[發明專利]一種拉曼增強的測量裝置和方法及使用的離軸積分腔結構

無效

• 申請號: 201310289385.3
• 申請日: 2013-07-10
• 公開（公告）號: CN104280338A
• 公開（公告）日: 2015-01-14
• 發明（設計）人: 吳礪;劉鴻飛;黃富泉;賀坤;林湄;林磊;林志強
• 申請（專利權）人: 福州高意通訊有限公司
• 主分類號: G01N21/01
• 分類號: G01N21/01;G01N21/65
• 代理公司: 福建煉海律師事務所 35215
• 代理人: 許育輝

技術領域

本發明涉及光譜測量領域，尤其涉及一種基于拉曼增強的測量裝置和方法及使用的離軸積分腔結構。

背景技術

拉曼光譜被稱為分子的“指紋譜”，能夠觀測分子的振動-轉動能級躍遷，可以提供簡單、快速、可重復、且無損傷的定性定量物質分析。通過分析拉曼光譜峰的位置，可以判斷物質的組成；通過分析拉曼光譜峰的信號強度，則可以得到受激發的物質總量。另外，它無需樣品準備，樣品可直接通過光纖探頭或者通過玻璃、石英和光纖對物質進行測量分析。但是拉曼信號非常微弱，即使采用各種增強技術，目前還只能用于測試固體、液體物質，對于氣體樣品，尤其是要觀察氣體中的痕量元素，拉曼光譜還無法有效地觀測到信號。究其原因，還是在于氣體的分子密度低，在同樣的拉曼光學系統中，激光照射的體積是同樣的，因此氣體物質中受照射的分子總數較少。拉曼散射強度公式為：

IR=24π345×32c4×hILN(v0-v)4μv(1-e-hvKT)[45(αa')2+7(γa')2]]]>

式中，c為光速，h為普朗克常數，I_L為激發光強度，N為散射分子數，v為分子振動頻率，以Hz計，μ為振動原子的折合質量，K為波耳茲曼常數，T為絕對溫度，α′_a為極化率張量的平均值不變量，γ′_a為極化率張量的有向性不變量。

從拉曼散射強度的公式中可以看出，拉曼散射強度與被激發光照明的分子數成正比。這也是應用拉曼光譜術進行定量分析的基礎。拉曼散射強度也正比于入射光強度和(v₀-v)⁴。所以提高入射光強度、增加受激發的分子數和使用較高頻率的入射光，都能增加拉曼散射強度。

1988年，O′Keefe和Deacon提出了衰蕩吸收光譜(Cavity?ringdown?spectroscopic,CRDS)，衰蕩吸收光譜是通過測量諧振腔的衰蕩時間獲得分子的吸收信息，其優點在于不受激光光強波動的影響，目前，衰蕩吸收光譜已經被廣泛地應用于大氣痕量氣體檢測。為了改進CRDS技術存在系統要求高、穩定性差的缺點，J．B．Paul等人在2001年提出了離軸積分腔技術，不同于傳統的激光入射與光軸同軸的情形，離軸方法激光偏離光軸入射，離軸入射所需裝置更簡單。由于對系統穩定性沒有太高的要求以及操作簡單，離軸積分腔輸出光譜而越來越受到廣泛關注。雖然采用離軸積分腔技術可以簡化衰蕩吸收光譜技術系統，但通過吸收譜與輸入激發光的對比計算被測樣品組分和含量，裝置和算法都相對復雜。