專利名稱：用于實施拉曼光譜術的方法和裝置的制作方法
技術領域：
本發明通常涉及用于識別和表征物質的方法和裝置，具體涉及 利用拉曼光譜術識別和表征物質的方法和裝置。
背景技術：
拉曼光譜術是用于識別和表征大量物質的可行技術。拉曼光鐠 術廣泛應用于科學和商業領域。例如Y旦不限于，商業領域的用途目 前包括醫學、生物工藝學、藥品、安全和地質學。另外，最新的技 術進步使得利用拉曼光譜術通過減小尺寸和成本增加應用范圍成為 可能。例如，便攜式單元目前已經可以在實驗室外使用，比如測量 和識別粉末、丸狀物、液體等。
不幸的是，目前的拉曼光譜術系統存在有許多的問題。例如， 現有拉曼光譜術系統中持續的問題是激光傳遞至標本以及來自標本 的拉曼特征標記的收集。其中，這些問題包括便攜式拉曼系統中的 空間限制、由于來自激光源的放大的自發發射(ASE)而引入系統 的信號失真等。
同樣，對于距離光源和檢光器較遠的標本的拉曼光譜術來說， 光纖通常用來傳遞激發光并收集拉曼信號。然而，這些光纖的使用 可引入通過光纖中的相互作用產生的瑞利和拉曼散射以及焚光。
因此，本發明的主要目的是提供改進的拉曼光譜術系統，該系 統克服了目前可用系統的缺點。
發明內容
在本發明的一個優選實施例中，提供了一種改進的拉曼光譜術 系統(有時在下文中稱為拉曼探頭)，其中一組光學元件被用來使泵 浦光源與拉曼信號分離并且將拉曼信號引導至遠程光譜儀或檢測
器。拉曼探頭還優選地被配置成以便能夠過濾來自激光源的ASE背 景，以及過濾通過光纖中的相互作用產生的瑞利和拉曼散射以及焚 光。
在本發明的另一種形式中，提供了一種拉曼探頭，包含 第一光纖，用于接收來自光源的激光激發光并傳輸該激光激發
光；
第一濾光器，用于接收來自第一光纖的光并且適于通過激光激
發光以及阻擋與該光相關聯的亂真信號；
第二濾光器，用于接收來自第 一濾光器的光并且適于引導光朝 向標本；
聚焦裝置，用于接收來自第二濾光器的光，使光在標本上聚焦 以便生成拉曼信號，并且使拉曼信號返回到第二濾光器；
其中第二濾光器還被配置成以使在笫二濾光器接收來自聚焦裝
置的拉曼信號時，第二濾光器在將拉曼信號引導至第二光纖之前過 濾掉不想要的激光激發光；以及
第二光纖，用于接收來自第二濾光器的拉曼信號并且將拉曼信 號傳輸至光分析器。
并且在本發明的 一個優選實施例中，提供了 一種新穎的光學揮L 頭傳遞系統，該系統提供三種獨特的使用模式用于激發和收集來自 測試中的標本的光，所有這些都包括在一個光學探頭設計中。在第
一使用模式中，拉曼探頭通過利用錐形支座允許用戶維持與標本的 距離，這通過限制暴露的光束提供了距離控制和激光安全。第二使 用模式允許用戶移去錐形支座以便于通過手工或其他手段維持距離 控制。第三使用模式允許標本瓶直接插入探頭光學組件中。
在本發明的另一種形式中，提供了一種拉曼探頭，包含 光源，用于生成激光激發光；
聚焦裝置，用于接收來自光源的激光激發光，使激光激發光在 標本上聚焦以便生成拉曼信號，以及使拉曼信號返回到光分析器； 以及
光分析器，用于分析標本的拉曼特征標記，椐此識別標本； 其中聚焦裝置被配置成可允許標本駐留在小瓶容器中或者在遠 離小瓶容器的目標位置處。
在本發明的又一種形式中，提供了一種用于實施標本的拉曼光 譜術的方法，包含
利用光源生成激光激發光；
使激光激發光穿過第一濾光器以便阻擋與該光相關聯的亂真信
號；
將激光激發光引導至第二濾光器以便引導激光激發光朝向標
本；
接收來自第二濾光器的光，使光在標本上聚焦以便生成拉曼信
號，以及使拉曼信號返回到第二濾光器；
其中第二濾光器還被配置成以使在第二濾光器接收來自標本的
拉曼信號時，第二濾光器過濾掉不想要的激光激發光；
將從第二濾光器接收的過濾的光傳遞至光分析器；以及
分析標本的拉曼特征標記以便識別標本。
在本發明的另一種形式中，提供了一種拉曼探頭，包含
外殼；
光源，被設置在外殼內，用于生成激光激發光；
聚焦裝置，被設置在外殼內，用于接收來自光源的激光激發光，
使激光激發光在標本上聚焦以便生成拉曼信號，以及使拉曼信號返
回到光分析器；以及
光分析器，被設置在外殼內，用于分析標本的拉曼特征標記， 據此識別標本；
其中聚焦裝置被配置成可允許標本駐留在遠離外殼的目標位置
處；
并且還包含光屏蔽，其被安裝到外殼上以便被設置在標本和用 戶之間，據此將用戶與光源光屏蔽。
在本發明的又一種形式中，提供了一種拉曼^:頭，包含
外殼；
光源，被設置在外殼內，用于生成激光激發光；
聚焦裝置，被設置在外殼內，用于接收來自光源的激光激發光，
使激光激發光在標本上聚焦以便生成拉曼信號，以及使拉曼信號返
回到光分析器；以及
光分析器，被設置在外殼內，用于分析標本的拉曼特征標記，
據此識別標本；
其中聚焦裝置被配置成可允許標本駐留在遠離外殼的目標位置
處；
并且還包含相機，其被安裝到外殼上以使其視場包括目標位置； 還包含顯示器，其被安裝到外殼上，用于顯示被相機俘獲的圖像， 據此允許用戶相對于標本來放置探頭同時觀看顯示器。
通過下面對本發明的優選實施例的詳細說明并考慮附圖，本發 明的這些和其他特征將被充分公開或者被清楚反映，其中相同的數 字指相同的部分，并且其中
圖1說明了新穎的拉曼光學探頭；
圖1A以示意圖的形式說明了整個拉曼光譜術系統；
