基于小型紫外扫频激光的共振拉曼光谱探测系统及方法

摘要

本发明公开了一种基于小型紫外扫频激光的共振拉曼光谱探测系统及方法。该系统包括小型紫外扫频激光器和主控制器及数据分析系统。其中小型紫外扫频激光器由脉冲半导体激光器组件、光纤激光器组件以及紫外扫频光学组件组成。检测对象的测试点处物质分子组成中，对应共振拉曼激发波长为紫外扫频波长的分子由于共振拉曼效应，其特征斯托克斯拉曼谱线的强度将增强数万至数百万倍，因此可对样品极微量浓度的多种分子进行检测。本发明的有益效果是，采用了电子光纤一体化结构，实现了紫外扫频激光源的小型化；采用声光可调滤波器，实现了紫外激光频率的快速调节；紫外扫频共振拉曼方法，在消除荧光干扰的同时，通过快速扫频实现样品多种分子的共振拉曼高灵敏度探测。

说明书

技术领域

本发明涉及一种激光光谱探测方法,尤其涉及一种基于小型紫外扫频激光 的共振拉曼光谱探测方法，属于光电探测领域。

背景技术

当用单色探测光照射探测对象时，大部分的光会按原来的方向反射，小部 分按不同的角度散射形成散射光。在垂直方向上，除了与原入射光具有相同频 率的瑞利散射外，还有一些对称分布的与入射光频率发生正负频移的拉曼谱线， 称拉曼散射。拉曼谱线的强度及频移大小与探测对象组成分子振动或转动能级 有关，因此拉曼光谱分析可用来得到有关分子振动或转动的信息。激光拉曼光 谱分析技术已广泛应用于各种物质的鉴定，分子结构的研究。

常规激光拉曼探测存在着两个不足，即拉曼散射信号微弱及易受荧光干扰 的影响。采用紫外拉曼光谱技术，即用紫外波段的激光激发探测样品，其斯托 克斯拉曼散射也通常位于紫外段，与荧光所在的可见光波段分离，因此可有效 消除荧光干扰；采用共振拉曼光谱技术，激发激光频率与所探测分子的的电子 跃迁频率接近或相等时，可引起强列的吸收或共振，导致分子的某些拉曼谱带 强度急剧增强数百万倍，可极大增强拉曼散信号，有利于拉曼光谱分析。综合 两者的紫外共振拉曼技术可实现对一种分子分布的高灵敏度探测，但对于多种 分子的高灵敏度探测无能为力。

如果在紫外激发波段采用扫频激光激发，就可实现对多种分子的共振拉曼 激发，从而实现对多种分子的高灵敏度拉曼光谱探测。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于小型紫外扫频激光激发的，能实现多种分 子高灵敏度探测的拉曼光谱探测方法，克服常规拉曼探测的不足，全面地高精 度地获取待测样品的分子组成。

本发明是这样来实现的，其方法步骤为：

本发明提出的基于小型紫外扫频激光的共振拉曼光谱探测系统，包括小型 紫外扫频激光器和主控制器及数据分析系统。其中小型紫外扫频激光器由脉冲 半导体激光器组件、光纤激光器组件以及紫外扫频光学组件组成。

脉冲半导体激光器组件用于产生泵浦光纤激光器组件的脉冲种子激光。它 包含FPGA(注：即Field Programmable Gate Array，现场可编程门阵列)脉冲发 生器、脉冲整形及功率放大电路、半导体激光器驱动电路、光纤耦合器、第一 偏振控制器及光隔离器。其中半导体激光器驱动电路由场效应管驱动芯片、高 速大功率场效应管、激光二极管放电回路组成。

光纤激光器组件包含半导体激光器、光耦合器、环形腔、第一负GVD(注： 即Group Velocity Dispersion，群速度色散)光纤、第一波分复用器、掺镱光纤 放大器、第二波分复用器、第二负GVD光纤、第二偏振控制器、第三偏振控 制器、法拉第光隔离器及第四偏振控制器，用于对脉冲半导体激光器组件传送 过来的脉冲种子激光进行功率放大及脉冲锁模压缩。

