[0013](I)主控制器及數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)發(fā)出第一個(gè)控制指令用于啟動(dòng)A0TF，并選擇掃頻起始工作波長(zhǎng)入1;
[0014](2)主控制器及數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)發(fā)出第二個(gè)控制指令用于設(shè)定FPGA脈沖發(fā)生器的脈沖頻率并使之啟動(dòng)工作；
[0015](3)主控制器及數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)發(fā)出第三個(gè)控制指令用于啟動(dòng)半導(dǎo)體激光器；
[0016](4) FPGA脈沖發(fā)生器發(fā)出的頻率為80MHz的電脈沖經(jīng)脈沖整形及功率放大電路首先進(jìn)行脈沖整形，調(diào)節(jié)高電平占空比，形成納秒級(jí)的頻率為80MHz的電脈沖，然后進(jìn)行功率放大后，送入半導(dǎo)體激光器驅(qū)動(dòng)電路中的場(chǎng)效應(yīng)管驅(qū)動(dòng)芯片的控制引腳，場(chǎng)效應(yīng)管驅(qū)動(dòng)芯片的輸出引腳產(chǎn)生頻率為80MHz的納秒級(jí)脈沖信號(hào)用于控制高速大功率場(chǎng)效應(yīng)管的導(dǎo)通和截止，用于控制激光二極管放電回路的充放電，使激光二極管放電回路中的激光二極管產(chǎn)生重頻為80MHz的納秒級(jí)脈沖種子激光。該脈沖種子激光經(jīng)光纖耦合器耦合進(jìn)光纖中，再經(jīng)第一偏振控制器及光隔離器傳輸進(jìn)入光纖激光器組件。第一偏振控制器及光隔離器的作用是消除光纖激光器組件可能產(chǎn)生的回波干擾；
[0017](5)光纖激光器組件中的半導(dǎo)體激光器，發(fā)射的連續(xù)泵浦激光束經(jīng)過(guò)光耦合器兩等分后以兩個(gè)方向進(jìn)入環(huán)形腔，分別經(jīng)過(guò)第一波分復(fù)用器與第二波分復(fù)用器之后，從兩個(gè)方向泵浦摻鐿光纖放大器。脈沖半導(dǎo)體激光器組件輸出的納秒級(jí)脈沖種子激光經(jīng)過(guò)摻鐿光纖放大器進(jìn)行功率放大，同時(shí)該納秒級(jí)脈沖激光先經(jīng)過(guò)第一負(fù)GVD光纖，脈沖得到了壓縮，由于摻鐿光纖放大器具有正GVD，所以該納秒脈沖經(jīng)過(guò)了拉伸，再經(jīng)過(guò)第二負(fù)GVD光纖后，脈沖得到了再次壓縮，在環(huán)形腔內(nèi)進(jìn)行啁啾(chirp)補(bǔ)償。第三偏振控制器、法拉第光隔離器及第四偏振控制器組成一個(gè)共振器，利用非線性偏振旋轉(zhuǎn)效應(yīng)，當(dāng)一個(gè)脈沖的兩個(gè)正交偏振分量在光纖中傳輸時(shí)。由于自相位調(diào)制和互相位調(diào)制效應(yīng)引起的強(qiáng)度依賴的偏振態(tài)變化可以形成等效可飽和吸收體，其物理機(jī)制與克爾光閘相類似，利用光纖中的非線性雙折射效應(yīng)，基于非線性雙折射光纖中的自鎖模機(jī)制產(chǎn)生超短飛秒級(jí)激光脈沖，并使環(huán)形腔中的激光沿單向傳輸，通過(guò)第二偏振控制器輸出至紫外掃頻光學(xué)組件；
[0018](6)光纖激光器組件輸出的飛秒級(jí)激光脈沖通過(guò)PCF耦合器進(jìn)入PCF后，形成超連續(xù)譜脈沖激光；
[0019](7)該超連續(xù)譜脈沖激光經(jīng)過(guò)AOTF后，得到波長(zhǎng)為A1的飛秒級(jí)脈沖激光。倍頻聚焦模塊中包含兩個(gè)倍頻晶體可實(shí)現(xiàn)四倍頻，及聚焦光學(xué)結(jié)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)紫外激光的聚焦。從AOTF輸出的飛秒級(jí)脈沖激光進(jìn)入倍頻聚焦模塊后，形成波長(zhǎng)為四分之一 λ ^勺重頻為80MHz的飛秒級(jí)脈沖激光，經(jīng)聚焦光學(xué)結(jié)構(gòu)聚焦至檢測(cè)對(duì)象的測(cè)試點(diǎn)上；