圖2說明了過濾掉ASE、來自光纖的瑞利和拉曼散射以及熒光 的薄膜設計；
圖3說明了為反射(阻擋)激光譜線和傳輸拉曼信號設計的薄
膜；
圖4說明了用來引導拉曼信號并阻擋激光譜線的附加的寬帶反 射器；
圖5說明了另一種拉曼探頭布置，其中通過重新布置收集光纖 省略了寬帶反射器；
圖6說明了本發明的另一個實施例，其中光纖和信號收集光學 部件是共線的(與相互垂直相反)；
圖7說明了除將5度的入射角(AOI)用于濾光器之外，與圖l 實施例類似的另 一個實施例；
圖8說明了除將5度的入射角(AOI)用于濾光器之外，與圖5 實施例類似的另 一個實施例；
圖9說明了除將10度的AOI用于濾光器之外，圖6變形的另 一個實施例；
圖10說明了拉曼探頭的另一個實施例，通過利用表面具有不同 涂層的兩個棱鏡而將其設計得更緊湊；
圖11說明了便攜式拉曼探頭，其被配置成可允許三種不同的4吏 用模式；
圖12和13說明了圖11的便攜式拉曼探頭，其被配置成可利用 錐形支座允許用戶維持與標本的距離；
圖14說明了圖11的便攜式拉曼探頭，其凈皮配置成可允許用戶 移去錐形支座以便通過手工或其他手段維持距離控制；
圖14A說明了具有另一種形式的錐形支座的新穎的便攜式拉曼 探頭；
圖15-17說明了圖11的便攜式拉曼探頭，其被配置成可允許用 戶將標本瓶直接插入探頭光學組件內；
圖18示出的是直接插入探頭光學組件內的標本瓶的示意圖，其 中標本瓶結合了光閘以此防止漫射逆光進入小^f瓦容器；以及
圖19示出的是安裝到拉曼探頭前面的相機的示意圖。
具體實施例方式
新穎的拉曼分光鏡
首先來看圖1,示出了新穎的拉曼探頭5。在這種布置中激發光 源LS可以是比如具有有限譜線寬度的一個或多個785nm半導體激 光器。然而，拉曼探頭5還可以使用任何其他的激光光源作為激發 光源LS,只要激光光源與拉曼光譜術檢測技術相適應即可。激發光 源LS的輸出通過光纖10被傳遞并且通過透鏡15被準直。帶通濾光 器20 (或帶通濾光器20A、 20B的多重組合)用來通過激光激發光 并且阻擋與激光器、光纖和/或兩者相關聯的亂真信號。與激光器相 關聯的亂真信號通常包含來自激光器的ASE，并且與光纖相關聯的 亂真信號通常包含在光纖10內部生成的瑞利和拉曼散射以及熒光。 優選地帶通濾光器20適于阻擋與激光器和光纖相關聯的亂真信號。 激光激發光接著被濾光器25 (以22.5度的光學入射角，AOI)和30
(以22.5度的AOI)反射，并且接下來通過透鏡35被聚焦以此激 發標本40。在這方面，應當意識到，出于本z^開的目的，使用了某 些AOI的值，然而，依照本發明，AOI可以從一個實施例到另一個 實施例發生改變。此外，因為輸入光纖和輸出光纖的幾何形狀不必 是平行或垂直的，所以AOI的值可以隨所使用的特定幾何特征發生 變化，比如AOI值可以在任何地方由5度的AOI到50度的AOI發 生變化。在本發明的一個優選實施例中，濾光器25和30優選地為 長通濾光器。在這方面，還應當意識到，濾光器25可以坤支簡單反射 器替代以此反射激光。在激光激發光已經投射到標本上之后，拉曼 信號通過透鏡35 -波重新準直并且穿過濾光器30。另一方面，拉曼 信號還可穿過多個濾光器(即，除了穿過濾光器30之外，拉曼信號 還可以22.5度的AOI穿過附加的濾光器45 )。在本發明的一個優選
實施例中，附加的濾光器45優選地也是長通濾光器。在來自標本的 拉曼信號穿過濾光器30時，濾光器30此時用作第二用途，即它阻 擋了激光譜線。在光通過寬帶反射器50 (以45度的AOI)和聚焦透鏡55被重定向進入收集光纖60之前，濾光器30和45可提供激 光譜線的直到XDDIO的過濾。光纖60將拉曼信號傳輸至分析標本 的拉曼特征標記的光分析器LA,據此識別標本。光分析器LA可包 含具有本領域公知類別的相關的分析裝置的光譜儀。例如，參見圖
1A，該圖以示意圖的形式示出了整個拉曼光譜術系統。除了反射拉 曼信號之外，寬帶反射器50還過濾過濾掉激光激發光(0D1 )。
介電薄膜濾光器
上述各種不同的過濾可以通過下列介電薄膜濾光器來完成。在 這方面，出于本公開的目的，將假定所關注的拉曼信號大于300cm-1。接近激發源的拉曼信號(即大約lOOcm-l至大約300cm-l)還可 通過另一組濾光器來檢測。 (1 )帶通濾光器設計
如上面所注意到的， 一個或多個帶通濾光器20A、 20B可用來 通過激光并阻擋與激光器、光纖和/或兩者相關聯的亂真信號。帶通 濾光器可利用介電薄膜構造來構建。例如，參見圖2，該圖說明了 薄膜設計的傳輸特征，所述薄膜設計被配置成可過濾掉激光器ASE 和光纖中的瑞利和拉曼散射以及熒光。 (2)濾光器設計
同樣如上面所注意到的，濾光器25、 30和/或45 (在本發明一 個優選實施例中，優選地為長通濾光器)可用來反射或阻擋激光鐠 線并且通過拉曼信號。這種濾光器可利用介電薄膜構造來構建。該 設計優選地針對800nm-1100nm的范圍進行配置；CCD檢測器通常 在這個范圍之外是不敏感的。例如，參見圖3,該圖說明了用于反 射(和/或阻擋)激光譜線并且用于傳輸拉曼信號的濾光器薄膜設計 的傳輸特征。
(3)附加的寬帶反射器
