一种光谱探测探头及光谱探测设备
本技术涉及光学工程，尤其涉及一种光谱探测探头及光谱探测设备。
背景技术：
1、当物质受到激光激发时，分子键振动引起非弹性散射信号为拉曼光谱。拉曼光谱可以提供分子的结构和化学键信息，广泛应用于化学、材料科学、生物医学、环境科学等领域的检测。
2、相关技术的光谱探测设备多为单通道单点探测，如果要进行多通道探测，一般采用多个单通道的探头单元拼接而成，这样的探头单元之间的光路组相对独立，且拼接后的结构尺寸较大；其小型化需要等比例缩小探头单元中的所有光学元件如透镜和二向色镜等，除了受光学元件尺寸限制，其装配和校准难度也很大。
技术实现思路
1、本技术提供一种光谱探测探头及光谱探测设备，可以多通道并行探测，可实现仅受限于透镜尺寸的小型化和通道数任意扩展，且光路紧凑、装配和光路校准简单易操作。
2、本技术的第一方面提供一种光谱探测探头，包括支座、入射组件、调光组件和收集组件，其中，支座内设有二向色镜，二向色镜具有相对的透光面和反光面，支座上设有入射部、调光部和收集部；入射组件可拆卸连接在入射部处，入射组件包括至少两组入射管，入射管远端用于连通激光器，近端指向二向色镜，用于将入射光扩束准直并指向二向色镜；调光组件可拆卸连接在调光部处，包括至少两组调光管，调光管用于将经过其的光线聚焦或准直；收集组件可拆卸连接在收集部处，收集组件包括至少两组收集管，收集管用于将收集到的光信号聚焦耦合进光纤传输至探测器；入射组件位于二向色镜的透光面的一侧，调光组件和收集组件位于二向色镜的反光面的一侧；入射管的光线穿过二向色镜的透光面指向调光组件，并穿过调光组件；在穿过调光组件的光线汇聚在待测样品上激发信号光的情况下，待测样品的信号光穿过调光组件准直后，通过二向色镜的反光面反射至收集管。
3、本技术提供的光谱探测探头，支座上设有入射部、调光部和收集部，当需要进行光谱探测时，可以将入射组件安装在支座的入射部，将收集组件安装在支座的收集部，将调光组件安装在支座的调光部，完成光谱探测探头的装配。支座内的二向色镜可以使光线穿过透光面的一侧，而射向反光面的一侧的光线会被反射，即，入射组件位于二向色镜的透光面的一侧，调光组件和收集组件位于二向色镜的反光面的一侧；这样，入射管连通激光器并将入射光扩束准直，然后光线穿过二向色镜的透光面指向调光组件，调光组件将入射光聚焦在其下方的待测样品上激发信号光，信号光再次穿过调光组件后被扩束准直，到达二向色镜下方被二向色镜的反光面反射至收集管，实现光谱探测的激发和收集。相比相关技术，由于入射组件、调光组件和收集组件分别可拆卸地连接在入射部和收集部，可以方便地进行拆装和组装；且在需要校准时，可以很方便地将入射组件、调光组件和收集组件相对于支座拆卸或位移，校准的操作很简单。同时，也对入射组件和收集组件本身的扩展和设置提供了更多的可能，比如，可以通过在入射组件上设置至少两组入射管，收集组件上设置至少两组收集管，组装成多通道的光谱探测系统。
4、因此，本技术提供的光谱探测探头可以多通道并行探测，可实现仅受限于透镜尺寸的小型化和通道数任意扩展，且装配和光路校准简单易操作。
5、在本技术的一种可能的实现方式中，入射部、调光部和收集部都为凹槽结构，入射组件、调光组件和收集组件为相适配的块状结构。
6、在本技术的一种可能的实现方式中，凹槽结构至少有一侧贯通支座，块状结构可沿凹槽结构贯通支座的一侧滑入凹槽结构内，块状结构与凹槽结构通过紧固件定位固定。
7、在本技术的一种可能的实现方式中，块状结构包括基体和在基体一侧形成的凸台，凸台对应可滑入凹槽结构内，基体抵接在支座上。
8、在本技术的一种可能的实现方式中，支座上的入射部和收集部的凹槽结构的形状尺寸一致，入射组件和收集组件的形状尺寸一致，且块状结构与凹槽结构相适配。