[0020](8)主控制器及數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)發(fā)出第四個(gè)控制指令啟動(dòng)紫外拉曼光譜儀。測(cè)試點(diǎn)激發(fā)的拉曼信號(hào)經(jīng)信號(hào)采集光學(xué)模塊會(huì)聚耦合進(jìn)入紫外拉曼光譜儀，經(jīng)內(nèi)部分光系統(tǒng)分光后被紫外光電傳感器接收及光電轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換的電信號(hào)傳送至主控制器及數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)進(jìn)行紫外拉曼光譜信號(hào)分析。檢測(cè)對(duì)象的測(cè)試點(diǎn)處物質(zhì)分子組成中，對(duì)應(yīng)共振拉曼激發(fā)波長(zhǎng)為四分之一 M 子由于共振拉曼效應(yīng)，其特征斯托克斯拉曼譜線的強(qiáng)度將增強(qiáng)10 4到16倍，因此可對(duì)極微量濃度的M i分子進(jìn)行檢測(cè)；
[0021](9)主控制器及數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)發(fā)出控制指令選擇AOTF的工作波長(zhǎng)λ2 =A1+Λ λ，Λ λ為掃頻步長(zhǎng)。從PCF輸出的超連續(xù)譜脈沖激光經(jīng)過(guò)AOTF后，得到波長(zhǎng)為λ 2的飛秒級(jí)脈沖激光。進(jìn)入倍頻聚焦模塊后，形成波長(zhǎng)為四分之一 λ 2的重頻為80MHz的飛秒級(jí)脈沖激光，經(jīng)聚焦光學(xué)結(jié)構(gòu)聚焦至檢測(cè)對(duì)象的測(cè)試點(diǎn)上。測(cè)試點(diǎn)激發(fā)的拉曼信號(hào)經(jīng)信號(hào)采集光學(xué)模塊會(huì)聚耦合進(jìn)入紫外拉曼光譜儀，經(jīng)內(nèi)部分光系統(tǒng)分光后被紫外光電傳感器接收及光電轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換的電信號(hào)傳送至主控制器及數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)進(jìn)行紫外拉曼光譜信號(hào)分析。檢測(cè)對(duì)象的測(cè)試點(diǎn)處物質(zhì)分子組成中，對(duì)應(yīng)共振拉曼激發(fā)波長(zhǎng)為四分之一入2的112分子由于共振拉曼效應(yīng)，其特征斯托克斯拉曼譜線的強(qiáng)度將增強(qiáng)14到10 6倍，因此可對(duì)極微量濃度的仏分子進(jìn)行檢測(cè)；
[0022](10)重復(fù)步驟9，選擇AOTF的工作波長(zhǎng)λ3= λλ。檢測(cè)對(duì)象的測(cè)試點(diǎn)處物質(zhì)分子組成中，對(duì)應(yīng)共振拉曼激發(fā)波長(zhǎng)為四分之一 λ 3的M 3分子由于共振拉曼效應(yīng)，其特征斯托克斯拉曼譜線的強(qiáng)度將增強(qiáng)14到10 6倍，因此可對(duì)極微量濃度的M3分子進(jìn)行檢測(cè)；
[0023](11)不斷重復(fù)步驟10，直至選擇AOTF掃頻截止工作波長(zhǎng)λ Ν= λ ^(N-1) Δ λ，在本實(shí)施例中選λΝ= 1200ηπι。同理，檢測(cè)對(duì)象的測(cè)試點(diǎn)處物質(zhì)分子組成中，對(duì)應(yīng)共振拉曼激發(fā)波長(zhǎng)為四分之一 λΝ (即300nm)的Mn分子由于共振拉曼效應(yīng)，其特征斯托克斯拉曼譜線的強(qiáng)度將增強(qiáng)14