[发明专利]具有同轴激发和收集孔径的空间偏移拉曼探针

说明书

本发明涉及具有同轴激发和收集孔径的空间偏移拉曼探针。一种用于通过发射不需要的背景辐射的介入材料来捕获光谱响应的光学测量探针，包括：第一透镜，其被配置为接收光并将光准直成限定第一孔径的准直激发光束；物镜元件，其用于将准直的激发光束通过介入材料聚焦到样品中的点或区域，其中物镜元件还接收由样品和介入材料散射的光，并将散射的光准直成限定第二孔径的准直收集光束；以及，准直收集光束内的阻挡元件，用于从由样品接收的准直收集光束中去除由介入材料散射的光，其中由准直收集光束限定的第二孔径是由准直激发光束限定的第一孔径的至少两倍。

技术领域

本公开总体上涉及远程光学测量探针，并且具体地，涉及能够在紧凑配置中实现空间偏移激发和收集的益处的探针。

背景技术

诸如拉曼散射和荧光等诱导辐射效应已成为与分子成分的非破坏性测定相关的极其有价值的工具。事实上，拉曼光谱已成为一种已确立且实用的化学和结构分析和表征方法，其适用于许多不同的化学物种。

拉曼光谱基于单色激发将根据接收辐射的特定分子而被反射、吸收和散射的原理。大多数能量以相同的波长弹性散射，称为瑞利散射。小得多的量在不同波长处散射，称为非弹性或拉曼散射，其中散射的光子以散射光子的分子中束缚原子之间的振动形式留下其一些能量。在拉曼光谱分析中，对散射辐射的这些波长转移进行分析以确定样品特性。

大部分由于仪器和相关组件技术的发展，拉曼光谱在在线过程监测中越来越受欢迎。对于许多过程应用，拉曼分析仪已被证明比诸如气相色谱法、红外光谱法和近红外光谱法的替代技术具有显着优点。作为一种非破坏性的实时技术，拉曼光谱与多种样品兼容，包括不透明固体、水溶液、乳液和气体，而无需样品制备。

传统的拉曼系统具有三个主要组件：激发源、采样装置和检测器。虽然这三个组件多年来以变化的形式出现，但现代拉曼仪器使用激光作为激发源，使用光谱仪作为检测器，使用光纤探针作为采样装置。探针使用激光照射样品，并使用光纤、透镜或两者收集来自样品的散射光。完整的系统通常还包括执行适合于应用的分析软件的计算机处理器。

为了在偏远或恶劣的环境中表征样品的成分，可以使用光纤将激发能量传递到探针头，并将来自样品的散射辐射传输回用于光谱分析的仪器。以适当波长发射辐射的激发激光器耦合到输入光纤作为激发路径，并且互补收集路径通常包括第二收集光纤，该第二收集光纤将包括散射辐射的返回光谱信息携带到摄谱仪。

在一些实例中，光纤拉曼探针可能与包括摄谱仪的其他设施相距很远。这种安装越来越多地用于材料处理、过程监控和过程控制的工业应用中。作为示例，用于化学过程监测和控制的工业拉曼摄谱仪可以使用来自安装在中央控制室仪器中的激光源的激光能量。该仪器将激光辐射耦合到路由到远程探针的光纤电缆中。远程探针头可以被安装在管道、工艺器皿和其他可能明显远离激光源的位置。

图1示意性地示出了简化的、传统的、光纤耦合的远程拉曼探针100。概括地说，激光激发辐射经由光纤102传递，在104处准直，在118处重新定向，并在109处被组合成路径110，该路径也可以携带从样品112收集的散射光(即收集的光)。公共物镜114用于聚焦激光辐射和准直收集的光。带通滤光器116和陷波滤光器111分别通过和拒绝激光波长。收集到的光在113处聚焦并经由光纤122透射到摄谱仪。其他示例性配置在题为REMOTE OPTICALMEASUREMENT PROBE(远程光学测量探针)的美国专利No.5,377,004号中进行了描述，该专利以引用的方式并入本文以及文献中的其他地方。

注意图1的探针100能够穿透某些屏障126(例如，墙壁或窗户)以分析器皿、容器、导管等中的样品。事实上，这种能力使拉曼摄谱能够在恶劣或无菌环境中使用，而不污染生物过程或损害工艺流程。然而，屏障126通常引入可能与拉曼收集路径重叠的不想要的散射、背景拉曼和/或荧光特征120，从而产生分析挑战，例如噪声。在较小程度上，来自物镜114的背景特征120也可能影响基于为物镜114选择的特定材料——例如UV级熔融石英或蓝宝石——的信号处理。