技术领域
[0001] 本实用新型涉及一种基于外腔反馈的多波长激发拉曼光谱仪。
背景技术
[0002] 拉曼光谱检测技术具有走出实验室、进入各行各业和千家万户的光明前景，但是目前还必须先跨越几个障碍，在食品、药品、毒品、爆炸物检测领域，
荧光干扰就是一个很大的障碍。在上述样品的检测中，激光的照射不仅会激发出
拉曼散射光，还有可能同时激发出荧光，而且荧光的强度大于拉曼光强，有的甚至可达拉曼光强的上千倍。移频激发法(SERDS)能够有效的消除荧光干扰，SERDS使用两个以上波长相差很小的激光分别激发样品得到两幅原始拉曼光谱，由于荧光光谱不随波长的微小改变发生移动，而拉曼峰的
位置却会发生明显变化，将两原始谱相减得到差分光谱，在差分光谱中没有荧光干扰，通过数学方法可以从差分光谱中恢复正常拉曼光谱。SERDS能够有效移除荧光干扰，最主要的核心部件是多波长拉曼
光源，多波长光源要求波长相近(相隔0.5nm-1nm左右)，而且要求光源的波长很窄(一般线宽小于0.3nm)，因此，实现多波长激发会导致系统复杂且昂贵。
[0003] 目前多波长拉曼激发光源一般有以下几种形式：
[0004] 1.采用多个波长不同的光源组成多波长拉曼光源，如图1所示，最具代表性：采用的6个
激光器窄线宽激光器，该6个激光器的波长有微小区别，通过光学元件的合束技术使得最终激光都在样品的同一个位置汇聚激发出拉曼光谱。可以看出该系统是相当的复杂，6个波长有微小差别的激光器一般需要定制，定制带来的成本是相当高的。用户如需对该系统进行升级，如由6波长激发升级至7波长甚至更多，那么就需要定制更多的激光器，同时需要重新调试合束光路。
[0005] 2.采用宽带光源与窄带滤光片组合形成多波长拉曼光源，如图2所示，该方法相对图1使用的激光器有大幅下降，但是窄线宽带通滤光片的价格是相当昂贵的，一般采用体Bragg光栅来实现，目前体Bragg光栅主要靠进口，国内还未见商用体Bragg光栅，因此价格非常昂贵。另外宽带光源与窄带滤光片组合最主要的问题是在于其窄线宽输出的功率，滤光片的线宽越窄，那么光源最终通过滤光片的功率越低，因此限制了该技术的推广使用。
[0006] 3.基于
温度调制的多波长拉曼光源，由于
半导体激光器的输出波长会随着芯片内部温度的变化发生改变，具体来讲，即温度升高导致半导体激光器输出波长发生红移；反之，半导体激光器的输出波长发生蓝移动。该种方式相比较以上两种方式，能有效降低成本，且能够实现波长的偏移。但是实现窄线宽输出决定与其激光器本身的输出特性，一般来讲，半导体激光器的输出线宽在2nm左右，这是不能满足拉曼光源需求的，因此需要再半导体的腔镜做些光栅微结构来改善线宽，工艺复杂且线宽也不能适用于高要求的应用场景。实用新型内容
[0007] 为解决上述技术问题，本实用新型的目的是提供一种结构简单，成本低，能够实现波长的变化，满足拉曼光源的需求的基于外腔反馈的多波长激发拉曼光谱仪。
[0008] 本实用新型提出的一种基于外腔反馈的多波长激发拉曼光谱仪，其特征在于：包括半导体激光器(1)、
准直透镜(2)、闪耀光栅(3)、直
角棱镜(4)、二向色镜(5)、第一聚焦透镜(6)、滤光片(8)、第二聚焦透镜(9)和光谱仪(10)，所述闪耀光栅、二向色镜、第一聚焦透镜和样品(7)依次间隔设置且四者的中心连线位于同一直线上，所述二向色镜、滤光片、第二聚焦透镜和光谱仪依次间隔设置且四者的中心连线位于同一直线上，所述闪耀光栅、二向色镜、第一聚焦透镜和样品四者的中心连线与所述二向色镜、滤光片、第二聚焦透镜和光谱仪四者的中心连线呈相互垂直，所述闪耀光栅和二向色镜均呈倾斜设置，所述半导体激光器和直角棱镜分别倾斜设置在所述闪耀光栅的两侧部分，所述半导体激光器和直角棱镜均朝向所述闪耀光栅的
正面，所述
准直透镜设置在所述半导体激光器与所述闪耀光栅之间。
[0009] 进一步的，所述半导体激光器上安装有TEC制冷片。
[0010] 进一步的，所述准直透镜上设有增透膜层。
[0011] 进一步的，所述半导体激光器的输出腔面
镀有增透膜。
[0012] 进一步的，所述直角棱镜的角度可调。
[0013] 进一步的，所述第一、二聚焦透镜的透过率高于99.5％。
[0014] 进一步的，所述滤光片的截止深度高于OD6。
[0015] 进一步的，所述二向色镜的透过率高于80％，反射率高于95％。
[0016] 进一步的，所述直角棱镜的角度由闭环控制系统进行调整。
[0017] 借由上述方案，本实用新型至少具有以下优点：本实用新型基于外腔反馈的多波长激发拉曼光谱仪机构紧凑，系统简单，波长的的增加并不带来更多的成本；激发光源拥有极窄的线宽，远优于0.3nm，能够实现单纵模输出，甚至单频输出；波长的数量以及波长之间的间隔可以由用户设定，满足不同用户使用；同时随着波长的切换，能够保证激光在样品同一位置激发，对于多波长激发是相当重要的，该多波长激发拉曼光谱仪能够实现瓦级激光功率的输出，完全能够满足拉曼光源的需求。
[0018] 上述说明仅是本实用新型技术方案的概述，为了能够更清楚了解本实用新型的技术手段，并可依照
说明书的内容予以实施，以下以本实用新型的较佳
