[发明专利]一种去除拉曼光谱散射背景噪声的系统

说明书

技术领域

本发明属于光学测量技术领域，涉及的是一种去除拉曼光谱散射背景噪声的系统，该装置尤其适用于拉曼散射装置中毛细管等产生的拉曼散射背景噪声的去除。

背景技术

拉曼散射是一种光子的非弹性散射，即一束单色光经介质散射后，产生一种新的与入射光频率不同的光辐射的物理现象，其散射光相对于泵浦光产生的频移对应于分子/原子的转动、振动或电子能级之间的能量差，因此通过拉曼频移可以判定散射体的组成成分。拉曼散射已在物质成分分析，医疗监测，大气污染检测等方面获得了广泛的应用。通常地自发拉曼散射信号的强度非常弱，入射10⁶-10¹⁰个光子，可能有一个光子发生拉曼散射，其散射的强度与入射光强和分子数密度成正比。另外拉曼散射光向各个方向的发射几率基本相当，因此拉曼散射信号的收集效率也极为重要。

早期Weber等人利用内腔泵浦法来获得高泵浦光密度、多程散射法来增加激光与物质相互作用的距离、大角度范围内收集散射光的方法获得了较强的散射谱。尽管腔内泵浦可使信号得到明显的加强，但由于将拉曼散射池置于谐振腔内，可能增大激光器系统的损耗，并且增大激光功率的不稳定性。进而研究人员寻求通过腔外泵浦聚焦，强激光照射小区域的办法来获得较强的泵浦密度，较小的拉曼散射区域使得信号的收集变得容易，但若采用直接将光斑聚焦的方法则对激光束功率的要求大为增加。随着光子晶体光纤的发展，研究人员通过采用光子晶体光纤来约束气体拉曼散射光，将泵浦光聚焦于光子晶体光纤内部，既能获得较高泵浦光密度，又能增加激光与物质相互作用的距离，由于光子晶体光纤能将拉曼散射光约束在光纤内，这样能够简单的在端口进行拉曼信号收集，使获得的拉曼散射光信号得到了大大的增强。Chen等人（R.Chen Et Al,Photonic bandgap fiber enabled Raman detection of nitrogen gas,SPIE 73220N(7322)(2009).）报道了利用光子晶体光纤清楚地观测到环境大气中氮气和氧气的拉曼散射谱。但光子晶体光纤一般芯径只有几个微米，不利于气体的排空和流动，因此研究人员寻求利用带金属镀层的毛细管代替光子晶体光纤。Buric（M.P.Buric et al.，″Raman sensing of fuel gases using a reflective coating capillary optical fiber,SPIE 7316,731608(2009).）等人采用内径320微米的毛细管代替芯径数微米的光子晶体光纤，使气体的更新速度大为加快，也成功地获得了几种燃气成分单质的拉曼散射光谱。相对于光子晶体光纤，金属镀层的毛细管中气体更新速度大大增加，使其能够应用于实时在线测量，但由于玻璃中二氧化硅等的拉曼散射截面积远远大于气体的散射截面，因此毛细管的玻璃壁会带来很宽的连续背景噪声谱，降低系统的分辨率和信噪比。为了减小背景散射噪声的影响，Buric等人（Michael P.Buric et al.，″Improved sensitivity gas detection by spontaneous Raman scattering,Appl.Opt.48(22),4424-4429(2009).）提出了用小孔过滤的方法，即通过透镜成像方法将由玻璃壁产生的拉曼散射与毛细管内部气体的拉曼散射进行空间分离，采用小孔进行过滤，从而去除玻璃壁产生的拉曼散射背景噪声。该方法能成功降低背景噪声，但会大大增加收集光学系统的复杂性，降低其在实践操作中的可行性。Okita等人（T.Katagiri Y.Matsuura Y.Okita,A Raman cell based on hollow optical fibers for breath analysis,Proc.of SPIE7559,755908(2010)）则提出在毛细管端口外壁增加一个金属套，将玻璃壁管产生的拉曼散射反射回去，阻止其从端口出射，从而减小背景拉曼散射信号强度。但由于毛细管玻璃壁产生的拉曼散射噪声不可避免地会进入毛细管的空心区域，不可避免地形成一个连续的背景散射光谱。另外该小组还提出了用金属镀层的聚碳酸酯毛细管取代玻璃毛细管，由于聚碳酸酯具有较小的拉曼散射截面，使得背景拉曼散射噪音大大降低，但该方法也无法完全消除毛细管玻璃壁的拉曼散射背景。Bortnik等人还提出了采用金属毛细管来取代玻璃毛细管，金属毛细管能大大降低背景，并应用于一些特殊环境如太空探测的应用，但其成本较高，不利于工业应用。

发明内容