用于无荧光拉曼光谱仪的多波长外腔激光器

摘要

本发明公开了一种用于无荧光拉曼光谱仪的多波长外腔激光器，其通过电源切换电路驱动阵列中二个以上的等中心波长激光二极管独立通断，输出光束经准直激光校准光学元件校准为平行的准直激光束，而光栅采用特殊设计，其对应各准直激光束的入射点区域设不同光栅周期，使准直激光束经光栅衍射后形成同向输出且具有波长差异的零级反射光束和沿原路返回相应激光二极管内部参与谐振腔内部模式竞争的一级衍射光束；所述零级反射光最后经光纤耦合透镜汇聚至光纤合路器进行波长输出。本发明采用电路切换波长输出，消除了常规机械调节的不可靠性和可能误差，使调谐结构更简单稳固，保证了输出波长的高稳定性，实际操作时波长输出的重复性强，调谐精度更高。

说明书

技术领域

本发明涉及一种外腔激光发射装置，更具体的说，涉及一种用于无荧光 拉曼光谱仪的多波长外腔激光器。

背景技术

目前，拉曼光谱仪在现场检测、毒品分析、农药检测等领域有着非常广 泛的应用。然而，在对农药、毒品、爆炸物等进行检测的过程中，拉曼光谱 受到强荧光干扰。拉曼光强度远小于荧光强度以至于被荧光淹没从而无法检 测到拉曼光谱。因此，为了能高效地检测拉曼光谱必须抑制荧光。

现阶段，抑制荧光的方法有很多种，主要采用的是基线校正。基线校正 即通过特定的算法拟合出光谱图中的荧光背景并将其扣除。由于存在拟合误 差，基线校正不适用于荧光背景比较复杂的情况，会存在一些人为失真。

相较而言，现有的便携式拉曼光谱仪采用的多波长移频激发法(SEDRS) 能够适应在复杂的背景下有效抑制荧光。其依据的原理是：由于荧光波长不 会随着激发光波长改变而改变，拉曼光谱峰却会发生明显的位移。因此，用 两个波长相差微小(一长一短)的光分别激发样品获得两组带有荧光背景的 拉曼光谱(同一图中)，如图1所示；再将两组带有荧光背景的拉曼光谱进 行差分即可消除荧光，得到具有“一正一负”的差值拉曼光谱，如图2所示。 最后，利用相关算法复原拉曼光谱。

多波长移频激发法的关键在于产生多波长拉曼激发光源。以双波长拉曼 激发光源为例，目前此类光源主要采用可调谐外腔半导体激光器，其利用光 栅作为反馈元件，通过转动光栅实现波长调谐。如图3所示为目前常见的可 调谐外腔半导体激光器示意图，其中激光二极管1输出的光经过准直透镜2 入射至光栅3上，一级衍射光反射回激光二极管1中参与模式竞争实现单纵 模输出；绕预定支点旋转光栅3一定角度δ，使得入射光的衍射角从图中θ₁变 为θ₂，根据光栅衍射公式“2d·sinθ＝m·λ”，可知相应的输出波长λ也发 生了变化，d为光栅周期。

改变一级衍射光波长即可实现波长调节。由于存在机械移动部件(光栅 3的转动机构)，该方案具有调谐结构复杂，稳定性差，输出波长重复性弱、 多波长切换不便、精度低，不便于耦合(由于输出方向不一致导致)，调节 繁琐等缺点。

发明内容

本发明目的是：提供一种用于无荧光拉曼光谱仪的多波长外腔激光器， 其基于移频激发原理，能够克服已知激光发射装置调谐结构复杂，稳定性差， 输出波长重复性弱、多波长切换调节不便的缺点，旨在实现无光栅移动部件 的稳固结构，操作更加方便，输出波长更加稳定，且便于耦合。

本发明的技术方案是：一种用于无荧光拉曼光谱仪的多波长外腔激光 器，其特征在于包括：

平行激光发射装置，该装置包括由至少两个中心波长相同的激光二极管 组成的激光二极管阵列和布置于激光二极管阵列前端的用于将各激光二极 管发出的激光束校准为平行的准直激光束的准直激光校准光学元件；

光栅，其布置于前述平行的准直激光束的出射路径上构成外腔，并且该 光栅上对应于所述各准直激光束的入射点区域分别具有不同的光栅周期，各 准直激光束经该光栅衍射后形成同向输出且具有波长差异的零级反射光束 和沿原路返回相应激光二极管内部参与谐振腔内部模式竞争的一级衍射光 束；

