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一种集受激布里渊散射与光学相干弹性成像于一体的检测装置

阅读：265发布：2020-05-14

专利汇可以提供一种集受激布里渊散射与光学相干弹性成像于一体的检测装置专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明公开了一种集受激布里渊散射与光学相干弹性成像于一体的检测装置，包括受激布里渊散射测量支路和光学相干弹性成像测量支路。激光器输出单纵模水平偏振光，依次经偏振分光镜及四分之一波片后变成圆偏振光，通过全反镜反射由透镜聚焦到样品中并激发受激布里渊散射，散射信号由其相位共轭特性沿背向返回，再次经过四分之一波片后变成竖直偏振，并被偏振分光镜及全反镜反射后依次通过透镜、滤波器、F-P标准具，最后ICCD信号采集系统采集受激布里渊散射信号。本发明的优点是：结合不同检测样品所对应的吸收光谱特征和样品的体弹性模量、剪切模量以及黏度信息，建立不同样品检测的指纹鉴别数据库，最终形成一种有效的多种样品快速检测方法和技术。，下面是一种集受激布里渊散射与光学相干弹性成像于一体的检测装置专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种集受激布里渊散射与光学相干弹性成像于一体的检测装置，包括受激布里渊散射测量支路和光学相干弹性成像测量支路，其特征在于：
计算机、同步控制器、Nd:YAG固体激光器、偏振分光镜、1/4波片、全反镜、透镜、待测样品和光电探测器组成受激布里渊散射探测系统；
待测样品、透镜、全反镜、1/4波片、偏振分光镜、针孔滤波器、F-P标准具、ICCD和计算机组成受激布里渊散射信号采集系统；
计算机、扫频激光器、90/10耦合器、环形器、准直器、反射镜、振镜系统、透镜和待测样品组成光学相干弹性成像探测系统；
计算机、平衡探测器、50/50耦合器、环形器、准直器、反射镜、振镜系统、透镜和待测样品组成光学相干弹性成像信号采集系统；
受激布里渊散射探测系统中，计算机连接同步控制器，同步控制器连接Nd:YAG固体激光器，Nd:YAG固体激光器、偏振分光镜、1/4波片和全反镜处于同一水平光轴，经过另一个平行全反镜改变光路，全反镜、透镜、待测样品和光电探测器处于同一水平光轴；
受激布里渊散射信号采集系统中，光电探测器、待测样品、透镜和全反镜处于同一水平光轴，经过另一个平行全反镜改变光路，全反镜、1/4波片、偏振分光镜处于同一水平光轴，再通过另一个平行全反镜改变光路，全反镜、透镜、针孔滤波器、F-P标准具和ICCD处于同一水平光轴，ICCD连接计算机；
光学相干弹性成像探测系统中，计算机连接扫频激光器，扫频激光器连接90/10耦合器，90/10耦合器连接两个相互平行的环形器，环形器、准直器和反射镜处于同一水平光轴，环形器、准直器和振镜系统处于另一水平光轴，振镜系统、透镜和待测样品处于同一竖直光轴；
光学相干弹性成像信号采集系统中，检测样品、透镜和振镜系统处于同一竖直光轴，振镜系统、准直器和环形器处于同一水平光轴，反射镜、准直器和环形器处于另一水平光轴，两个平行环形器连接同一个50/50耦合器，50/50耦合器连接平衡探测器，平衡探测器连接计算机。
2.根据权利要求1所述的一种集受激布里渊散射与光学相干弹性成像于一体的检测装置，其特征在于：受激布里渊散射探测系统中，计算机启动同步控制器控制激光器脉冲宽度为10ns，Nd:YAG激光器输出532nm竖直偏振光，通过与入射光呈45°角放置的偏振分光镜变成532nm水平偏正光，经过1/4波片变成532nm椭圆偏振光，两个全反镜与入射光呈45°平行放置，激光通过透镜聚焦射入待测样品，通过光电探测器探测光强。
3.根据权利要求1所述的一种集受激布里渊散射与光学相干弹性成像于一体的检测装置，其特征在于：受激布里渊散射信号采集系统中，待测样品受激布里渊散射信号沿入射光背向180°方向通过透镜和全反镜后射入1/4波片，受激布里渊散射信号变成竖直偏振信号，通过偏振分光镜和全反镜反射后穿过透镜，经过针孔滤波器和F-P标准具准直，ICCD采集受激布里渊散射信号并传输到计算机。
4.根据权利要求1所述的一种集受激布里渊散射与光学相干弹性成像于一体的检测装置，其特征在于：光学相干弹性成像探测系统中，计算机控制扫频激光器输出1310nm和
50KHz红外激光，经过90/10耦合器分成参考光和探测光，探测光通过环形器和准直器后，经过振镜系统反射和透镜聚焦，射入待测样品；参考光通过环形器和准直器后，由反射镜反射参考光信号。
5.根据权利要求1所述的一种集受激布里渊散射与光学相干弹性成像于一体的检测装置，其特征在于：光学相干弹性成像信号采集系统中，待测样品相干弹性探测信号经过透镜和振镜系统后，通过准直器和环形器进入50/50耦合器；参考信号通过反射镜反射后，通过环形器和准直器后进入50/50耦合器，然后探测信号和参考信号通过50/50耦合器一起输入到平衡探测器，最后输入计算机。
6.根据权利要求1所述的一种集受激布里渊散射与光学相干弹性成像于一体的检测装置，其特征在于：样品剪切模量的测量中，通过采用布里渊声波传播方向与OCE探测方向相互正交的方式逐层扫描；Nd: YAG输出532nm单纵模激光经过透镜聚焦后在样品中产生沿Y轴方向传播的布里渊声波场，光学相干弹性成像扫描光束沿Z轴方向与布里渊声波相互正交传输；当一个扫描周期结束后，利用X方向的剪切层分布、Y方向的扫描时间以及Z方向的扫描深度信息提取样品中声波传输信息，剪切模量与声波波速的平方成正比，获得样品剪切模量的三维空间分布信息。