附加的寬帶反射器50用來將拉曼信號重定向至收集光纖。另 外，附加的寬帶反射器50在使光傳至收集光纖之前還過濾激光激發 光(ODM)。寬帶反射器50同樣可利用介電薄膜構造來構建。例如，
參見圖4，該圖說明了附加的寬帶反射器50的傳輸特征，所述附加 的寬帶反射器50被配置成可引導拉曼信號并阻擋激光譜線。
附加的新穎構造
現在來看圖5，示出了另一種新穎的拉曼探頭布置105，除了通 過重新布置收集光纖而省略了寬帶反射器50之外，該布置在構造上 通常與圖1所示的類似。因此，在圖5所示的構造中，激發光源LS 的輸出通過光纖110被傳遞并且通過透鏡115被準直。帶通濾光器120 (或帶通濾光器120A、 120B的多重組合)用來通過激光激發光并 且阻擋與激光器、光纖和/或兩者相關聯的亂真信號。與激光器相關 聯的亂真信號通常包含來自激光器的ASE，并且與光纖相關聯的亂 真信號通常包含在光纖110內部生成的瑞利和拉曼散射以及熒光。 優選地帶通濾光器120適于阻擋與激光器和光纖相關聯的亂真信 號。激光激發光接著被濾光器125 (以22.5度的AOI )和130(以22.5 度的AOI )反射，并且接下來通過透鏡135被聚焦以此激發標本140。 在這方面，應當意識到，出于本公開的目的，使用了某些AOI的值， 然而，依照本發明，AOI可以從一個實施例到另一個實施例發生改 變。此外，因為輸入光纖和輸出光纖的幾何形狀不必是平行或垂直 的，所以AOI的值可以隨所使用的特定幾何特征發生變化，比如AOI 值可以在任何地方由5度的AOI到50度的AOI發生變化。在本發 明的一個優選實施例中，濾光器125和130優選地為長通濾光器， 在這方面，還應當意識到，濾光器125可以被簡單反射器替代以此 反射激光。在激光激發光已經投射到標本上之后，拉曼信號通過透 鏡135被重新準直并且穿過濾光器130。另一方面，拉曼信號還可 穿過多個濾光器(即，除了穿過濾光器130之外，拉曼信號還以22.5 度的AOI穿過附加的濾光器145)。在本發明的一個優選實施例中， 附加的濾光器145優選地也是長通濾光器。在來自標本的拉曼信號 穿過濾光器130時，濾光器130此時用作第二用途，即它阻擋了激 光語線。在光被聚焦透鏡155重定向進入收集光纖160之前，濾光 器130和145可提供激光譜線的直到〉OD10的過濾。光纖160將拉
曼信號傳輸至分析標本的拉曼特征標記的光分析器LA,據此識別標 本。光分析器LA可包含具有本領域公知類別的相關的分析裝置的 光語儀。例如，參見圖1A，該圖以示意圖的形式示出了整個拉曼光 譜術系統。
接下來看圖6，示出了另一種新穎的拉曼探頭布置205,其通常 類似于圖5所示的構造；然而，利用這種新穎的布置，光纖和信號 收集光學部件彼此同軸(而不是彼此垂直)。因此，在圖6所示的構 造中，激發光源LS的輸出通過光纖210被傳遞并且通過透鏡215 #1 準直。帶通濾光器220 (或帶通濾光器220A、 220B的多重組合)用 來通過激光激發光并且阻擋與激光器、光纖和/或兩者相關聯的亂真 信號。與激光器相關聯的亂真信號通常包含來自激光器的ASE，并 且與光纖相關聯的亂真信號通常包含在光纖210內部生成的瑞利和 拉曼散射以及熒光。優選地帶通濾光器220適于阻擋與激光器和光 纖相關聯的亂真信號。激光激發光接著被濾光器225 (以22.5度的 AOI)和230 (以22.5度的AOI)反射，并且接下來通過透鏡235 被聚焦以此激發標本240。在這方面，應當意識到，出于本/〉開的 目的，使用了某些AOI的值，然而，依照本發明，AOI可以從一個 實施例到另一個實施例發生改變。此外，因為輸入光纖和輸出光纖 的幾何形狀不必是平行或垂直的，所以AOI的值可以隨所使用的特 定幾何特征發生變化，比如AOI值可以在任何地方由5度的AOI到 50度的AOI發生變化。在本發明的一個優選實施例中，濾光器225 和230優選地為長通濾光器，在這方面，還應當意識到，濾光器225 可以被簡單反射器替代以此反射激光。在激光激發光已經投射到標 本上之后，拉曼信號通過透鏡235被重新準直并且穿過濾光器230。 另一方面，拉曼信號還可穿過多個濾光器(即，除了穿過濾光器230 之外，拉曼信號還可以22.5度的AOI穿過附加的濾光器245 )。在 本發明的一個優選實施例中，附加的濾光器245優選地也是長通濾 光器。在來自標本的拉曼信號穿過濾光器230時，濾光器230此時 用作第二用途，即它阻擋了激光譜線。在光被聚焦透鏡255重定向 進入收集光纖260之前，濾光器230和245可提供激光譜線的直到 〉OD10的過濾。光纖260將拉曼信號傳輸至分析標本的拉曼特征標 記的光分析器LA,據此識別標本。光分析器LA可包含具有本領域 公知類別的相關的分析裝置的光鐠儀。例如，參見圖1A，該圖以示 意圖的形式示出了整個拉曼光語術系統。
應當意識到，利用圖1-6所示的構造，該配置優選地利用濾光 器25、 30和/或45 (或125、 130和/或145等)的22.5度的光學入 射角(AOI)。然而，正如上面所注意到的，任何其他AOI同樣可以 被配置成利用某些制造容限。
