CN105067114A - 用于拉曼光谱仪荧光抑制的多波长外腔激光发射装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于拉曼光谱仪荧光抑制的多波长外腔激光发射装置，其特征在于通过电源切换电路连接并驱动二个以上的激光二极管独立通断，各激光二极管均通过相应的准直透镜输出准直光束，相邻的准直光束之间预设有夹角δ。这些准直光束最终均通过同一光栅衍射后以不同衍射角形成直接出射的输出光束和沿原路返回相应激光二极管内部参与谐振腔内部模式竞争的衍射光束；所述输出光束最后经光纤耦合透镜汇聚至光纤合路器进行波长输出。本发明采用电路切换波长输出，消除了常规机械调节的不可靠性和可能引入的误差，使得调谐结构更加简单稳固，保证了输出波长的高稳定性，实际操作时波长输出的重复性强，能够大大提高调谐精度。

Description

用于拉曼光谱仪荧光抑制的多波长外腔激光发射装置

技术领域

本发明涉及一种外腔激光发射装置，更具体的说，涉及一种用于拉曼光谱仪荧光抑制的多波长外腔激光发射装置。

背景技术

目前，拉曼光谱仪在现场检测、毒品分析、农药检测等领域有着非常广泛的应用。然而，在对农药、毒品、爆炸物等进行检测的过程中，拉曼光谱受到强荧光干扰。拉曼光强度远小于荧光强度以至于被荧光淹没从而无法检测到拉曼光谱。因此，为了能高效地检测拉曼光谱必须抑制荧光。

现阶段，抑制荧光的方法有很多种，主要采用的是基线校正。基线校正即通过特定的算法拟合出光谱图中的荧光背景并将其扣除。由于存在拟合误差，基线校正不适用于荧光背景比较复杂的情况，会存在一些人为失真。

相较而言，现有的便携式拉曼光谱仪采用的多波长移频激发法(SEDRS)能够适应在复杂的背景下有效抑制荧光。其依据的原理是：由于荧光波长不会随着激发光波长改变而改变，拉曼光谱峰却会发生明显的位移。因此，用两个波长相差微小(一长一短)的光分别激发样品获得两组带有荧光背景的拉曼光谱(同一图中)，如图1所示；再将两组带有荧光背景的拉曼光谱进行差分即可消除荧光，得到具有“一正一负”的差值拉曼光谱，如图2所示。最后，利用相关算法复原拉曼光谱。

多波长移频激发法的关键在于产生多波长拉曼激发光源。以双波长拉曼激发光源为例，目前此类光源主要采用可调谐外腔半导体激光器，其利用光栅作为反馈元件，通过转动光栅实现波长调谐。如图3所示为目前常见的可调谐外腔半导体激光器示意图，其中激光二极管1输出的光经过准直透镜2入射至光栅3上，一级衍射光反射回激光二极管1中参与模式竞争实现单纵模输出；绕预定支点旋转光栅3一定角度δ，使得入射光的衍射角从图中θ₁变为θ₂，根据光栅衍射公式“2d·sinθ＝m·λ”，可知相应的输出波长λ也发生了变化。

改变一级衍射光波长即可实现波长调节。由于存在机械移动部件(光栅3的转动机构)，该方案具有调谐结构复杂，稳定性差，输出波长重复性弱、多波长切换精度低，调节繁琐等缺点。

发明内容

本发明目的是：提供一种用于拉曼光谱仪荧光抑制的多波长外腔激光发射装置，其基于移频激发原理，能够克服已知激光发射装置调谐结构复杂，稳定性差，输出波长重复性弱、多波长切换调节不便的缺点。

本发明的技术方案是：一种用于拉曼光谱仪荧光抑制的多波长外腔激光发射装置，其特征在于包括：

准直激光发射组，其包括二个以上的准直激光发射装置，每个准直激光发射装置均包含一激光二极管和一准直透镜，且相邻两个准直激光发射装置发出的准直光束之间预设有夹角δ；

光栅，其布置于前述各准直激光发射装置的准直光束出射路径上构成外腔，各准直光束经该光栅衍射后以不同衍射角形成直接出射的输出光束，以及沿原路返回相应激光二极管内部参与谐振腔内部模式竞争的衍射光束；