紫外扫频光学组件包含PCF(注：即photonic crystal fiber，光子晶体光纤) 耦合器、PCF、PCF输出接口、AOTF(注：即acousto-optic tunable filter，声光 可调滤波器)及倍频聚焦模块，用于先产生超连续谱脉冲激光，然后扫频并倍 频至紫外段，实现紫外扫频脉冲激光聚焦输出。

主控制器及数据分析系统，含有执行控制的硬件电路及数据分析软件，用 于控制AOTF、半导体激光器、FPGA脉冲发生器及紫外拉曼光谱仪，并接收 紫外拉曼光谱仪的输出光谱信号进行光谱数据分析。

扫频共振拉曼光谱探测按以下步骤进行：

(1)主控制器及数据分析系统发出第一个控制指令用于启动AOTF，并选 择扫频起始工作波长λ₁；

(2)主控制器及数据分析系统发出第二个控制指令用于设定FPGA脉冲发 生器的脉冲频率并使之启动工作；

(3)主控制器及数据分析系统发出第三个控制指令用于启动半导体激光 器；

(4)FPGA脉冲发生器发出的频率为80MHz的电脉冲经脉冲整形及功率放 大电路首先进行脉冲整形，调节高电平占空比，形成纳秒级的频率为80MHz 的电脉冲，然后进行功率放大后，送入半导体激光器驱动电路中的场效应管驱 动芯片的控制引脚，场效应管驱动芯片的输出引脚产生频率为80MHz的纳秒 级脉冲信号用于控制高速大功率场效应管的导通和截止，用于控制激光二极管 放电回路的充放电，使激光二极管放电回路中的激光二极管产生重频为80MHz 的纳秒级脉冲种子激光。该脉冲种子激光经光纤耦合器耦合进光纤中，再经第 一偏振控制器及光隔离器传输进入光纤激光器组件。第一偏振控制器及光隔离 器的作用是消除光纤激光器组件可能产生的回波干扰；

(5)光纤激光器组件中的半导体激光器，发射的连续泵浦激光束经过光耦 合器两等分后以两个方向进入环形腔，分别经过第一波分复用器与第二波分复 用器之后，从两个方向泵浦掺镱光纤放大器。脉冲半导体激光器组件输出的纳 秒级脉冲种子激光经过掺镱光纤放大器进行功率放大，同时该纳秒级脉冲激光 先经过第一负GVD光纤，脉冲得到了压缩，由于掺镱光纤放大器具有正GVD， 所以该纳秒脉冲经过了拉伸，再经过第二负GVD光纤后，脉冲得到了再次压 缩，在环形腔内进行啁啾(chirp)补偿。第三偏振控制器、法拉第光隔离器及第 四偏振控制器组成一个共振器，利用非线性偏振旋转效应，当一个脉冲的两个 正交偏振分量在光纤中传输时。由于自相位调制和互相位调制效应引起的强度 依赖的偏振态变化可以形成等效可饱和吸收体，其物理机制与克尔光闸相类 似，利用光纤中的非线性双折射效应，基于非线性双折射光纤中的自锁模机制 产生超短飞秒级激光脉冲，并使环形腔中的激光沿单向传输，通过第二偏振控 制器输出至紫外扫频光学组件；

(6)光纤激光器组件输出的飞秒级激光脉冲通过PCF耦合器进入PCF后， 形成超连续谱脉冲激光；

(7)该超连续谱脉冲激光经过AOTF后，得到波长为λ₁的飞秒级脉冲激光。 倍频聚焦模块中包含两个倍频晶体可实现四倍频，及聚焦光学结构可实现紫外 激光的聚焦。从AOTF输出的飞秒级脉冲激光进入倍频聚焦模块后，形成波长 为四分之一λ₁的重频为80MHz的飞秒级脉冲激光，经聚焦光学结构聚焦至检 测对象的测试点上；