例如，并且現在來看圖7,示出了另一種新穎的拉曼探頭配置 305，該配置使用濾光器的不同的AOI濾光器。利用這種構造，激 發光源LS的輸出通過光纖310被傳遞并且通過透鏡315被準直。帶 通濾光器320 (或帶通濾光器320A、 320B的多重組合)用來通過激 光激發光并且阻擋與激光器、光纖和/或兩者相關聯的亂真信號。與 激光器相關聯的亂真信號通常包含來自激光器的ASE,并且與光纖 相關聯的亂真信號通常包含在光纖310內部生成的瑞利和拉曼散射 以及焚光。優選地帶通濾光器320適于阻擋與激光器和光纖相關聯 的亂真信號。激光激發光接著被在這個配置中可能是激光譜線反射 器的濾光器325 (以40度的光學入射角，AOI)以及濾光器330 (以 5度的AOI)反射，并且接下來通過透鏡335坤皮聚焦以此激發標本 340。在這方面，應當意識到，出于本公開的目的，使用了某些AOI 的值，然而，依照本發明，AOI可以從一個實施例到另一個實施例 發生改變。此外，因為輸入光纖和輸出光纖的幾何形狀不必是平行 或垂直的，所以AOI的值可以隨所使用的特走幾何特征發生變化， 比如AOI值可以在任何地方由5度的AOI到50度的AOI發生變化。 在本發明的一個優選實施例中，濾光器330優選地為長通濾光器。 在這個實施例中，激光譜線反射器325優選地為筒單反射器以此反 射激光。在激光激發光已經投射到標本上之后，拉曼信號通過透鏡 335被重新準直并且穿過濾光器330。另一方面，拉曼信號還可穿過
多個濾光器(即，除了穿過濾光器330之外，拉曼信號還以5度的 AOI穿過附加的濾光器345)。在本發明的一個優選實施例中，附加 的濾光器345優選地也是長通濾光器。在來自標本的拉曼信號穿過 濾光器330時，濾光器330此時用作第二用途，即它阻擋了激光譜 線。在光通過寬帶反射器350 (以45度的AOI)和聚焦透鏡355重 定向進入收集光纖360之前，濾光器330和345可提供激光譜線的 直到X3D10的過濾。光纖360將拉曼信號傳輸至分析標本的拉曼特 征標記的光分析器LA,據此識別標本。光分析器LA可包含具有本 領域公知類別的相關的分析裝置的光語儀。例如，參見圖1A，該圖 以示意圖的形式示出了整個拉曼光譜術系統。除了反射拉曼信號之 外，寬帶反射器50還過濾過濾掉激光激發光(0D1)。
正如上面所注意到的，拉曼^:頭配置305使用濾光器330和345 的5度的AOI。這樣小的AOI可減小與大AOI角度相關聯的s和p 偏振差異。通過利用更小的AOI值，大約 300cm-l (或更小)處的 拉曼信號可以很容易分解。在這種配置中，激光譜線反射器(或濾 光器)325針對40度AOI來設計。激光諉線反射器325可以是簡單 的激光譜線分布布拉才各反射器(DBR)。
應當意識到，利用更窄的帶通濾光器和具有更小AOI的濾光器， 同樣可容易利用如100cm-l —樣近的拉曼信號。
現在來看圖8，示出了另一種新穎的拉曼探頭配置405，其同樣 使用更小的濾光器(這些濾光器優選地為長通濾光器)的AOI。更 具體地說，利用這種配置，激發光源LS的輸出通過光纖410浮皮傳遞 并且通過透鏡415被準直。帶通濾光器420 (或帶通濾光器420A、 420B的多重組合)用來通過激光激發光并且阻擋與激光器、光纖和 /或兩者相關聯的亂真信號。與激光器相關聯的亂真信號通常包含來 自激光器的ASE，并且與光纖相關聯的亂真信號通常包含在光纖410 內部生成的瑞利和拉曼散射以及熒光。優選地帶通濾光器420適于 阻擋與激光器和光纖相關聯的亂真信號。激光激發光接著被激光譜 線反射器425 (以40度的光學入射角，AOI)以及濾光器430 (以5
度的AOI )反射，并且接下來通過透鏡435被聚焦以此激發標本440。 在這個實施例中，激光譜線反射器425優選地為筒單反射器以此反 射激光。在這方面，應當意識到，出于本公開的目的，使用了某些 AOI的值，然而，依照本發明，AOI可以從一個實施例到另一個實 施例發生改變。此外，因為輸入光纖和輸出光纖的幾何形狀不必是 平行或垂直的，所以AOI的值可以隨所使用的特定幾何特征發生變 化，比如AOI值可以在^f壬何地方由5度的AOI到50度的AOI發生 變化。在本發明的一個優選實施例中，濾光器430優選地為長通濾 光器。在激光激發光已經投射到標本上之后，拉曼信號通過透鏡435 被重新準直并且穿過濾光器430。另一方面，拉曼信號還可穿過多 個濾光器(即，除了穿過濾光器430之外，拉曼信號還以5度的A01 穿過附加的濾光器445 )。在本發明的一個優選實施例中，附加的濾 光器445優選地也是長通濾光器。在來自標本的拉曼信號穿過濾光 器430時，濾光器430此時用作第二用途，即它阻擋了激光譜線。 在光被聚焦透鏡455重定向進入收集光纖460之前，濾光器430和 445可提供激光譜線的直到X)DIO的過濾。光纖460將拉曼信號傳 輸至分析標本的拉曼特征標記的光分析器LA，據此識別標本。光分 析器LA可包含具有本領域公知類別的相關的分析裝置的光譜儀。 例如，參見圖1A，該圖以示意圖的形式示出了整個拉曼光鐠術系統。 正如上面所注意到的，濾光器中的任何其他角度也可用來配置 拉曼探頭，其中光纖和信號收集光學部件彼此同軸。因此，在圖9 所示的構造中，激發光源LS的輸出通過光纖51(H皮傳遞并且通過透 鏡515一皮準直。帶通濾光器520 (或帶通濾光器520A、 520B的多重 組合)用來通過激光激發光并且阻擋與激光器、光纖和/或兩者相關 聯的亂真信號。與激光器相關聯的亂真信號通常包含來自激光器的 ASE，并且與光纖相關聯的亂真信號通常包含在光纖510內部生成 的瑞利和拉曼散射以及熒光。優選地帶通濾光器520適于阻擋與激