光纤合路输出装置，包括光纤耦合透镜和光纤合路器，所述光纤耦合透 镜用于将经由前述光栅出射的所述零级反射光束汇聚至光纤合路器进行波 长输出；

控制器，包含连接并驱动各激光二极管独立通断的电源切换电路。

进一步的，本发明中所述的准直激光校准光学元件包括快轴准直镜和微 透镜阵列，所述微透镜阵列包括至少两个微透镜，且各微透镜与所述激光二 极管阵列中的各激光二极管一一对应，而所述快轴准直镜则布置在激光二极 管阵列和微透镜阵列之间。

优选的，本发明中所述光栅为啁啾光栅或是由至少两个不同周期光栅拼 接起来的拼接光栅。

需要指出，依据公式“2d·sinθ＝m·λ”，本案中准直激光束相对于光 栅的入射角度θ，以及光栅上各区域周期d的实际范围都是根据各激光二极 管的中心波长来预先确定的，目的是尽量保证经光栅输出的各零级反射光束 的波长数值在中心波长附近。

本发明中涉及的连接并驱动各激光二极管独立通断的电源切换电路是 本领域技术人员均可实现的已知技术。

本发明的工作原理如下：

激光二极管阵列和前端的准直激光校准光学元件确保平行准直激光束 的产生。阵列中的激光二极管均匀且并排布置，它们射出的激光束经快轴准 直镜准直，再分别透过对应的微透镜出射后即形成平行的准直激光束。

平行的准直激光束入射至前端的光栅上，虽然入射点位置不同，但经光 栅衍射后产生的衍射角θ则相同。本案中由于光栅采用特殊结构，其上对应 于各准直激光束的入射点区域分别具有不同的光栅周期，根据光栅衍射公式 “2d·sinθ＝m·λ”，可知周期d的差异保证了各准直激光束经光栅衍射后的 输出波长λ也不同。

本案中各激光二极管是预先固定的，对于不同波长输出的切换是依靠控 制器内的电源切换电路来实现，通过电路的切换使得各激光二极管独立通 断，完成各自的波长输出。当然本案只是拉曼光谱仪的前端激光发射装置， 各激光二极管经光栅衍射产生的波长不等的零级反射光束由光纤合路器收 集后，分别激发样品以获得(由拉曼光谱仪内部的感应器检测)多组荧光背 景的拉曼光谱，再通过处理器差分运算最终合成出荧光抑制良好的复原拉曼 光谱。

本发明通过合理设置(刻线)光栅上对应各准直激光束的不同入射点区 域的光栅周期，或选择满足要求的预制啁啾光栅，或根据需要选择将选定的 不同周期光栅拼接起来制成的拼接光栅，即通过改变周期d就能够实现最终 输出波长的调谐。

本发明的优点是：

本发明旨在提供一种无机械调节部件的结构更为稳固、输出波长更加稳 定，且操作更加简单方便的用于无荧光拉曼光谱仪的多波长外腔激光器。本 发明相比现有的利用转动式光栅(机械调节部件)实现波长调谐的外腔半导 体激光器而言，其具有如下优势：

1)通过电源切换电路控制实现不同输出波长的切换，无机械调节部件 即无需转动光栅，消除了机械调节的不可靠性和可能引入的误差，使得调谐 结构更加简单稳固，保证了输出波长的高稳定性，实际操作时波长输出的重 复性强，能够大大提高调谐精度；

2)通过电源切换电路控制实现不同输出波长的切换，可方便、快速切 换波长，操作更加简单，能够节约工作时间，提高工作效率；

3)通过光栅外腔反馈实现单纵模输出，线宽<0.2nm；

4)本发明使用同一块光栅给多个激光二极管做反馈，而不是一个光栅 对应一个激光二极管，且激光二极管之间排布成阵列，而非任意角度排布， 故反馈结构布局简单，能够节约制造成本。

5)本发明中由于光栅位置不动，各平行准直激光束经光栅衍射后的零 级反射光也为平行光，输出方向一致，便于对其进行光耦合，即采用单一光 纤耦合透镜即可实现耦合，而无需像常规技术那样分别对应各个角度的反射 光束布置耦合透镜，能够大大节约成本，且耦合精度和可靠性更高。