说明书全文

一种集受激布里渊散射与光学相干弹性成像于一体的检测

装置

技术领域

[0001] 本发明涉及一种光学检测技术领域，涉及一种光散射和光学成像检测技术领域，属于计算机控制系统领域，具体为一种集受激布里渊散射与光学相干弹性成像于一体的检测装置。

背景技术

[0002] 弹性模量与粘度在工业材料的应用中是非常重要的物理参数，通过这些参数可以有效的分析材料特性和质量检测，但是传统的分析方法主要是采用化学分析或者核磁共振和气相色谱-质谱技术等大型仪器来检测，缺点在于分析时间长、工作强度大，分析效率相对比较低，而且部分化学方法在检测的同时需要添加其它化学试剂，这也会带来安全隐患及环境污染的问题。

[0003] 布里渊散射作为激光光谱学中的一个重要研究方向，已被广泛应用于材料结构分析、介质参数测量等实际应用中。布里渊散射的一些基本特征参数与介质属性息息相关，会随介质参数的变化而变化，如，介质的电致伸缩系数、折射率、密度、黏度等都直接影响介质中的布里渊光谱特性。而光学相干弹性成像技术是在光学相干层析技术基础上发展起来的一种新的三维层析成像技术，其信号对比度源于弹性介质的杨氏模量、剪切模量、应力与应变等弹性参量的空间变化。

[0004] 本发明利用受激布里渊散射和光学相干弹性成像技术对待测样品进行受激布里渊散射检测和光学逐层扫描，对待测样品所对应的吸收光谱特征和样品的体弹性模量、剪切模量以及黏度信息，建立不同样品检测的指纹鉴别数据库。