光器和光纖相關聯的亂真信號。激光激發光接著被濾光器525 (以10 度的光學入射角，AOI)和530 (以10度的AOI)反射，并且接下
來通過透鏡535 ;故聚焦以此激發標本540。在這方面，應當意識到， 出于本公開的目的，使用了某些AOI的值，然而，依照本發明，AOI 可以從一個實施例到另一個實施例發生改變。此外，因為輸入光纖 和輸出光纖的幾何形狀不必是平行或垂直的，所以AOI的值可以隨 所使用的特定幾何特征發生變化，比如AOI值可以在任何地方由5 度的AOI到50度的AOI發生變化。在本發明的一個優選實施例中， 濾光器525和530優選地為長通濾光器。在這方面，還應當意識到， 濾光器525可以#1筒單反射器替代以此反射激光。在激光激發光已 經投射到標本上之后，拉曼信號通過透鏡535被重新準直并且穿過 濾光器530。另一方面，拉曼信號還可穿過多個濾光器(即，除了 穿過濾光器530之外，拉曼信號還W 10度的AOI穿過附加的濾光 器545 )。在本發明的一個優選實施例中，附加的濾光器545優選地 也是長通濾光器。在來自標本的拉曼信號穿過濾光器530時，濾光 器530此時用作第二用途，即它阻擋了激光譜線。在光被聚焦透鏡 555重定向進入收集光纖560之前，濾光器530和545可提供激光 譜線的直到X)DIO的過濾。光纖560將拉曼信號傳輸至分析標本的 拉曼特征標記的光分析器LA,據此識別標本。光分析器LA可包含 具有本領域公知類別的相關的分析裝置的光譜儀。例如，參見圖1A,
該圖以示意圖的形式示出了整個拉曼光譜術系統。
通過利用在其表面具有各種不同涂層的兩個棱鏡還可以將拉曼 探頭做得明顯更加緊湊。圖10說明了一個這樣的實施例。在這種配 置中，各種不同涂層的功能與上面所討論的相同。更具體地說，在 圖10中，示出了拉曼探頭配置605 。激發光源LS的輸出通過光纖610 被傳遞并且通過透鏡615 #1準直。笫一棱鏡675上的帶通濾光器涂 層665用來通過激光激發光并且阻擋與激光器、光纖和/或兩者相關 聯的亂真信號。與激光器相關聯的亂真信號通常包含來自激光器的 ASE，并且與光纖相關聯的亂真信號通常包含在光纖610內部生成 的瑞利和拉曼散射以及熒光。優選地帶通濾光器620適于阻擋與激
光器和光纖相關聯的亂真信號。激光激發光接著被分色光束分離器
涂層680以45度AOI反射，穿過寬帶減反射(AR)涂層670,并 且接下來通過透鏡635被聚焦以此激發標本640。在這方面，應當 意識到，出于本公開的目的，使用了某些AOI的值，然而，依照本 發明，AOI可以從一個實施例到另一個實施例發生改變。此外，因 為輸入光纖和輸出光纖的幾何形狀不必是平行或垂直的，所以AOI 的值可以隨所使用的特定幾何特征發生變化，比如AOI值可以在任 何地方由5度的AOI到50度的AOI發生變化。在激光激發光已經 投射到標本上之后，拉曼信號通過透鏡635被重新準直并且穿過寬 帶AR涂層670。在來自標本的拉曼信號穿過寬帶AR涂層670時， 寬帶AR涂層670此時用作第二用途，即它阻擋了激光譜線。在光 被聚焦透鏡655重定向進入收集光纖660之前，光穿過第二棱鏡685, 并且接著穿過濾光器涂層690。光纖660將拉曼信號傳輸至分析標 本的拉曼特征標記的光分析器LA，據此識別標本。光分析器LA可 包含具有本領域公知類別的相關的分析裝置的光鐠儀。例如，參見
圖1A，該圖以示意圖的形式示出了整個拉曼光譜術系統。 具有串列式小瓶能力的便攜式拉曼探頭
圖1-10所示類型的拉曼光學探頭可用于在各種設置下傳遞和收 集來往于標本的光。然而，當試圖在便攜式野外應用中利用這樣的 拉曼光學探頭時，可能會出現可用性問題。
例如，利用圖1所示的構造，距傳遞/收集透鏡35和標本40的 距離通常必須保持在透鏡35的焦距的大約+A0.5mm內以便使信號 強度最大。
另外，許多用戶可能期望使標本40保持接近透鏡35，同時實 際上未觸碰標本，以便避免標本污染拉曼探測儀器。
同樣地，在測量期間，某些用戶可能喜歡將他們的標本放置到 玻璃瓶內。利用現有技術的拉曼探頭，這可能是不方便的。
為了解決這些和其他所關注的問題，本發明提供了新穎的拉曼 探頭，該拉曼探頭可用于三種不同的使用模式。在第一模式下，拉 曼探頭利用錐形支座允許用戶維持與標本的距離，其通過限制暴露的射束提供了距離控制和激光安全。第二使用^t式允許用戶移去錐 形支座以便于通過手工或其他手段維持距離控制。第三使用模式允 許標本^JJ妄插入^^頭光學組件中。
更具體地，并且現在來看圖11,示出了新穎的拉曼探頭配置