9、在本技术的一种可能的实现方式中，入射组件还包括入射块，入射块上设有至少两个入射孔，入射管一一对应设置在入射孔内；调光组件还包括安装板，安装板上设有至少两个调光孔，调光管一一对应设置在调光孔内；收集组件还包括收集块，收集块上设有至少两个收集孔，收集管一一对应设置在收集孔；入射管、调光管和收集管的数量一致，入射管的出射光线经过调光管后激发待测样品，被激发的信号光线再次经过所述调光管后，一一对应被收集管收集。
10、在本技术的一种可能的实现方式中，入射管阵列设置在入射块上，调光管阵列设置在安装板上，收集管阵列设置在收集块上。
11、在本技术的一种可能的实现方式中，入射管和收集管均包括套筒和透镜件，入射管和收集管的透镜件设置在套筒内，调光管包括设置在其内部的透镜件，入射管的透镜件用于将发散的入射光准直，调光管的透镜件用于将平行的入射光聚焦，以及将发散的信号光准直，收集管的透镜件用于将平行的信号光聚焦；入射管和收集管还包括光纤，光纤连接在透镜件远离二向色镜的一侧。
12、在本技术的一种可能的实现方式中，透镜件为渐变折射率透镜或渐变折射率光纤，为圆柱形结构，适配在套筒内部，透镜件的内部材料折射率分布沿径向由中心向边缘逐渐变小分布。
13、在本技术的一种可能的实现方式中，透镜件包括凸透镜镜片，凸透镜镜片和套筒同轴设置，固定在套筒内。
14、在本技术的一种可能的实现方式中，透镜件为包括至少一个凹透镜镜片和至少一个凸透镜镜片组成的具有汇聚或准直功能的透镜组，透镜组和套筒同轴设置，固定在套筒内。
15、在本技术的一种可能的实现方式中，透镜件为超构透镜，包括透光基体和在透光基体的至少一个表面形成的微结构纹理区，透镜件和套筒同轴设置，固定在套筒内。
16、在本技术的一种可能的实现方式中，透光基体为平板结构，微结构纹理区设置在透光基体朝向二向色镜的任意一侧。
17、在本技术的一种可能的实现方式中，透光基体为具有一侧平面和一侧凸起的凸透镜结构，或所述透光基体为具有一侧平面和一侧凹陷的凹透镜结构，所述微结构纹理区设置在所述透光基体的任意一侧。
18、在本技术的一种可能的实现方式中，支座为由多个板状结构围成的方体结构，内部形成透光区域，入射组件和调光组件分别位于支座相对的两个侧壁上，二向色镜位于透光区域内，入射组件的光线沿第一方向朝向调光组件，二向色镜位于入射组件朝向调光组件的光路上，且二向色镜与第一方向具有夹角，且非垂直设置，收集组件的收集光路为第二方向，第二方向与第一方向具有夹角。
19、在本技术的一种可能的实现方式中，第一方向和第二方向垂直，二向色镜与第一方向和第二方向的夹角相同，所述待测样品产生的信号光线穿过所述调光组件后沿第一方向的相反方向射向二向色镜，且沿第二方向反射至收集组件。
20、在本技术的一种可能的实现方式中，入射组件设置在支座的顶壁，收集组件设置在支座的侧壁，二向色镜为一个，且相对于水平面具有第一角度的倾斜设置，其中，第一角度为锐角。
21、在本技术的一种可能的实现方式中，收集组件为两套，且分别位于支座相对的两个侧壁，二向色镜为两个，两个二向色镜的上端分别朝向两个收集组件倾斜，以将透过调光组件处的信号光线分别反射至两个收集组件。
22、在本技术的一种可能的实现方式中，两个二向色镜的底端抵接在一起，或，两个二向色镜的下端之间具有间隔区，支座对应间隔区内设有隔离凸起，隔离凸起将两个二向色镜的下端隔开。
23、在本技术的一种可能的实现方式中，支座包括上座和下基体，上座和下基体扣合形成支座，上座和下基体的连接处形成有避让槽，避让槽与二向色镜的边缘形状相适配，二向色镜限位在避让槽内。
24、在本技术的一种可能的实现方式中，上座和下基体相接的面与二向色镜的设置方向相适配，避让槽设置在下基体上。
25、在本技术的一种可能的实现方式中，入射组件还包括第一滤光结构，收集组件还包括第二滤光结构，第一滤光结构设置在入射组件内部至二向色镜之间的光路上，第二滤光结构设置在二向色镜至收集组件内部之间的光路上。
26、在本技术的一种可能的实现方式中，第一滤光结构为第一滤光片，第二滤光结构为第二滤光片，第一滤光片设置在入射管朝向二向色镜的一端，第二滤光片设置在收集管朝向二向色镜的一端；或者，第一滤光结构和第二滤光结构都为滤光镀层，所述滤光镀层设置在入射管和收集管内，或激光器到入射管之间，以及收集管到探测器之间。