光纤合路输出装置，包括光纤耦合透镜和光纤合路器，所述光纤耦合透镜用于将经由前述光栅出射的输出光束汇聚至光纤合路器进行波长输出；

控制器，包含连接并驱动各激光二极管独立通断的电源切换电路。

进一步的，本发明中所述光栅优选为闪耀光栅，各准直光束经该光栅衍射后均可形成直接出射的零级反射光，以及沿原路返回相应激光二极管内部参与谐振腔内部模式竞争的一级衍射光。

进一步的，本发明中所述夹角δ满足：0°＜δ＜10°。

更进一步的，本发明中所述夹角δ为1°或2°。

进一步的，本发明中所述光纤耦合透镜的数量与激光二极管的数量一致，且每个光纤耦合透镜均对应一路所述光栅的输出光束。

本发明中涉及的连接并驱动各激光二极管独立通断的电源切换电路是本领域技术人员均可实现的已知技术。

本发明的工作原理如下：

激光二极管和前端的准直透镜确保准直光束的产生。相对于光栅而言，各激光二极管均是按预设的角度和入射方位排布，每相邻两个激光二极管经准直透镜射出的准直光束之间均存在夹角δ，而夹角δ的存在保证了各准直光束经光栅衍射后具有不同的衍射角θ。根据光栅衍射公式“2d·sinθ＝m·λ”，可知当各准直光束的衍射角θ不同时，其输出波长也不同。

本案中各激光二极管是预先固定的，对于不同波长输出的切换是依靠控制器内的电源切换电路来实现，通过电路的切换使得各激光二极管独立通断，完成各自的波长输出。当然本案只是拉曼光谱仪的前端激光发射装置，各激光二极管经光栅衍射产生的波长不等的输出光束由光纤合路器收集后，分别激发样品以获得(由拉曼光谱仪内部的感应器检测)多组荧光背景的拉曼光谱，再通过处理器差分运算最终合成出荧光抑制良好的复原拉曼光谱。

本发明通过合理调节两个准直激光发射装置(激光二极管和准直透镜)的布局角度和入射方位，即改变δ角就能够实现最终输出波长的调谐。

本发明的优点是：

本发明旨在提供一种无机械调节部件的结构更为稳固、输出波长更加稳定，且操作更加简单方便的用于拉曼光谱荧光抑制的多波长外腔激光发射装置。本发明相比现有的利用转动式光栅(机械调节部件)实现波长调谐的外腔半导体激光器而言，其具有如下优势：

1)通过电源切换电路控制实现不同输出波长的切换，无机械调节部件即无需转动光栅，消除了机械调节的不可靠性和可能引入的误差，使得调谐结构更加简单稳固，保证了输出波长的高稳定性，实际操作时波长输出的重复性强，能够大大提高调谐精度；

2)通过电源切换电路控制实现不同输出波长的切换，可方便、快速切换波长，操作更加简单，能够节约工作时间，提高工作效率；

3)通过光栅外腔反馈实现单纵模输出，线宽＜0.2nm。

4)本发明使用同一块光栅给多个激光二极管做反馈，而不是一个光栅对应一个激光二极管，故反馈结构简单，能够节约制造成本。

附图说明

下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：

图1为两组波长的激发光未差分前的原始拉曼光谱示意图；

(图中实线为短波长激发拉曼曲线，虚线为长波长激发拉曼曲线)

图2为图1中两组波长的激发光经差分后获得的差分拉曼光谱图；

图3为现有的可调谐外腔半导体激光器示意图；

图4为本发明的结构示意图：

图中：1、激光二极管；2、准直透镜；3、光栅；4、光纤耦合透镜；5、光纤合路器；6、控制器。

具体实施方式

实施例：结合图4所示为本发明用于拉曼光谱仪荧光抑制的多波长外腔激光发射装置的一种具体实施例，具体的说它是一种双波长外腔激光发射装置，由准直激光发射组、光栅、光纤合路输出装置和控制器共同组成。

本实施例中的准直激光发射组由二个准直激光发射装置组成，每个准直激光发射装置均由一激光二极管1和一设置在激光二极管1前端的准直透镜2构成，且相邻两个准直激光发射装置发出的准直光束之间预设有夹角δ，0°＜δ＜10°，通常设置为1°或2°。

