阅读说明：本技术 一种基于贝塞尔光的探头式拉曼光谱仪 (Probe type Raman spectrometer based on Bessel light ) 是由 陈雪利 任枫 闫胚娆 王楠 詹勇华 曾琦 于 2020-03-31 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种基于贝塞尔光的探头式拉曼光谱仪,包括激光器、光谱仪和探头模块,激光器,用于发射高斯光束；探头模块,用于通过传输光纤接收激光器发射的高斯光束,并利用高斯光束转换为贝塞尔光束照射到样本上激发出瑞利散射信号和拉曼散射信号,收集样本反射的瑞利散射信号和拉曼散射信号,滤除瑞利散射信号并保留拉曼散射信号,耦合拉曼散射信号到传输光纤；光谱仪,用于接收探头模块收集的拉曼散射信号。本发明利用贝塞尔光束具有无衍射性和自恢复性的本质,对样品进行更深层的检测并提高所测样品的拉曼光谱的信噪比,使本发明的系统更适合应用于在体或活体等散射样本,同时,本发明将系统模块化,使组装和携带更加方便。(The invention relates to a probe type Raman spectrometer based on Bessel light, which comprises a laser, a spectrometer and a probe module, wherein the laser is used for emitting Gaussian beams; the probe module is used for receiving a Gaussian beam emitted by the laser through the transmission optical fiber, converting the Gaussian beam into a Bessel beam to irradiate a sample to excite a Rayleigh scattering signal and a Raman scattering signal, collecting the Rayleigh scattering signal and the Raman scattering signal reflected by the sample, filtering the Rayleigh scattering signal, retaining the Raman scattering signal, and coupling the Raman scattering signal to the transmission optical fiber; and the spectrometer is used for receiving the Raman scattering signals collected by the probe module. The invention utilizes the essence that Bessel light beams have no diffraction and self-recovery to carry out deeper detection on a sample and improve the signal to noise ratio of the Raman spectrum of the detected sample, so that the system is more suitable for scattering samples such as in vivo or living bodies, and meanwhile, the system is modularized, so that the assembly and the carrying are more convenient.)

一种基于贝塞尔光的探头式拉曼光谱仪

技术领域

本发明属于拉曼光谱技术领域，具体涉及一种基于贝塞尔光的探头式拉曼光谱仪。

背景技术

拉曼光谱是一种散射光谱，拉曼光谱技术是对与入射光频率不同的散射光谱进行分析得到分子振动、转动方面的信息，并应用于分子结构研究的一种方法，拉曼光谱技术分析样品时的光源为一定频率的单色光，单色光入射到介质中会产生两种不同的散射过程，其中一种散射光的频率与入射光频率相同，称为瑞利散射光；另一种散射光频率与入射光频率不同，成为拉曼散射光，拉曼光谱技术用其中频率发生变化的散射光来分析物质结构，该技术目前应用于生物医学、药物化学、刑事调查、材料科学、食品安全和环境监测等领域。

传统的拉曼检测技术一般采用高斯光束进行优化并照射到样本上来采集信号，多会聚焦在样本的表面进行检测，且遇到不均匀散射介质时，高斯光束的聚焦深度限制在两倍的瑞利距离内。

传统的拉曼检测技术主要存在两方面的问题，一是由于光在自由空间传播会发生衍射的本质以及镜头的影响，高斯光束的聚焦深度限制在两倍的瑞利距离内，无法对具有一定深度的样本进行很好的聚焦而探测到信号；二是散射介质会影响高斯光束的聚焦状态，甚至经过一定深度的散射介质后，高斯光束无法形成聚焦状态，不利于在体或者活体样本的检测。

发明内容

为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种基于贝塞尔光的探头式拉曼光谱仪。

本发明的一个实施例提供了一种基于贝塞尔光的探头式拉曼光谱仪，包括激光器、探头模块和光谱仪，其中，

激光器，用于发射高斯光束；

探头模块，用于通过传输光纤接收所述激光器发射的所述高斯光束，并利用所述高斯光束转换成贝塞尔光束照射到样本上激发出瑞利散射信号和拉曼散射信号，收集样本反射的所述瑞利散射信号和所述拉曼散射信号，滤除所述瑞利散射信号并保留所述拉曼散射信号，耦合所述拉曼散射信号到传输光纤；

光谱仪，用于接收探所述头模块收集的所述拉曼散射信号。

本发明的一个实施例中，所述探头模块包括：贝塞尔光生成模块，用于通过传输光纤接收所述激光器发射的所述高斯光束，并利用所述高斯光束转换成的贝塞尔光束照射到样本上激发出所述瑞利散射信号和所述拉曼散射信号；拉曼信号收集模块，用于滤除所述瑞利散射信号并保留所述拉曼散射信号，耦合所述拉曼散射信号到传输光纤。