发明内容

[0005] 针对材料的弹性模量及粘度测量的技术问题和不足，本发明提供了一种集受激布里渊散射与光学相干弹性成像于一体的检测装置及方法，激光器输出532 nm单纵模水平偏振光，依次经偏振分光镜及四分之一波片后变成圆偏振光，通过全反镜反射由透镜聚焦到样品中并激发受激布里渊散射，散射信号由其相位共轭特性沿背向（180º）返回，再次经过四分之一波片后变成竖直偏振，并被偏振分光镜及全反镜反射后依次通过透镜、滤波器、法布里-珀罗标准具，最后ICCD信号采集系统采集受激布里渊散射信号。同时扫频激光器输出中心波长为1310 nm的红外光（扫描频率为50KHz），经90/10耦合器后分为两路分别到被测样品（信号臂）以及反光镜（参考臂），由信号臂及参考臂反射回来的两束光信号经50/50耦合器输入到平衡探测器，并由计算机采集信号。信号臂的光束由扫描振镜系统控制并聚焦到样品中，实现逐层扫描。为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是一种集受激布里渊散射与光学相干弹性成像于一体的检测装置及方法，包括受激布里渊散射测量支路和光学相干弹性成像测量支路，其特征在于：计算机、同步控制器、Nd:YAG固体激光器、偏振分光镜、1/4波片、全反镜、透镜、检测样品和光电探测器组成受激布里渊散射探测系统。待测样品、透镜、全反镜、1/4波片、偏振分光镜、针孔滤波器、F-P标准具、ICCD和计算机组成受激布里渊散射信号采集系统。计算机、扫频激光器、90/10耦合器、环形器、准直器、反射镜、振镜系统、透镜和待测样品组成光学相干弹性成像探测系统。计算机、平衡探测器、50/50耦合器、环形器、准直器、反射镜、振镜系统、透镜和待测样品组成光学相干弹性成像信号采集系统。受激布里渊散射探测系统中，计算机连接同步控制器，同步控制器连接Nd:YAG固体激光器，Nd:YAG固体激光器、偏振分光镜、1/4波片和全反镜处于同一水平光轴，经过另一个平行全反镜改变光路，全反镜、透镜、待测样品和光电探测器处于同一水平光轴。受激布里渊散射信号采集系统中，光电探测器、检测样品、透镜和全反镜处于同一水平光轴，经过另一个平行全反镜改变光路，全反镜、1/4波片、偏振分光镜处于同一水平光轴，再通过另一个平行全反镜改变光路，全反镜、透镜、针孔滤波器、F-P标准具和ICCD处于同一水平光轴，ICCD连接计算机。光学相干弹性成像探测系统中，计算机连接扫频激光器，扫频激光器连接90/10耦合器，90/10耦合器连接两个相互平行的环形器，环形器、准直器和反射镜处于同一水平光轴，环形器、准直器和振镜系统处于另一水平光轴，振镜系统、透镜和检测样品处于同一竖直光轴。光学相干弹性成像信号采集系统中，检测样品、透镜和振镜系统处于同一竖直光轴，振镜系统、准直器和环形器处于同一水平光轴，反射镜、准直器和环形器处于另一水平光轴，两个平行环形器连接同一个50/50耦合器，50/50耦合器连接平衡探测器，平衡探测器连接计算机。

[0006] 所述的一种集受激布里渊散射与光学相干弹性成像于一体的检测装置及方法的受激布里渊散射探测系统中，计算机启动同步控制器控制激光器脉冲宽度为10ns，Nd:YAG激光器输出532nm竖直偏振光，通过与入射光呈45°角放置的偏振分光镜变成532nm水平偏正光，经过1/4波片变成532nm椭圆偏振光，两个全反镜与入射光呈45°平行放置，激光通过透镜聚焦射入待测样品，通过光电探测器探测光强。

[0007] 所述的一种集受激布里渊散射与光学相干弹性成像于一体的检测装置及方法的受激布里渊散射信号采集系统中，待测样品受激布里渊散射信号沿入射光背向180°方向通过透镜和全反镜后射入1/4波片，受激布里渊散射信号变成竖直偏振信号，通过偏振分光镜和全反镜反射后穿过透镜，经过针孔滤波器和F-P标准具准直，ICCD采集受激布里渊散射信号并传输到计算机。

[0008] 所述的一种集受激布里渊散射与光学相干弹性成像于一体的检测装置及方法的光学相干弹性成像探测系统中，计算机控制扫频激光器输出1310nm和50KHz红外激光，经过90/10耦合器分成参考光和探测光，探测光通过环形器和准直器后，经过振镜系统反射和透镜聚焦，射入待测样品。参考光通过环形器和准直器后，由反射镜反射参考光信号。

[0009] 所述的一种集受激布里渊散射与光学相干弹性成像于一体的检测装置及方法的光学相干弹性成像信号采集系统中，待测样品相干弹性探测信号经过透镜和振镜系统后，通过准直器和环形器进入50/50耦合器。参考信号通过反射镜反射后，通过环形器和准直器后进入50/50耦合器，然后探测信号和参考信号通过50/50耦合器一起输入到平衡探测器，最后输入计算机。