本实施例中所述光栅3采用的是反射式衍射的闪耀光栅，其布置于前述两个准直激光发射装置的准直光束出射路径上构成外腔，各准直光束经该光栅3衍射后以不同衍射角形成直接出射的零级反射光，以及沿原路返回相应激光二极管1内部参与谐振腔内部模式竞争的一级衍射光。

本实施例中所述光纤合路输出装置由光纤耦合透镜4和光纤合路器5构成，所述光纤耦合透镜4用于将经由前述光栅3出射的零级反射光束汇聚至光纤合路器5(Y型光纤)进行波长输出；所述光纤耦合透镜4的数量也为两个，每个光纤耦合透镜4均对应一路所述光栅3的零级反射光束。

本实施例中所述控制器6内部设有连接并驱动各激光二极管1独立通断的电源切换电路。

本发明的工作原理如下：

激光二极管1和前端的准直透镜2确保准直光束的产生。相对于光栅3而言，各激光二极管1均是按预设的角度和入射方位排布，本实施例中相邻两个激光二极管1经准直透镜2射出的准直光束之间存在夹角δ，而夹角δ的存在保证了各准直光束经光栅3衍射后具有不同的衍射角θ，即图4中θ₁和θ₂，根据光栅衍射公式“2d·sinθ＝m·λ”，可知当各准直光束的衍射角θ不同时，其输出波长λ也不同。

本案中各激光二极管1是预先固定的，对于不同波长输出的切换是依靠控制器6内的电源切换电路来实现，通过电路的切换使得各激光二极管1独立通断，完成各自的波长输出。当然本案只是拉曼光谱仪的前端激光发射装置，各激光二极管1经光栅3衍射产生的波长不等的输出光束由光纤合路器5收集后，分别激发样品以获得(由拉曼光谱仪内部的感应器检测)两组荧光背景的拉曼光谱(可参见图1所示)，最后通过处理器差分运算合成获得荧光抑制良好的拉曼光谱(可参见图2所示)。

本发明通过合理调节两个准直激光发射装置(激光二极管1和准直透镜2)的布局角度和入射方位，即改变δ角就能够实现最终输出波长的调谐。

当然上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明主要技术方案的精神实质所做的修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种用于拉曼光谱仪荧光抑制的多波长外腔激光发射装置，其特征在于包括：

准直激光发射组，其包括二个以上的准直激光发射装置，每个准直激光发射装置均包含一激光二极管(1)和一准直透镜(2)，且相邻两个准直激光发射装置发出的准直光束之间预设有夹角δ；

光栅(3)，其布置于前述各准直激光发射装置的准直光束出射路径上构成外腔，各准直光束经该光栅(3)衍射后以不同衍射角形成直接出射的输出光束，以及沿原路返回相应激光二极管(1)内部参与谐振腔内部模式竞争的衍射光束；

光纤合路输出装置，包括光纤耦合透镜(4)和光纤合路器(5)，所述光纤耦合透镜(4)用于将经由前述光栅(3)出射的输出光束汇聚至光纤合路器(5)进行波长输出；

控制器(6)，包含连接并驱动各激光二极管(1)独立通断的电源切换电路。

2.根据权利要求1所述的用于拉曼光谱仪荧光抑制的多波长外腔激光发射装置，其特征在于所述光栅(3)为闪耀光栅，各准直光束经该光栅(3)衍射后均可形成直接出射的零级反射光，以及沿原路返回相应激光二极管(1)内部参与谐振腔内部模式竞争的一级衍射光。

3.根据权利要求1或2所述的用于拉曼光谱仪荧光抑制的多波长外腔激光发射装置，其特征在于所述夹角δ满足：0°＜δ＜10°。

4.根据权利要求1所述的用于拉曼光谱仪荧光抑制的多波长外腔激光发射装置，其特征在于所述光纤耦合透镜(4)的数量与激光二极管(1)的数量一致，且每个光纤耦合透镜(4)均对应一路所述光栅(3)的输出光束。

5.根据权利要求3所述的用于拉曼光谱仪荧光抑制的多波长外腔激光发射装置，其特征在于所述夹角δ为1°或2°。