705，其提供了三種前述的使用模式。利用這種構造，激發光源LS 的輸出通過光纖710被傳遞并且通過透鏡715被準直。帶通濾光器 720 (或帶通濾光器720A、 720B的多重組合)用來通過激光激發光 并且阻擋與激光器、光纖和/或兩者相關聯的亂真信號。與激光器相 關聯的亂真信號通常包含來自激光器的ASE,并且與光纖相關聯的 亂真信號通常包含在光纖710內部生成的瑞利和拉曼散射以及熒 光。優選地帶通濾光器720適于阻擋與激光器和光纖相關聯的亂真 信號。激光激發光接著被激光譜線反射器725 (比如以22.5度的光 學入射角，AOI)和濾光器730 (比如以22.5度的AOI)反射，并 且接下來通過透鏡735在標本瓶容器805上聚焦，或者穿過標本瓶 容器805并且穿過聚焦透鏡800,以及接下來穿過另一個聚焦透鏡 795,到達標本位置740。在這方面，應當意識到，出于本^^開的目 的，使用了某些AOI的值，然而，依照本發明，AOI可以從一個實 施例到另一個實施例發生改變。此外，因為輸入光纖和輸出光纖的 幾何形狀不必是平行或垂直的，所以AOI的值可以隨所使用的特定 幾何特征發生變化，比如AOI值可以在任何地方由5度的AOI到50 度的AOI發生變化。在本發明的一個優選實施例中，濾光器730優 選地為長通濾光器。在這個實施例中，激光譜線反射器725優選地 為簡單反射器以此反射激光。在激光激發光已經投射到標本上之后， 拉曼信號通過透鏡735(其中標本位于小瓶容器805內)、或透鏡795、 800和735 (其中標本位于標本位置740處)帔重新準直并且穿過濾 光器730。另一方面，拉曼信號還可穿過多個濾光器(即，除了穿 過濾光器730之外，拉曼信號還以比如22.5度的AOI穿過附加的濾 光器745 )。在本發明的一個優選實施例中，附加的濾光器745優選 地也是長通濾光器。在來自標本的拉曼信號穿過濾光器730時，濾
光器730此時用作第二用途，即它阻擋了激光譜線。在光被聚焦透 鏡755重定向進入收集光纖760之前，濾光器730和745可提供激 光語線的直到XDDIO的過濾。光纖760將拉曼信號傳輸至分析標本 的拉曼特征標記的光分析器LA，據此識別標本。光分析器LA可包 含具有本領域公知類別的相關的分析裝置的光譜儀。例如，參見圖
1A，該圖以示意圖的形式示出了整個拉曼光譜術系統。在本發明的 一個優選實施例中，濾光器730和/或745可包含長通濾光器。 新穎的拉曼探頭705可以按如下方式實現和使用。 首先來看圖12、 13、 14和14A，在第一使用才莫式下，新穎的拉 曼探頭705允許用戶利用錐形支座810維持與標本的距離，錐形支 座810被安裝到鄰近輸出光纖760的拉曼探頭的外殼815上。錐形 支座810被設計成可提供距離控制和激光安全(通過限制射束暴 露)。錐形支座810可以制成一次性元件以便減輕污染問題，或者它 可以是拉曼探頭的更持久的元件。在一種優選構造中，探頭和錐形 支座包括用于將持久的或一次性的錐形支座連至便攜式拉曼單元和 將其從拉曼單元中移去的機構。其中，錐形支座按壓固定到探頭的
其余部分(見圖14),或者錐形支座可以樞軸式地連接到探頭的其 余部分以使其根據期望可以旋轉進、出位置。
錐形支座810可包含各種不同配置，比如圖12-14和14A所示 的那些配置。在本發明的一種優選形式中，錐形支座810包含充當 距離支座的外錐形810A (圖13)和提供眼部安全的內錐形810B。 優選地，內錐形810B^^皮背面涂漆以此隱蔽激光。錐形支座可以由塑 料或金屬或兩種材料的組合制成。玻璃窗口 810C (圖12)可以設在 激光發射點處以防止標本滲進錐形物。可選地，可以設置錐形支座 810中的開關來觸發與樣本接觸的激光發射。如果期望的話，錐形 支座810可包含環繞外錐形810A的外周邊的半月形濾光器810D(圖 14A)，其中濾光器元件810E被配置成可過濾掉激光的工作波長以 便防止激光束的直接觀看并且因此設置了操作者安全。
第二使用模式允許用戶移去錐形支座810以便通過手工或其他
手段維持所期望的距離。該模式還使得用戶避免不得不觸碰標本， 這又可以幫助減輕污染問題。在第二模式中，還可能結合電子/光學 方法的使用以提供反饋信號，所述的反饋信號與標本和透鏡之間的 距離成比例以便于優化拉曼信號。
在第三使用模式中，并且現在來看圖15-17，小瓶820可插入小 瓶容器805內以使小瓶820位于探頭光學組件內。附加的光學部件 允許光在容器805內的小并瓦820上聚焦(如果小并瓦存在的話)，或者 使光傳遞至740處的支座標本(如果小瓶不存在的話)。容器805優 選地結合了容器內部和探頭的工作元件之間的水密屏障。窗口 822 (圖18)允許光進出容器805。
如果期望的話，小瓶820可包括"光閘"825，用來隔離鄰近透 鏡800的窗口 822以便在標本留在容器805中時防止漫射逆光進入 容器805。
接下來看圖19，可將相機830添加到探頭的前面，其中來自相 機的圖像被顯示在探頭的屏幕835上(圖14A)。利用這種構造，操 作者可相對于支座位置740處的標本來放置探頭同時觀看屏幕835。 這種特征可提高眼部安全，并且另外通過設置相機放大率，可幫助 使拉曼泵浦射束定位于正確的位置。此外，來自相機830的數據可 以連同日期和時間信息等一起存進可移動存儲芯片(如閃存卡)以 便允許探頭測試的文檔編制。
另外的構造
將會了解，本發明不受限于這里所公開的和/或圖中所示的特定 構造，而是包含本發明范圍內的任何修改或等同物。
權利要求