27、本技术的第二方面提供一种光谱探测设备，包括激光器、探测器、第一方面的光谱探测探头、样品载体以及控制器。其中，光谱探测探头的入射管与激光器连通，收集管与探测器连通；样品载体设置在光谱探测探头的调光组件下方，用于放置待测样品；控制器与激光器和探测器联接，用于控制激光器和探测器、处理探测器探测到的信息。
28、本技术提供的光谱探测设备，控制器控制激光器发出激光和探测器进行相应的检测，激光器发出的激光进入光谱探测探头的入射管内，然后再射入样品载体上的待测样品上，激发待测样品后的光信号再次回到光谱探测探头内，被收集管收集，然后传递至探测器，探测器接受控制器的调控并将探测到的数据参数反馈给控制器，完成计算处理等操作，最终实现整个光谱探测的过程。本技术提供的光谱探测设备由于包括了第一方面提供的光谱探测探头，因此，具有同样的技术效果，即，可以多通道并行探测，且光路紧凑、装配和光路校准简单易操作。
技术特征：
1.一种光谱探测探头，其特征在于，包括：
2.根据权利要求1所述的光谱探测探头，其特征在于，所述支座上的所述入射部、所述调光部和所述收集部都为凹槽结构，所述入射组件、所述调光组件和所述收集组件为相适配的块状结构。
3.根据权利要求2所述的光谱探测探头，其特征在于，所述凹槽结构至少有一侧贯通所述支座，所述块状结构可沿所述凹槽结构贯通所述支座的一侧滑入所述凹槽结构内，所述块状结构与所述凹槽结构可拆卸连接固定。
4.根据权利要求2所述的光谱探测探头，其特征在于，所述块状结构包括基体和在所述基体一侧形成的凸台，所述凸台对应可滑入所述凹槽结构内，所述基体抵接在所述支座上。
5.根据权利要求2所述的光谱探测探头，其特征在于，所述支座上的所述入射部和所述收集部的所述凹槽结构的形状尺寸一致，所述入射组件和所述收集组件的形状尺寸一致，且所述块状结构与所述凹槽结构相适配。
6.根据权利要求1所述的光谱探测探头，其特征在于，所述入射组件还包括入射块，所述入射块上设有至少两个入射孔，所述入射管一一对应设置在所述入射孔内；所述调光组件还包括安装板，所述安装板上设有至少两个调光孔，所述调光管一一对应设置在所述调光孔内；所述收集组件还包括收集块，所述收集块上设有至少两个收集孔，所述收集管一一对应设置在所述收集孔内；
7.根据权利要求6所述的光谱探测探头，其特征在于，所述入射管阵列设置在所述入射块上，所述调光管阵列设置在所述安装板上，所述收集管阵列设置在所述收集块上。
8.根据权利要求1所述的光谱探测探头，其特征在于，所述入射管和所述收集管均包括套筒和透镜件，所述入射管和所述收集管的透镜件设置在所述套筒内，所述调光管包括设置在其内部的透镜件，所述入射管的透镜件用于将发散的入射光准直，所述调光管的透镜件用于将平行的入射光聚焦，以及将发散的信号光准直，所述收集管的透镜件用于将平行的信号光聚焦；所述入射管和所述收集管还包括光纤，所述光纤连接在所述透镜件远离所述二向色镜的一侧。
9.根据权利要求8所述的光谱探测探头，其特征在于，所述透镜件为渐变折射率透镜或渐变折射率光纤，为圆柱形结构，适配在所述套筒内部，所述透镜件的内部材料折射率沿径向由中心向边缘逐渐变小分布。
10.根据权利要求8所述的光谱探测探头，其特征在于，所述透镜件包括凸透镜镜片，所述凸透镜镜片和所述套筒同轴设置，固定在所述套筒内。
11.根据权利要求8所述的光谱探测探头，其特征在于，所述透镜件为包括至少一个凹透镜镜片和/或至少一个凸透镜镜片组成的具有汇聚或准直功能的透镜组，所述透镜组和所述套筒同轴设置，固定在所述套筒内。
12.根据权利要求8所述的光谱探测探头，其特征在于，所述透镜件为超构透镜，包括透光基体和在所述透光基体的至少一个表面形成的微结构纹理区，所述透镜件和所述套筒同轴设置，固定在所述套筒内。