(8)主控制器及数据分析系统发出第四个控制指令启动紫外拉曼光谱仪。 测试点激发的拉曼信号经信号采集光学模块会聚耦合进入紫外拉曼光谱仪，经 内部分光系统分光后被紫外光电传感器接收及光电转换，转换的电信号传送至 主控制器及数据分析系统进行紫外拉曼光谱信号分析。检测对象的测试点处物 质分子组成中，对应共振拉曼激发波长为四分之一λ₁的M₁分子由于共振拉曼 效应，其特征斯托克斯拉曼谱线的强度将增强10⁴到10⁶倍，因此可对极微量 浓度的M₁分子进行检测；

(9)主控制器及数据分析系统发出控制指令选择AOTF的工作波长 λ₂＝λ₁+△λ，△λ为扫频步长。从PCF输出的超连续谱脉冲激光经过AOTF后， 得到波长为λ₂的飞秒级脉冲激光。进入倍频聚焦模块后，形成波长为四分之一 λ₂的重频为80MHz的飞秒级脉冲激光，经聚焦光学结构聚焦至检测对象的测 试点上。测试点激发的拉曼信号经信号采集光学模块会聚耦合进入紫外拉曼光 谱仪，经内部分光系统分光后被紫外光电传感器接收及光电转换，转换的电信 号传送至主控制器及数据分析系统进行紫外拉曼光谱信号分析。检测对象的测 试点处物质分子组成中，对应共振拉曼激发波长为四分之一λ₂的M₂分子由于 共振拉曼效应，其特征斯托克斯拉曼谱线的强度将增强10⁴到10⁶倍，因此可 对极微量浓度的M₂分子进行检测；

(10)重复步骤9，选择AOTF的工作波长λ₃＝λ₁+2△λ。检测对象的测试点 处物质分子组成中，对应共振拉曼激发波长为四分之一λ₃的M₃分子由于共振 拉曼效应，其特征斯托克斯拉曼谱线的强度将增强10⁴到10⁶倍，因此可对极 微量浓度的M₃分子进行检测；

(11)不断重复步骤10，直至选择AOTF扫频截止工作波长λ_Ν＝λ₁+(N-1)△λ， 在本实施例中选λ_Ν＝1200nm。同理，检测对象的测试点处物质分子组成中，对 应共振拉曼激发波长为四分之一λ_Ν(即300nm)的M_N分子由于共振拉曼效应， 其特征斯托克斯拉曼谱线的强度将增强10⁴到10⁶倍，因此可对极微量浓度的 M_N分子进行检测。

本发明的有益效果是，采用了电子光纤一体化结构，实现了紫外扫频激光 源的小型化；采用声光可调滤波器AOTF，实现了紫外激光频率的快速调节； 紫外扫频共振拉曼方法，在消除荧光干扰的同时，通过快速扫频实现样品多种 分子的共振拉曼高灵敏度探测。

附图说明

图1为本发明系统结构及测试原理示意图，图中：1——脉冲半导体激光 器组件；2——半导体激光器驱动电路；3——场效应管驱动电路；4——高速 大功率场效应管；5——激光二极管；6——光纤耦合器；7——第一偏振控制 器；8——光隔离器；9——光纤激光器组件；10——第一负GVD光纤；11— —第一波分复用器；12——掺镱光纤放大器；13——第二波分复用器；14—— 第二负GVD光纤；15——第二偏振控制器；16——紫外扫频光学组件；17— —PCF耦合器；18——PCF；19——PCF输出接口；20——AOTF；21——倍 频聚焦模块；22——测试点；23——检测对象；24——信号采集光学模块；25 ——紫外拉曼光谱仪；26——光耦合器；27——主控制器及数据分析系统；28 ——半导体激光器；29——环形腔；30——第三偏振控制器；31——法拉第光 隔离器；32——第四偏振控制器；33——FPGA脉冲发生器；34——脉冲整形 及功率放大电路。

注：GVD即group velocity dispersion，群速度色散；PCF即photonic crystal  fiber，光子晶体光纤；AOTF即acousto-optic tunable filter，即声光可调滤波器； FPGA即field programmable gate array，即现场可编程门阵列。