[0010] 所述的一种集受激布里渊散射与光学相干弹性成像于一体的检测装置及方法的样品剪切模量的测量中，通过采用布里渊声波传播方向与OCE探测方向相互正交的方式逐层扫描。Nd: YAG输出532nm单纵模激光经过透镜聚焦后在样品中产生沿Y轴方向传播的布里渊声波场，光学相干弹性成像扫描光束沿Z轴方向与布里渊声波相互正交传输。当一个扫描周期结束后，利用X方向的剪切层分布、Y方向的扫描时间以及Z方向的扫描深度信息提取样品中声波传输信息，剪切模量与声波波速的平方成正比，获得样品剪切模量的三维空间分布信息。附图说明

[0011] 图1是本发明的检测装置原理图。

[0012] 图2是本发明的剪切模量检测原理图。

[0013] 在图1中，001，ICCD 002，F-P标准具 003，针孔滤波器 004A，透镜 005A，全反镜 006,1/4波片 005B，全反镜 004B，透镜 007，待测样品 008，光电探测器 009A，透镜 010，振镜系统 011，反射镜 009B，准直器 012A，环形器 013,90/10耦合器 014，扫频激光器
015，计算机 016，平衡探测器 017,50/50耦合器 018，同步控制器 019，Nd:YAG固体激光器
020，偏振分光镜 005C，全反镜 009C，准直器 012B，环形器。

[0014] 在图2中，100,532nm单纵模激光 101，检测样品 102，光电探测器 103，光学相干弹性成像扫描光束。

具体实施方式

[0015] 在图1中，一种集受激布里渊散射与光学相干弹性成像于一体的检测装置及方法，其特征在于：受激布里渊散射探测系统中，计算机015连接同步控制器018，同步控制器018连接Nd:YAG固体激光器019，Nd:YAG固体激光器019、偏振分光镜020、1/4波片006和全反镜005B处于同一水平光轴，经过另一个平行全反镜005C改变光路，全反镜005C、透镜004B、待测样品007和光电探测器008处于同一水平光轴。计算机015启动同步控制器018控制Nd:YAG固体激光器019脉冲宽度为10ns，Nd:YAG固体激光器019输出532nm竖直偏振光，通过与入射光呈45°角放置的偏振分光镜020变成532nm水平偏正光，经过1/4波片006变成532nm椭圆偏振光，两个全反镜（005B，005C）与入射光呈45°平行放置，激光通过透镜004B聚焦射入待测样品007，通过光电探测器008探测光强。受激布里渊散射信号采集系统中，光电探测器008、待测样品007、透镜004B和全反镜005C处于同一水平光轴，经过另一个平行全反镜005B改变光路，全反镜005B、1/4波片006、偏振分光镜020处于同一水平光轴，再通过另一个平行全反镜005A改变光路，全反镜005A、透镜004A、针孔滤波器003、F-P标准具002和ICCD 001处于同一水平光轴，ICCD 001连接计算机015。待测样品007受激布里渊散射信号沿入射光背向
180°方向通过透镜004B和全反镜（005C，005B）后射入1/4波片006，检测样品007受激布里渊散射信号变成竖直偏振信号，通过偏振分光镜020和全反镜005A反射后穿过透镜004A，经过针孔滤波器003和F-P标准具准直002，ICCD 001采集待测样品007受激布里渊散射信号并传输到计算机015。光学相干弹性成像探测系统中，计算机015连接扫频激光器014，扫频激光器014连接90/10耦合器013，90/10耦合器013连接两个相互平行的环形器（012A，012B），环形器012A、准直器009B和反射镜011处于同一水平光轴，环形器012B、准直器009C和振镜系统010处于另一水平光轴，振镜系统010、透镜009A和检测样品007处于同一竖直光轴。计算机015控制扫频激光器014输出1310nm和50KHz红外激光，经过90/10耦合器013分成参考光和探测光，探测光通过环形器012B和准直器009C后，经过振镜系统010反射和透镜009A聚焦，射入待测样品007。参考光通过环形器012A和准直器009B后，由反射镜011反射参考光信号。光学相干弹性成像信号采集系统中，待测样品007、透镜009A和振镜系统010处于同一竖直光轴，振镜系统010、准直器009C和环形器012B处于同一水平光轴，反射镜011、准直器
009B和环形器012A处于另一水平光轴，两个平行环形器（012A，012B）连接同一个50/50耦合器017，50/50耦合器017连接平衡探测器016，平衡探测器016连接计算机015。待测样品007相干弹性探测信号经过透镜009A和振镜系统010后，通过准直器009C和环形器012B进入50/
50耦合器。参考信号通过反射镜011反射后，通过环形器012A和准直器009B后进入50/50耦合器017，然后探测信号和参考信号通过50/50耦合器017一起输入到平衡探测器016，最后输入计算机015。