附图说明

下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：

图1为两组波长的激发光未差分前的原始拉曼光谱示意图；

(图中实线为短波长激发拉曼曲线，虚线为长波长激发拉曼曲线)

图2为图1中两组波长的激发光经差分后获得的差分拉曼光谱图；

图3为现有的可调谐外腔半导体激光器示意图；

图4为本发明的结构示意图：

图中：1、激光二极管；2、准直透镜；3、光栅；4、快轴准直镜；5、 微透镜；6、光纤耦合透镜；7、光纤合路器；8、控制器。

具体实施方式

实施例：结合图4所示为本发明用于无荧光拉曼光谱仪的多波长外腔 激光器的一种具体实施例，具体的说它是一种双波长外腔激光器，由平行激 光发射装置、光栅、光纤合路输出装置和控制器所组成。

本实施例中的平行激光发射装置由激光二极管阵列、快轴准直镜4和微 透镜阵列所组成，所述快轴准直镜4和微透镜阵列构成准直激光校准光学元 件。激光二极管阵列由上下两个并排布置且中心波长相同的激光二极管1 构成(当然此处仅为示例，本发明并不局限于布置两个激光二极管的方案， 其可以是三个，四个，甚至更多)，所述微透镜阵列与激光二极管阵列相对 布置，该微透镜阵列由上下两个并排布置的微透镜5构成，且各微透镜5 与所述激光二极管阵列中的各激光二极管1一一对应，而所述快轴准直镜4 则布置在激光二极管阵列和微透镜阵列之间。各激光二极管1射出的激光束 经快轴准直镜4准直，再分别透过对应的微透镜5出射后即形成平行的准直 激光束。

本实施例中所述光栅3采用的是啁啾光栅，其倾斜(45°)布置于前述 平行的准直激光束的出射路径上构成外腔。所述激光二极管1的中心波长均 为785nm，而光栅3上对应于所述各准直激光束的入射点区域分别刻线形 成不同的光栅周期，刻线分别为1795/mm和1805/mm，对应的周期则分别 为1/1795(mm)和1/1805(mm)，各准直激光束经该光栅3衍射后形成同 向输出且具有波长差异的零级反射光束和沿原路返回相应激光二极管1内 部参与谐振腔内部模式竞争的一级衍射光束。

本实施例中所述光纤合路输出装置由光纤耦合透镜6和光纤合路器7 构成，所述光纤耦合透镜6的数量为一个，用于将经由前述光栅3出射的零 级反射光束汇聚至光纤合路器7进行波长输出。

本实施例中所述控制器8内部设有连接并驱动各激光二极管1独立通断 的电源切换电路。

本发明的工作原理如下：

激光二极管阵列和前端的准直激光校准光学元件确保平行准直激光束 的产生。阵列中的激光二极管1均匀且并排布置，它们射出的激光束经快轴 准直镜4准直，再分别透过对应的微透镜5出射后即形成平行的准直激光束。

平行的准直激光束入射至前端的光栅3上，虽然入射点位置不同，但经 光栅3衍射后产生的衍射角θ则相同，如图4。本案中由于光栅3采用特殊 结构，其上对应于各准直激光束的入射点区域分别具有不同的光栅周期，根 据光栅衍射公式“2d·sinθ＝m·λ”，可知周期d的差异保证了各准直激光束 经光栅3衍射后的输出波长λ也不同。因本例中入射角θ为45°时，根据公 式“2d·sinθ＝m·λ”，理论上可获得波长分别为787.8nm和783.5nm的双 波长激光。

本案中各激光二极管1是预先固定的，对于不同波长输出的切换是依靠 控制器8内的电源切换电路来实现，通过电路的切换使得各激光二极管1独 立通断，完成各自的波长输出。当然本案只是拉曼光谱仪的前端激光发射装 置，各激光二极管1经光栅3衍射产生的波长不等的输出光束由光纤合路器 7收集后，分别激发样品以获得(由拉曼光谱仪内部的感应器检测)两组荧 光背景的拉曼光谱(可参见图1所示)，最后通过处理器差分运算合成获得 荧光抑制良好的拉曼光谱(可参见图2所示)。

当然上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉 此项技术的人能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的 保护范围。凡根据本发明主要技术方案的精神实质所做的修饰，都应涵盖在 本发明的保护范围之内。