一种用于傅里叶变换红外光谱仪的ATR探头

摘要

本发明公开了一种用于傅里叶变换红外光谱仪的ATR探头，包括ATR晶体1，透镜2和7，内镀膜光管4，光管固定夹具3和6，红外传感器8，前置放大滤波电路9，外壳5。入射光射入内镀膜光管4后，经透镜2后进入ATR晶体1，在晶体1内反射至少两次后射出晶体，再经透镜7收集聚焦到红外传感器8的光敏面上，红外传感器8将光信号转换成电信号，再经过前置放大滤波电路9进行信号放大调理输出。本发明利用大口径光管进行入射光的传导，提高了光能的利用率，采用红外传感器内置式检测方式，减少了光路传输损失，因此，可以达到较高的检测灵敏度和信噪比。本发明在生物、医学、地质、化学、材料学等诸多领域具有广阔的应用前景。

说明书

技术领域

本发明属于物理光子学领域，特别涉及一种用于傅里叶变换红外光谱仪的ATR探头。 

背景技术

衰减全反射(Attenuated Total Reflectance, ATR)光谱技术是红外光谱测试技术中一种应用十分广泛的技术，它已成为傅里叶变换红外光谱分析测试工作者经常使用的一种红外样品测试手段。

ATR在实际应用中，作为红外光谱法的重要实验方法之一，从一开始便显示出其独特的优势和广阔的应用前景。由于其并不需要通过透过样品的信号，而是通过样品表面的反射信号获得样品表层有机成份的结构信息。不但简化了样品的制作过程，而且极大地扩大了红外光谱法的应用范围。使许多采用传统透过法无法制样，或者样品制备过程十分复杂、难度大、而效果又不理想的实验成为可能。因此，被广泛应用于塑料、纤维、橡胶、涂料、粘合剂等高分子材料制品的表面成份分析。

对于ATR来说，它主要包含几个大的部分：光导入部件、ATR晶体、光导出部件、红外检测器及电路等。目前市场上的ATR商品光导入和导出主要采用红外光纤，其价格昂贵。也有少部分光导入和导出各采用一根中空光导管，由于光的损失较大，信号微弱，其输出光一般采用液氮制冷的MCT检测器进行检测，使用起来非常麻烦。

发明内容

为了克服已有技术的不足，本发明实现了一种结构简单，成本低廉，使用更加方便的ATR。采用大口径内镀红外高反射率膜的中空光管做为光导入部件，而输出则省掉了一根光导出部件，直接将无需液氮制冷的DLATGS检测器嵌入到探头内部进行光的检测，光路传输环节的减少，大大减少了光能损失，使信号的检出更加容易。因此，其不仅成本低，而且信噪比高，使用方便，其在生物、医学、地质、材料学等诸多领域具有广阔的应用前景。

本发明的技术方案是：

一种用于傅里叶变换红外光谱仪的ATR探头，包括外壳5，ATR晶体1，透

镜2和透镜7，内镀膜光管4，光管固定夹具3和6，红外传感器8，前置放大滤波电路9；

外壳5的两端开口，ATR晶体1固定在外壳5一端的开口处，透镜2、光管

固定夹具3和6、内镀膜光管4固定在外壳内一侧，透镜2与ATR晶体1相接，内镀膜光管4与透镜2相接，光管固定夹具3和6设置在内镀膜光管4的两端，光管固定夹具6位于外壳5另一端的开口处；

透镜7、红外传感器8、前置放大滤波电路9依次固定在外壳内的另一侧；透镜7与ATR晶体1相接；

ATR晶体1有两个斜面，透镜2与透镜7分别对准ATR晶体1的两个斜面；

入射光射入内镀膜光管4后，经透镜2耦合后进入ATR晶体1，在晶体1内反射至少两次后射出晶体，再经透镜7收集聚焦到红外传感器8的光敏面上，红外传感器8将光信号转换成电信号，再经过前置放大滤波电路9进行信号放大滤波后输出。

所述外壳5上设置有O形圈安装槽10，用于安装O型圈，使外壳5紧密安装在罐体或反应釜上。

所述内镀膜光管4由石英中空玻璃制成，光管内壁镀有对红外光在4000cm-1到400cm-1波段范围内均具有高反射率的膜层；内镀膜光管4内径为0.5-5mm。  

所述ATR晶体1包括至少一个具有锥形或截锥形的表面的区段，半锥角在38-50°之间，优选45°角；半锥角是指圆锥的对称轴线与圆锥的侧面之间的角度；ATR晶体1由ZnSe、金刚石、蓝宝石、KBr或Ge制成。

本发明将红外传感器8内置于壳体5内，经过透镜7汇聚的光线，直接聚焦到红外传感器8的光敏面上；由于出射光并没有光导管或光纤之类的导光部件，因此，大大减少了光能量的损失，这对于提高信噪比十分有利。

本发明由于大大减少了光能量的损失，因此，可以采用DLATGS传感器作为感光元件。常规ATR由于出射光也采用了导光部件，光能损失太大，一般必须采用液氮制冷的高灵敏度MCT传感器，使用起来十分麻烦。而本发明则采用无需制冷的DLATGS器件进行感光，使用起来更方便。当然，本发明不排除使用MCT传感器作为感光元件。

本发明同时也将前置放大滤波电路9置于壳体5内，就近对传感器信号进行放大调理，这对于减少引线、电磁等干扰均有好处。

本发明采用了无出射导光部件、红外传感器内置于探头的结构，实际上，也不排除将经过透镜7后的出射光也采用与内镀膜光管4类似的内镀膜光管进行出射光的传导，将出射光引出壳体6的方式进行检测。