13.根据权利要求12所述的光谱探测探头，其特征在于，所述透光基体为平板结构，所述微结构纹理区设置在所述透光基体的任意一侧。
14.根据权利要求12所述的光谱探测探头，其特征在于，所述透光基体为具有一侧平面和一侧凸起的凸透镜结构，或所述透光基体为具有一侧平面和一侧凹陷的凹透镜结构，所述微结构纹理区设置在所述透光基体的任意一侧。
15.根据权利要求1所述的光谱探测探头，其特征在于，所述支座为由多个板状结构围成的方体结构，内部形成透光区域，所述入射组件和所述调光组件分别位于所述支座相对的两个侧壁上，所述二向色镜位于所述透光区域内，所述入射组件的光线沿第一方向朝向所述调光组件，所述二向色镜位于所述入射组件朝向所述调光组件的光路上，且所述二向色镜与所述第一方向具有夹角，且非垂直设置，所述收集组件的收集光路为第二方向，所述第二方向与所述第一方向具有夹角。
16.根据权利要求15所述的光谱探测探头，其特征在于，所述第一方向和所述第二方向垂直，所述二向色镜与所述第一方向和所述第二方向的夹角相同，所述待测样品产生的信号光线穿过所述调光组件后沿所述第一方向的相反方向射向所述二向色镜，且沿所述第二方向反射至所述收集组件。
17.根据权利要求15所述的光谱探测探头，其特征在于，所述入射组件设置在所述支座的顶壁，所述收集组件设置在所述支座的侧壁上，所述二向色镜为一个，且相对于水平面具有第一角度的倾斜设置，其中，所述第一角度为锐角。
18.根据权利要求15所述的光谱探测探头，其特征在于，所述收集组件为至少两套，且至少两套所述收集组件分别位于所述支座相对或相邻的侧壁，所述二向色镜为至少两个，至少两个所述二向色镜的上端分别朝向相应的收集组件倾斜，以将透过所述调光组件处的信号光线分别反射至两个所述收集组件。
19.根据权利要求18所述的光谱探测探头，其特征在于，至少两个所述二向色镜的底端抵接在一起，或，至少两个所述二向色镜的下端之间具有间隔区，所述支座对应所述间隔区内设有隔离凸起，所述隔离凸起将至少两个所述二向色镜的下端隔开。
20.根据权利要求1~19中任一项所述的光谱探测探头，其特征在于，所述支座包括上座和下基体，所述上座和所述下基体扣合形成所述支座，所述上座和所述下基体的连接处形成有避让槽，所述避让槽与所述二向色镜的边缘形状相适配，所述二向色镜限位在所述避让槽内。
21.根据权利要求20所述的光谱探测探头，其特征在于，所述上座和所述下基体相接的面与所述二向色镜的设置方向相适配，所述避让槽设置在所述下基体上。
22.根据权利要求1~19中任一项所述的光谱探测探头，其特征在于，所述入射组件还包括第一滤光结构，所述收集组件还包括第二滤光结构，所述第一滤光结构设置在所述入射组件内部至所述二向色镜之间的光路上，所述第二滤光结构设置在所述二向色镜至所述收集组件内部之间的光路上。
23.根据权利要求22所述的光谱探测探头，其特征在于，所述第一滤光结构为第一滤光片，所述第二滤光结构为第二滤光片，所述第一滤光片设置在所述入射管朝向所述二向色镜的一端，所述第二滤光片设置在所述收集管朝向所述二向色镜的一端；
24.一种光谱探测设备，其特征在于，包括：
技术总结
本申请公开了一种光谱探测探头及光谱探测设备，涉及光学工程技术领域，可以多通道并行探测，且易密集排布和装配，光路校准简单易操作。该光谱探测探头包括支座、入射组件、调光组件和收集组件，支座内设有二向色镜，上设有入射部、调光部和收集部；入射组件可拆卸连接在入射部处，包括入射管；调光组件可拆卸连接在调光部处，包括调光管；收集组件可拆卸连接在收集部处，包括收集管；入射组件位于二向色镜的透光面的一侧，调光组件和收集组件位于二向色镜的反光面的一侧；入射管的光线穿过二向色镜的透光面指向调光组件，并穿过调光组件，汇聚在样品上激发信号；待测样品的信号光穿过调光组件准直后，通过二向色镜的反光面反射至收集管。
技术研发人员：陈金娜,薛陈龙,沈平,陈俊帆
受保护的技术使用者：南方科技大学
技术研发日：
技术公布日：2024/12/5