具体实施方式

本发明具体实施方式如图1所示。

本发明提出的基于小型紫外扫频激光的共振拉曼光谱探测系统，包括小型 紫外扫频激光器和主控制器及数据分析系统27。其中小型紫外扫频激光器由脉 冲半导体激光器组件1、光纤激光器组件9以及紫外扫频光学组件16组成。

脉冲半导体激光器组件1用于产生泵浦光纤激光器组件9的脉冲种子激 光。它包含FPGA脉冲发生器33、脉冲整形及功率放大电路34、半导体激光 器驱动电路2、光纤耦合器6、第一偏振控制器7及光隔离器8。其中半导体激 光器驱动电路2由场效应管驱动芯片3、高速大功率场效应管4、激光二极管 放电回路5组成。

光纤激光器组件9包含半导体激光器28、光耦合器26、环形腔29、第一 负GVD光纤10、第一波分复用器11、掺镱光纤放大器12、第二波分复用器 13、第二负GVD光纤14、第二偏振控制器15、第三偏振控制器30、法拉第 光隔离器31及第四偏振控制器32，用于对脉冲半导体激光器组件1传送过来 的脉冲种子激光进行功率放大及脉冲锁模压缩。

紫外扫频光学组件16包含PCF耦合器17、PCF18、PCF输出接口19、 AOTF 20及倍频聚焦模块21，用于先产生超连续谱脉冲激光，然后扫频并倍 频至紫外段，实现紫外扫频脉冲激光聚焦输出。

主控制器及数据分析系统27，含有执行控制的硬件电路及数据分析软件， 用于控制AOTF 20、半导体激光器28、FPGA脉冲发生器33及紫外拉曼光谱 仪25，并接收紫外拉曼光谱仪25的输出光谱信号进行光谱数据分析。

扫频共振拉曼光谱探测按以下步骤进行：

(1)主控制器及数据分析系统27发出第一个控制指令用于启动AOTF 20， 并选择扫频起始工作波长λ₁，在本实施例中起始工作波长选λ₁＝720nm；

(2)主控制器及数据分析系统27发出第二个控制指令用于设定FPGA脉冲 发生器33的脉冲频率并使之启动工作，在本实施例中脉冲频率为80MHz；

(3)主控制器及数据分析系统27发出第三个控制指令用于启动半导体激 光器28；

(4)FPGA脉冲发生器33发出的频率为80MHz的电脉冲经脉冲整形及功 率放大电路34首先进行脉冲整形，调节高电平占空比，形成纳秒级的频率为 80MHz的电脉冲，然后进行功率放大后，送入半导体激光器驱动电路2中的 场效应管驱动芯片3的控制引脚，场效应管驱动芯片3的输出引脚产生频率为 80MHz的纳秒级脉冲信号用于控制高速大功率场效应管4的导通和截止，用 于控制激光二极管(本实施例激光二极管工作波长780nm)放电回路5的充放 电，使激光二极管放电回路5中的激光二极管产生重频为80MHz、波长为 780nm的纳秒级脉冲种子激光。该脉冲种子激光经光纤耦合器6耦合进光纤中， 再经第一偏振控制器7及光隔离器8传输进入光纤激光器组件9。第一偏振控 制器7及光隔离器8的作用是消除光纤激光器组件9可能产生的回波干扰；

(5)光纤激光器组件9中的半导体激光器28，在本实施例中采用波长 780nm的连续半导体激光器，发射的连续泵浦激光束经过光耦合器26两等分 后以两个方向进入环形腔29，分别经过第一波分复用器11与第二波分复用器 13之后，从两个方向泵浦掺镱光纤放大器12，本实施例采用LIEKKI公司的 型号为Yb1200-20/400DC-PM双包层掺镱保偏光纤。脉冲半导体激光器组件1 输出的纳秒级脉冲种子激光经过掺镱光纤放大器12进行功率放大，同时该纳 秒级脉冲激光先经过第一负GVD光纤10，脉冲得到了压缩，由于掺镱光纤放 大器12具有正GVD，所以该纳秒脉冲经过了拉伸，再经过第二负GVD光纤 14后，脉冲得到了再次压缩，在环形腔29内进行啁啾(chirp)补偿。第三偏振 控制器30、法拉第光隔离器31及第四偏振控制器32组成一个共振器，利用非 线性偏振旋转效应，当一个脉冲的两个正交偏振分量在光纤中传输时。由于自 相位调制和互相位调制效应引起的强度依赖的偏振态变化可以形成等效可饱 和吸收体，其物理机制与克尔光闸相类似，利用光纤中的非线性双折射效应， 基于非线性双折射光纤中的自锁模机制产生超短飞秒级激光脉冲，并使环形腔 29中的激光沿单向传输，通过第二偏振控制器15输出至紫外扫频光学组件16；