[0016] 在图2中，一种集受激布里渊散射与光学相干弹性成像于一体的检测装置及方法，其特征在于：Nd: YAG输出532nm单纵模激光100经过透镜聚焦后在待测样品101中产生沿Y轴方向传播的布里渊声波场，受激布里渊散射信号光强通过光电探测器检测102，光学相干弹性成像扫描光束103沿Z轴方向与布里渊声波相互正交传输。当一个扫描周期结束后，利用X方向的剪切层分布、Y方向的扫描时间以及Z方向的扫描深度信息提取样品中声波传输信息，剪切模量与声波波速的平方成正比，获得样品剪切模量的三维空间分布信息。

[0017] 动作过程及操作步骤：计算机015和同步控制器018控制Nd:YAG激光器019输出532 nm单纵模水平偏振光，依次经偏振分光镜020及1/4波片006后变成圆偏振光，由透镜004B聚焦到待测样品007中并激发受激布里渊散射，散射信号由其相位共轭特性沿背向（180º）返回，再次经过1/4波片006后变成竖直偏振光，并被偏振分光镜020及全反镜（005A,005B,005C）反射到由透镜004A、针孔滤波器003、F-P标准具002以及ICCD 001组成的信号采集系统。通过对光谱信号进行去噪和去展宽等信号处理技术后，可精确得到受激布里渊散射频移及线宽信息。计算机015控制扫频激光器014输出中心波长为1310 nm的红外光（扫描频率为50KHz），经90/10耦合器013后分为两路分别到待测样品007（信号臂）以及反射镜011（参考臂），由信号臂及参考臂反射回来的两束光信号经50/50耦合器017输入到平衡探测器
016，并由计算机015采集信号。信号臂的光束由扫描振镜系统控制并聚焦到样品中，实现逐层扫描。Nd: YAG输出532nm单纵模激光100经过透镜聚焦后在待测样品101中产生沿Y轴方向传播的布里渊声波场，受激布里渊散射信号光强通过光电探测器检测102，光学相干弹性成像扫描光束103沿Z轴方向与布里渊声波相互正交传输。当一个扫描周期结束后，利用X方向的剪切层分布、Y方向的扫描时间以及Z方向的扫描深度信息提取样品中声波传输信息，剪切模量与声波波速的平方成正比，获得样品剪切模量的三维空间分布信息。

[0018] 本发明公开了一种集受激布里渊散射与光学相干弹性成像于一体的检测装置及方法，包括受激布里渊散射测量支路和光学相干弹性成像测量支路，用以检测待测样品的体弹性模量、剪切模量或黏度信息。激光器输出532 nm单纵模水平偏振光，依次经偏振分光镜及四分之一波片后变成圆偏振光，通过全反镜反射由透镜聚焦到样品中并激发受激布里渊散射，散射信号由其相位共轭特性沿背向（180º）返回，再次经过四分之一波片后变成竖直偏振，并被偏振分光镜及全反镜反射后依次通过透镜、滤波器、F-P标准具，最后ICCD信号采集系统采集受激布里渊散射信号。同时扫频激光器输出中心波长为1310 nm的红外光（扫描频率为50KHz），经90/10耦合器后分为两路分别到被测样品（信号臂）以及反光镜（参考臂），由信号臂及参考臂反射回来的两束光信号经50/50耦合器输入到平衡探测器，并由计算机采集信号。信号臂的光束由扫描振镜系统控制并聚焦到样品中，实现逐层扫描。结合不同检测样品所对应的吸收光谱特征和样品的体弹性模量、剪切模量以及黏度信息，建立不同样品检测的指纹鉴别数据库，最终形成一种有效的多种样品快速检测方法和技术。

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