实施例并配合
附图详细说明如后。
附图说明
[0019] 图1为
现有技术中多个激光器组成多波长拉曼光源的结构示意图；
[0020] 图2为现有技术中宽带光源与窄带滤光片组合形成多波长拉曼光源的结构示意图；
[0021] 图3为本实用新型基于外腔反馈的多波长激发拉曼光谱仪的结构示意图。
具体实施方式
[0022] 下面结合附图和实施例，对本实用新型的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本实用新型，但不用来限制本实用新型的范围。
[0023] 实施例：一种基于外腔反馈的多波长激发拉曼光谱仪，包括半导体激光器1、准直透镜2、闪耀光栅3、直角棱镜4、二向色镜5、第一聚焦透镜6、滤光片8、第二聚焦透镜9和光谱仪10，所述闪耀光栅、二向色镜、第一聚焦透镜和样品7依次间隔设置且四者的中心连线位于同一直线上，所述二向色镜、滤光片、第二聚焦透镜和光谱仪依次间隔设置且四者的中心连线位于同一直线上，所述闪耀光栅、二向色镜、第一聚焦透镜和样品四者的中心连线与所述二向色镜、滤光片、第二聚焦透镜和光谱仪四者的中心连线呈相互垂直，所述闪耀光栅和二向色镜均呈倾斜设置，所述半导体激光器和直角棱镜分别倾斜设置在所述闪耀光栅的两侧部分，所述半导体激光器和直角棱镜均朝向所述闪耀光栅的正面，所述准直透镜设置在所述半导体激光器与所述闪耀光栅之间。
[0024] 由于半导体激光器光电效率受限的原因，一般约为50％，半导体激光器在使用的过程中会产生大量的热，如不对这些热进行处理，半导体激光器将很快损坏且不可恢复，因此设计使用了TEC制冷片对半导体激光器进行恒温控制，将半导体激光器
温度控制在25度左右，保证半导体激光器的长期使用。
[0025] 为保证外腔激光器能够足够的反馈
能量，准直透镜需要有约为99.5％的增透膜层；半导体激光器的输出腔面镀有高
质量的增透膜；闪耀光栅具有一定强度的衍射效率；
[0026] 为保证系统能够实现波长准确的调谐，系统中有控制系统对直角棱镜进行角度调整，该控制系统为闭环控制系统，根据当前外腔激光器的输出波长与设定值之间的差异实现波长调谐。
[0027] 二向色镜可以实现拉曼光谱的反射以及激发光的透射，因此，该二向色镜在激发光波长处拥有很高的透过率，透过率高于80％；在拉曼散射光波长处拥有高于95％的反射率。
[0028] 为保证拉曼光谱的有效收集，第一二聚焦透镜拥有高于99.5％的透过率，滤光片在激发波长处用有高于OD6左右的截止深度。
[0029] 该基于外腔反馈的多波长激发拉曼光谱仪的工作原理是：
[0030] 激光经过准直透镜准直后以一定角度入射至闪耀光栅上，闪耀光栅的零级反射光直接出射，-1级衍射光入射至直角棱镜，由于直角棱镜的全反射，其反射光经过光栅的第二次衍射作用后进入半导体激光器内部参与模式竞争。由于模式竞争的作用，最终半导体激光器输出单纵模激光，其线宽极窄。通过旋转直角棱镜的角度可以选择特定
频率的光进入半导体激光器，从而实现波长的变化输出。
[0031] 由于外腔的作用，半导体激光器的输出最终实现窄线宽以及波长可调谐，闪耀光栅的0级衍射光输出透过二向色镜后经过第一聚焦透镜聚焦后打在样品上，由于激光的激发，样品出现拉曼散射，散射光经过第一聚焦透镜准直后，入射至二向色镜并由二向色镜反射至高截止深度的滤光片，滤光片将散射光中的瑞利散射光滤出，最终散射光经第二聚焦透镜汇聚进入光谱仪中进行分析。
[0032] 由于系统只采用的一个半导体激光器，不同激光的波长是通过改变直角棱镜的角度实现的，因此不同的激光波长的激发使用的相同的一套光路，因此整个系统简单且紧凑，成本低。
[0033] 通过调整准直透镜与半导体激光器的相对的空间位置，从而获得高质量的准直光束(mrad量级)；该准直光束以一定角度入射至闪耀光栅上，调整直角棱镜的维度空间位置，使得直角棱镜的反射镜光能够有效的返回至半导体激光器的腔内。
[0034] 直角棱镜的角度调整方式是：将半导体激光器的驱动
电流调至
阈值电流附近，用白屏接受输出光，仔细调整直角棱镜的角度，当防线白屏上的输出光电突然一闪即基本完成直角棱镜栅的调整。使用高
分辨率光谱仪测试该外腔激光器的输出波长的线宽是否满足需求，如不满足需求，只需微调直角棱镜的角度即可。在样品处可放置一个散射较强的粉末或是毛玻璃。
[0035] 该基于外腔反馈的多波长激发拉曼光谱仪机构紧凑，系统简单，波长的的增加并不带来更多的成本；激发光源拥有极窄的线宽，远优于0.3nm，能够实现单纵模输出，甚至单频输出；波长的数量以及波长之间的间隔可以由用户设定，满足不同用户使用；同时随着波长的切换，能够保证激光在样品同一位置激发，对于多波长激发是相当重要的，该多波长激发拉曼光谱仪能够实现瓦级激光功率的输出，完全能够满足拉曼光源的需求。
[0036] 以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，并不用于限制本实用新型，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本实用新型的保护范围。