1.一種拉曼探頭，包含第一光纖，用于接收來自光源的激光激發光并傳輸所述激光激發光；第一濾光器，用于接收來自所述第一光纖的光并且適于通過所述激光激發光以及阻擋與所述光相關聯的亂真信號；第二濾光器，用于接收來自所述第一濾光器的光并且適于引導所述光朝向標本；聚焦裝置，用于接收來自所述第二濾光器的光，使所述光在所述標本上聚焦以便生成拉曼信號，以及使所述拉曼信號返回到所述第二濾光器；其中所述第二濾光器還被配置成以使在所述第二濾光器接收來自所述聚焦裝置的所述拉曼信號時，所述第二濾光器在將所述拉曼信號引導至第二光纖之前過濾掉不想要的激光激發光；以及第二光纖，用于接收來自所述第二濾光器的所述拉曼信號并且將所述拉曼信號傳輸至光分析器。
2. 如權利要求1所述的拉曼探頭，還包含光源。
3. 如權利要求2所述的拉曼探頭，其中所述光源包含至少一個 具有有限語線寬度的785nm半導體激光器。
4. 如權利要求3所述的拉曼探頭，其中所述光源具有小于0.2nm FWHM的譜線寬度。
5. 如權利要求1所述的拉曼探頭，還包含纟皮設置在所述第一光 纖和所述第一濾光器之間的透鏡，用于準直來自所述第一濾光器上 的所迷第一光纖的光。
6. 如權利要求1所述的拉曼探頭，其中與光相關聯的所述亂真 信號包含與激光器、光纖和/或兩者相關聯的亂真信號。
7. 如權利要求6所述的拉曼探頭，其中與所述激光器相關聯的 亂真信號包含ASE。
8. 如權利要求1所述的拉曼探頭，其中與光相關聯的所迷亂真 信號包含與光纖相關聯的亂真信號。
9. 如權利要求8所述的拉曼探頭，其中與光纖相關聯的所述亂 真信號包含熒光。
10. 如權利要求8所述的拉曼探頭，其中與光纖相關聯的所述 亂真信號包含瑞利和拉曼散射。
11. 如權利要求1所述的拉曼探頭，其中與光相關聯的所述亂 真信號包含與激光器和光纖相關聯的亂真信號。
12. 如權利要求1所述的拉曼探頭，其中所迷第一濾光器適于 阻擋來自激光器的ASE和所述第一光纖內生成的熒光以及瑞利和拉 曼散射。
13. 如權利要求1所述的拉曼探頭，其中所述第一濾光器包含 帶通濾光器。
14. 如權利要求13所述的拉曼探頭，其中所述帶通濾光器包含 彼此一起工作的多個帶通濾光器單元。
15. 如權利要求1所述的拉曼探頭，其中所述第一濾光器適于 在大于300cm-l的拉曼域中過濾掉ASE背景。
16. 如權利要求1所述的拉曼探頭，其中所述第二濾光器包含 彼此一起工作的多個濾光器單元。
17. 如權利要求16所述的拉曼探頭，其中所述第二濾光器包含 彼此一起工作的三個或多個濾光器單元。
18. 如權利要求1所述的拉曼探頭，其中所述第二濾光器包含 與反射器單元一起工作的濾光器單元。
19. 如權利要求1所述的拉曼探頭，其中所述第二濾光器被配 置成22.5度的光學入射角(AOI)。
20. 如權利要求1所述的拉曼探頭，其中所述第二濾光器被配 置成5度的光學入射角(AOI)。
21. 如權利要求1所述的拉曼探頭，其中所述第二濾光器被配 置成10度的光學入射角(AOI)。
22. 如權利要求1所述的拉曼探頭，其中所述第二濾光器包含 長通濾光器。
23. 如權利要求22所述的拉曼探頭，其中所述長通濾光器適于 在大于300cm-l的拉曼域中過濾掉ASE背景。
24. 如權利要求22所述的拉曼探頭，其中所述長通濾光器包含 彼此一起工作的多個長通濾光器單元。
25. 如權利要求24所述的拉曼探頭，其中所述長通濾光器包含 彼此一起工作的三個或多個長通濾光器單元。
26. 如權利要求22所述的拉曼探頭，其中所述長通濾光器包含 與反射器單元一起工作的長通濾光器單元。
27. 如權利要求1所述的拉曼探頭，其中所述聚焦裝置包含被 設置在所述第二濾光器和所述標本之間的透鏡。
28. 如權利要求1所述的拉曼探頭，其中所述聚焦裝置包含用 于接收來自所述第二濾光器的光的第一透鏡、用于接收來自所述第 一透鏡的光的小瓶容器、用于接收來自所述小瓶容器的光的第二透 鏡、用于接收來自所述第二透鏡的光并使所述光在目標位置上聚焦 的第三透鏡，據此所述聚焦裝置適于(i)當標本位于所述小瓶容器 內時，使光在所迷標本上聚焦，以及(ii)當沒有標本位于所述小瓶 容器內時，使光在所述目標位置上聚焦。
29. 如權利要求28所述的拉曼探頭，其中所述第一透鏡、小瓶 容器、第二透鏡、笫三透鏡和目標位置全都彼此對準。
30. 如權利要求1所述的拉曼探頭，其中所述第二濾光器適于 在將所述拉曼信號引導至第二光纖之前提供激光激發光的直到 >OD10的過濾。
31. 如權利要求1所述的拉曼探頭，其中寬帶反射器^皮設置在 第二濾光器和所述第二光纖之間。
32. 如權利要求31所述的拉曼探頭，其中所述寬帶反射器適于 在將所述拉曼信號引導至第二光纖之前提供激光激發光的直到OD10 的過濾。
33. 如權利要求31所述的拉曼探頭，其中所述寬帶反射器反射 拉曼信號并通過激光激發光。
34. 如權利要求31所述的拉曼探頭，其中所述寬帶反射器反射 >300cm-l的拉曼信號并通過0至300cm-l的拉曼信號。
35. 如權利要求31所述的拉曼探頭，其中所述寬帶反射器被配 置成45度的光學入射角(AOI)。
36. 如權利要求1所述的拉曼探頭，還包含被設置在所述第二 濾光器和所述第二光纖之間的透鏡。
37. 如權利要求l所述的拉曼探頭，還包含光分析器。