本发明的壳体5设计有O型圈安装槽10，使得它不仅可以用于固体样品检测，也能密封安装在标准化合物反应釜上对液体进行检测。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、采用了大口径中空内镀红外高反膜光管作为入射光的传导部件，其具备光通量大，光能损失小的特点。

2、采用了红外传感器内置结构，省去了出射光传导部件，不仅节省了成本，而且也大大减少了出射光的能力损失，使高信噪比、高灵敏度检测成为可能。

3、由于减少了光能量损失，使可检测的光能量较大，因此可以采用无需液氮制冷的DLATGS红外传感器进行光的检测，大大提高了使用的便利性。而目前商品化的ATR探头一般需要使用液氮制冷的MCT进行光信号检测，使用极为不便。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图。

其中，1—ATR晶体，2—透镜，3—光管固定夹具，4—内镀膜光管，5—外壳，6—光管固定夹具，7—透镜，8—红外传感器，9—前置放大滤波电路，10—O形圈安装槽。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细的描述。

图1是本发明的整体结构示意图，本发明包括外壳5，ATR晶体1，透镜2

和透镜7，内镀膜光管4，光管固定夹具3和6，红外传感器8，前置放大滤波电路9；外壳5的两端开口，ATR晶体1固定在外壳5一端的开口处，透镜2、光管固定夹具3和6、内镀膜光管4固定在外壳内一侧，透镜2与ATR晶体1相接，内镀膜光管4与透镜2相接，光管固定夹具3和6设置在内镀膜光管4的两端，光管固定夹具6位于外壳5另一端的开口处；透镜7、红外传感器8、前置放大滤波电路9依次固定在外壳内的另一侧；透镜7与ATR晶体1相接；ATR晶体1有两个斜面，透镜2与透镜7分别对准ATR晶体1的两个斜面；外壳5上设置有O形圈安装槽10，用于安装O型圈，使外壳5紧密安装在罐体或反应釜上。

光路传递路线如图1中箭头所示：入射光线首先进入光管4，再经过透镜2进入ATR晶体1，照射到ATR晶体1锥形的第一个斜面上反射后，照射到锥形的第二个斜面上，在此斜面上再次发生反射后从ATR晶体1射出，再经过透镜7汇聚聚焦到红外传感器8的光敏面上。图1所示的光路，光线在晶体1内发生了2次反射。但实际上，在ATR晶体1截锥形设计中，只要改变截锥的位置，就可以在晶体内发生2次以上的反射。因此，本专利申请所要主张的权利并不局限于2次反射。   

导入光部件采用的是内镀膜光管4，光管内壁洁净光滑，并镀上对红外光反射率极高的膜层，从而大大降低入射光在内镀膜光管4内壁多次反射后的能量损失。所镀膜层主要针对4000cm-1~400cm-1波段范围内的红外光进行优化设计。与传统的光纤式ATR探头相比，由于本发明的入射光导光只有一根光管，而光纤式探头多是有多根光纤组成的，因此，从反射能量损失来看，本发明占优。另外，从 光通量来看，本发明采用了大口径光管，因此，所能通过的光通量也具有较大的优势。  

通过内镀膜光管4的光，经过透镜2耦合到ATR晶体1内。由于经过内镀膜光管4后，部分光进行多次反射后有些发散，如果不加处理直接照射入ATR晶体1，那么就会导致大量光能量的损失。本发明采用透镜2进行光束的整形，使进入ATR晶体1后的光尽可能多的能够从晶体中射出并被收集。 

从ATR晶体1出射的光，经过透镜7进行聚焦，在透镜7后放置红外传感器8，经透镜7聚焦后的光照射在红外传感器8的光敏面上，实现光电转换。目前市面上的ATR探头，对从ATR晶体出射后的光一般采用光纤或光管导出到探头外面再进行光电检测，而本发明所采用的方式是探头内放置红外传感器。因此，本发明省去了一个输出光传导部件，从而降低了由于光传输过程中的能量损失，也就相当于间接提高了光能量，使高灵敏度检测成为可能。

目前，市面上已有的对输出光采用光导部件将光引出ATR探头体外检测的方式，一般必须采用液氮制冷的高灵敏度MCT检测器进行光信号的检测，普通的DLATGS无法满足要求。而本发明，由于采用了内置红外传感器的方式，减少了光传输过程中的能量损失，因此，可以采用成本相对低廉而又无需制冷使用的DLATGS传感器进行光信号的检测。因而，本发明所需元件少，所用传感器价格低，使用方便，这是本发明的主要优势。

红外传感器8后面紧跟着一个体积较小的前置放大滤波电路9，能够就近对信号进行预处理，另外，它置于壳体1内，能够有效的防止外界的电磁等干扰。 

本发明除了可以内置红外传感器外，也可以对经过ATR晶体1出射再经过经透镜7后的光通过内镀膜中空光管导出探头体外，利用MCT传感器来检测光信号。 

对于外壳5，本发明采用金属材料，首选不锈钢材料。ATR晶体1通过密封圈与壳体紧密的结合，可有效保证探头插入液体后不会有液体渗漏到壳体内部，从而保护置于壳体内部的光管、透镜、红外传感器、电路板等不受损坏。

内镀膜光管4通过光管固定夹具3和6牢固的置于壳体内部，前置放大滤波电路9通过槽型结构插入并固定在壳体1内部。 

外壳5外部的O形圈安装槽10，可将O形圈置于此槽内，插入常规化合物反应釜内，起到密封作用。