(6)光纤激光器组件9输出的飞秒级激光脉冲通过PCF耦合器17进入PCF 18(本实施例中PCF的零色散波长为780nm)后，形成超连续谱脉冲激光，本实 施例中超连续谱范围为400nm-1700nm；

(7)该超连续谱脉冲激光经过AOTF 20后，得到波长为λ₁＝720nm的飞秒 级脉冲激光。倍频聚焦模块21中包含两个倍频晶体可实现四倍频，及聚焦光 学结构可实现紫外激光的聚焦。从AOTF 20输出的飞秒级脉冲激光进入倍频 聚焦模块21后，形成波长为180nm的重频为80MHz的飞秒级脉冲激光，经 聚焦光学结构聚焦至检测对象23的测试点22上；

(8)主控制器及数据分析系统27发出第四个控制指令启动紫外拉曼光谱 仪25。测试点22激发的拉曼信号经信号采集光学模块24会聚耦合进入紫外拉 曼光谱仪25，经内部分光系统分光后被紫外光电传感器接收及光电转换，转换 的电信号传送至主控制器及数据分析系统27进行紫外拉曼光谱信号分析。检 测对象23的测试点22处物质分子组成中，对应共振拉曼激发波长为180nm 的M₁分子由于共振拉曼效应，其特征斯托克斯拉曼谱线的强度将增强10⁴到 10⁶倍，因此可对极微量浓度的M₁分子进行检测；

(9)主控制器及数据分析系统27发出控制指令选择AOTF 20的工作波长 λ₂＝λ₁+△λ，在本实施例中扫频步长△λ选择为1nm。从PCF 18输出的超连续谱 脉冲激光经过AOTF 20后，得到波长为λ₂＝721nm的飞秒级脉冲激光。进入倍 频聚焦模块21后，形成波长为四分之一λ₂(即180.25nm)的重频为80MHz的飞 秒级脉冲激光，经聚焦光学结构聚焦至检测对象23的测试点22上。测试点22 激发的拉曼信号经信号采集光学模块24会聚耦合进入紫外拉曼光谱仪25，经 内部分光系统分光后被紫外光电传感器接收及光电转换，转换的电信号传送至 主控制器及数据分析系统27进行紫外拉曼光谱信号分析。检测对象23的测试 点22处物质分子组成中，对应共振拉曼激发波长为四分之一λ₂(即180.25nm) 的M₂分子由于共振拉曼效应，其特征斯托克斯拉曼谱线的强度将增强10⁴到 10⁶倍，因此可对极微量浓度的M₂分子进行检测；

(10)重复步骤9，选择AOTF 20的工作波长λ₃＝λ₁+2△λ。检测对象23的 测试点22处物质分子组成中，对应共振拉曼激发波长为四分之一λ₃(即 180.50nm)的M₃分子由于共振拉曼效应，其特征斯托克斯拉曼谱线的强度将增 强10⁴到10⁶倍，因此可对极微量浓度的M₃分子进行检测；

(11)不断重复步骤10，直至选择AOTF 20的扫频截止工作波长 λ_Ν＝λ₁+(N-1)△λ，在本实施例中选λ_Ν＝1200nm。同理，检测对象23的测试点 22处物质分子组成中，对应共振拉曼激发波长为四分之一λ_Ν(即300nm)的M_N分子由于共振拉曼效应，其特征斯托克斯拉曼谱线的强度将增强10⁴到10⁶倍， 因此可对极微量浓度的M_N分子进行检测。