38. 如權利要求37所述的拉曼探頭，其中所述光分析器包含光 諳儀。
39. 如權利要求37所述的拉曼探頭，其中所述光分析器包含光 譜儀和適于分析所迷標本的拉曼特征標記的相關分析裝置，據此識 別所述標本。
40. —種拉曼探頭，包含 光源，用于生成激光激發光；聚焦裝置，用于接收來自所述光源的所述激光激發光，使所述 激光激發光在標本上聚焦以便生成拉曼信號，以及使所述拉曼信號 返回到光分析器；以及光分析器，用于分析所述標本的拉曼特征標記，據此識別所述 標本；其中所述聚焦裝置被配置成可允許所述標本駐留在小瓶容器中 或者在遠離所述小瓶容器的目標位置處。
41. 如權利要求40所述的拉曼探頭，其中所述小瓶容器和所述目標位置彼此對準。
42. 如權利要求40所述的拉曼探頭，其中所述聚焦裝置包含用 于接收來自所述光源的光的第一透鏡、用于接收來自所述第一透鏡 的光的小瓶容器、用于接收來自所述小瓶容器的光的笫二透鏡、用 于接收來自所迷第二透鏡的光并使所述光在目標位置上聚焦的第三 透鏡，據此所迷聚焦裝置適于(i)當標本位于所述小瓶容器內時，使光在所述標本上聚焦，以及(ii)當沒有標本位于所述小瓶容器內 時，使光在所迷目標位置上聚焦。
43. 如權利要求42所述的拉曼探頭，其中所述第一透鏡、小瓶 容器、第二透鏡、第三透鏡和目標位置全都彼此對準。
44. 如權利要求42所述的拉曼探頭，還包含適于安置在所述小 瓶容器內的小瓶。
45. 如權利要求42所述的拉曼探頭，其中所述容器還包含光閘， 用于當所述小瓶被設置在所述小瓶容器中時防止漫射逆光進入所迷 小瓶容器。
46. 如權利要求40所述的拉曼探頭，其中所述聚焦裝置包含位 于所述小瓶容器和所述目標位置之間的錐形支座。
47. 如權利要求46所述的拉曼探頭，其中所述錐形支座包含位 于所述小瓶容器和所述目標位置之間的窗口 。
48. 如權利要求46所述的拉曼探頭，其中所述錐形支座可移動 連接至所述探頭的其余部分。
49. 如權利要求46所述的拉曼探頭，其中所迷錐形支座可樞軸 式地連接至所述探頭的其余部分。
50. —種實施標本的拉曼光i普術的方法，所述方法包含 利用光源生成激光激發光；使所述激光激發光穿過第一濾光器以便阻擋與所述光相關聯的 亂真信號；將所述激光激發光引導至第二濾光器以便引導所述激光激發光 朝向所述標本；接收來自所述第二濾光器的光，使所述光在所述標本上聚焦以 便生成拉曼信號，以及使所述拉曼信號返回到所述第二濾光器；其中所述第二濾光器還被配置成以使在所述第二濾光器接收來 自所述標本的拉曼信號時，所述第二濾光器過濾掉不想要的激光激 發光； 將從所述第二濾光器接收的過濾的光傳遞至光分析器；以及 分析所述標本的拉曼特征標記以便識別所述標本。
51. —種拉曼探頭，包含 外殼；光源，被設置在所述外殼內，用于生成激光激發光；聚焦裝置，被設置在所述外殼內，用于接收來自所述光源的激 光激發光，使所述激光激發光在標本上聚焦以便生成拉曼信號，以 及使所述拉曼信號返回到光分析器；以及光分析器，被設置在所述外殼內，用于分析所述標本的拉曼特 4正標記，4居此識別所述標本；其中所述聚焦裝置被配置成可允許所述標本駐留在遠離所述外 殼的目標位置處；并且還包含光屏蔽，所述光屏蔽被安裝到所述外殼上以便被設 置在所述標本和用戶之間，據此將用戶與所述光源光屏蔽。
52. 如權利要求51所述的拉曼探頭，其中所述光屏壁適于阻擋 所述光源的工作波長。
53. 如權利要求51所述的拉曼探頭，其中所述光屏蔽具有半圓 形配置。
54. —種拉曼探頭，包含 外殼；光源，被設置在所述外殼內，用于生成激光激發光；聚焦裝置，被設置在所迷外殼內，用于接收來自所述光源的激 光激發光，使所述激光激發光在標本上聚焦以便生成拉曼信號，以 及使所述拉曼信號返回到光分析器；以及光分析器，被設置在所迷外殼內，用于分析所述標本的拉曼特 征標記，據此識別所述標本；其中所述聚焦裝置被配置成可允許所述標本駐留在遠離所述外 殼的目標位置處；并且還包含相機，所述相機4皮安裝到所述外殼上以使其視場包 括所述目標位置；還包含顯示器，所述顯示器被安裝到所述外殼上， 用于顯示被所述相機俘獲的圖像，據此允許用戶相對于所述標本來 放置所述探頭同時觀看所述顯示器。
全文摘要
一種拉曼探頭，包含用于接收和傳輸來自光源的激光激發光的第一光纖；用于接收來自第一光纖的光、通過激光激發光以及阻擋與光相關聯的亂真信號的第一濾光器；用于接收來自第一濾光器的光并且引導光朝向標本的第二濾光器；用于接收來自第二濾光器的光、使光在標本上聚焦以便生成拉曼信號、以及使拉曼信號返回到第二濾光器的聚焦裝置；用于接收來自第二濾光器的拉曼信號并且將拉曼信號傳輸至光分析器的第二光纖；其中當第二濾光器接收來自聚焦裝置的拉曼信號時，第二濾光器在將拉曼信號引導至第二光纖之前過濾掉不想要的激光激發光。
文檔編號G01J3/44GK101166957SQ200580021026
公開日2008年4月23日 申請日期2005年4月29日 優先權日2004年4月30日
發明者D·瓦克肖里, K·J·克諾普, M·阿齊米, W·培東, Y·沈 申請人:阿胡拉公司
專業數控銑床產品供應商
20年生產經驗，實力工廠，精工品質，質量有保障
