[实用新型]近红外激光拉曼光谱水下原位探测系统

说明书

技术领域

本实用新型属于水下光谱探测系统，更具体的说是一种激光拉曼光谱水下原位探测系统。

背景技术

海洋化学成分测量对海洋环境监测和海洋资源的开发都具有非常重要的意义，目前海洋化学测量通常都是采集样品回实验室分析，远远不能适应海洋科学调查的需要。另外，许多化学成分受环境因素影响很大，或者脱离海洋环境其测量不再有意义，因此发展原位化学传感器就显得尤为必要。波谱类(光谱、质谱等)化学传感器可实现对深海目标物的原位、实时、连续、无接触测试，并且同时获得多种物质成分的信息，近年来成为海洋原位探测化学传感器发展的热点。基于实验室激光拉曼光谱仪，美国Monterey Bay Aquarium ResearchInstitute成功研制了深海激光拉曼光谱系统DORISS。DORISS采用532nm Nd:YAG激光器作为激发光源，在海水探测中受荧光影响比较大，另外DORISS采用三个密封舱，体积功耗都很大，限制了现场探测的使用。

发明内容

本实用新型的目的是提供一套近红外原位探测激光拉曼光谱系统，该系统体积小，灵活方便，可搭载与水下潜器(ROV)，广泛应用于各种海洋环境，实现对海底固、液、气态目标物的原位、实时、连续、无接触测试。

一种避免拉曼光谱信号影响的激光拉曼光谱水下原位探测系统，包括密封舱内的激光器、由全反镜、陷波滤光片、透镜和光纤组成的前置光路、拉曼光谱仪以及电子控制模块；其特征是近红外激光器直接出射，经全反镜到陷波滤光片，再经第一透镜聚焦入射到水中，拉曼信号和水体瑞利散射由第一透镜收集，经过陷波滤光片滤除水体瑞利散射，经第二透镜耦合到光纤，光纤另一端连接到拉曼光谱仪，拉曼光谱仪对拉曼信号进行分光探测，送入电子控制模块进行处理和传输。

拉曼散射激发效率与波长的四次方成反比，但随着波长的减小，荧光的影响非常严重。另外由于海水的吸收，通常海洋光学仪器的设计选用蓝绿窗口波段，同样DORISS选择532nm作为激发波长，这样可以同时获得较好的海水透过率和较高的拉曼激发效率。由于DORISS主要针对深海进行探测，海水的荧光影响较小，但对于一般自然海水，水中有大量的黄色物质和叶绿素，其荧光强度远远大于拉曼信号，使拉曼信号的检测变得非常困难。对于消除荧光影响，采用近红外激发波长是已经被证明的行之有效的方法，但由于海水的吸收，目前很少有水下光学仪器采用近红外波长激光器作为激发光源，尤其对拉曼信号而言，由于信号非常微弱，采用近红外波长一方面激发效率较低，另一方面海水吸收非常严重，所以实现难度非常大。但实验表明，由于采用785nm近红外半导体激光器作为激发光源成功地抑制了荧光的影响，反而可以获得较高的信噪比。

对海洋仪器小型化、低功耗是现场调查大量使用的基本保证，但对于水下拉曼光谱探测，而且需要满足同时探测多种物质和相似物质进行有效区分的要求(从低波数范围的硫磺以及硫化物、中间范围的大多数矿物和挥发性气体如N₂，O₂，CO₂等到高波数范围的有机物和水合物等)，这就要求光谱仪同时具有宽的光谱范围和高的光谱分辨率。由于光谱范围和光谱分辨率的矛盾，在实验室通常采用转动高分辨率光栅的办法来同时满足这两者，但对于现场探测，出于实时探测的需要和结构稳定性的考虑，要一次获得全波段光谱，同时保证较高的光谱分辨率。另外由于光谱分辨率与光谱仪入射狭缝宽度有关，同样光谱范围条件下，采用较窄的狭缝可以获得更高的光谱分辨率，但小的狭缝宽度减少了入射光通量，增加了测量时间，这对实时测量是不利的。本实用新型拉曼光谱仪采用了光纤束，光纤束由10根20um的光纤组成，在靠近前置光路的一端是圆形排列，相当于芯径200um的粗光纤，靠近光谱仪的一端是线性排列，相当于200*20um的狭缝，这样既保证光谱分辨率，又满足了测量范围和光通量的要求。同时为进一步减小体积，采用了分光装置和探测器一体的小型光谱仪，探测器采用背感光CCD光谱探测器，具有较高的量子效率，且采用致冷的面阵CCD增强信噪比。光谱仪整体性能可比拟实验室光谱系统，体积小巧，无转动部件，性能可靠稳定，不受温度影响，适于水下不同环境工作。

系统为后向散射光路，与传统的激光拉曼光谱侧向散射光路相比，具有更高的探测效率，且有助于系统小型化设计。另外采用同轴光路，所有光学元件无可调部件，可保证水下不同工作环境信号收集的稳定性。前置光路采用陷波滤光片代替常规二向色镜，保证较好的滤除水体的瑞利散射信号，且可以进一步获得拉曼光谱低波数信号。