本发明的一个实施例中，所述贝塞尔光生成模块包括第一光束质量优化模块、第一环形狭缝光产生模块、第一二向色镜和第一会聚透镜，所述第一光束质量优化模块、所述第一环形狭缝光产生模块、所述第一二向色镜和所述第一会聚透镜沿所述激光器发射的第一高斯光束的光路依次设置，所述拉曼信号收集模块包括第一反射镜、第一滤波模块和第一耦合透镜，所述第一反射镜沿所述第一二向色镜的反射方向设置，所述第一滤波模块和所述第一耦合透镜沿所述第一反射镜反射的所述第一瑞利散射信号和所述第一拉曼散射信号的光路依次设置，其中，

所述第一光束质量优化模块，用于将所述激光器发射的所述第一高斯光束进行空间滤波、光谱滤波和扩束得到第一优化光束；

所述第一环形狭缝光产生模块，用于将所述第一优化光束转换成第一环形狭缝光束；

所述第一二向色镜，用于使小于或者等于所述第一高斯光束波长的所述第一环形狭缝光束通过；

所述第一会聚透镜，用于会聚所述第一二向色镜通过的所述第一环形狭缝光束并转换成第一贝塞尔光束，所述第一贝塞尔光束照射到样本上激发出第一瑞利散射信号和第一拉曼散射信号，所述第一会聚透镜将所述第一瑞利散射信号和所述第一拉曼散射信号会聚至所述第一二向色镜上；

所述第一二向色镜，还用于将所述第一会聚透镜会聚的大于所述第一高斯光束波长的所述第一瑞利散射信号和所述第一拉曼散射信号反射至所述第一反射镜上；

所述第一反射镜，用于将所述第一瑞利散射信号和所述第一拉曼散射信号反射到所述第一滤波模块上；

所述第一滤波模块，用于滤除反射到所述第一滤波模块上的所述第一瑞利散射信号和所述第一拉曼散射信号中的所述第一瑞利散射信号，并保留所述第一拉曼散射信号；

所述第一耦合透镜，用于耦合所述第一拉曼散射信号到所述传输光纤。

本发明的一个实施例中，所述贝塞尔光生成模块包括第二光束质量优化模块、第二环形狭缝光产生模块、第二反射镜、第二二向色镜和第二会聚透镜，所述第二光束质量优化模块、所述第二环形狭缝光产生模块和所述第二反射镜沿所述激光器发射的第二高斯光束的光路依次设置，所述第二二向色镜沿所述第二反射镜的反射方向设置，所述第二会聚透镜沿所述第二二向色镜的反射方向设置，所述拉曼信号收集模块包括第二滤波模块和第二耦合透镜，所述第二滤波模块和所述第二耦合透镜沿所述第二会聚透镜会聚的第二瑞利散射信号和第二拉曼散射信号的光路依次设置，其中，

所述第二光束质量优化模块，用于将所述激光器发射的所述第二高斯光束进行空间滤波、光谱滤波和扩束得到第二优化光束；

所述第二环形狭缝光产生模块，用于将所述第二优化光束转换成第二环形狭缝光束；

所述第二反射镜，用于将所述第二形狭缝光束进行反射得到第二反射光束；

所述第二二向色镜，用于将小于所述第二高斯光束波长的所述第二反射光束进行反射得到第三反射光束；

所述第二会聚透镜，用于会聚所述第三反射光束转换成第二贝塞尔光束，所述第二贝塞尔光束照射到样本上激发出所述第二瑞利散射信号和所述第二拉曼散射信号，所述第二会聚透镜将所述第二瑞利散射信号和所述第二拉曼散射信号会聚至所述第二二向色镜上；

所述第二二向色镜，还用于使大于所述第二高斯光束波长的所述第二瑞利散射信号和所述第二拉曼散射信号通过；

所述第二滤波模块，用于滤除所述第二二向色镜通过的所述第二瑞利散射信号和所述第二拉曼散射中的所述第二瑞利散射信号，并保留所述第二拉曼散射信号；

所述第二耦合透镜，用于耦合所述第二拉曼散射信号到所述传输光纤。

本发明的一个实施例中，所述贝塞尔光生成模块包括第三光束质量优化模块、第三反射镜和第一贝塞尔光产生模块，所述第三光束质量优化模块和所述第三反射镜沿所述激光器发射的第三高斯光束的光路依次设置，所述第一贝塞尔光产生模块沿所述第三反射镜的反射方向设置，所述拉曼信号收集模块包括第三会聚透镜、第三滤波模块和第三耦合透镜，所述第三会聚透镜、所述第三滤波模块和所述第三耦合透镜沿所述第三会聚透镜会聚的第三瑞利散射信号和第三拉曼散射信号的光路依次设置，其中，

所述第三光束质量优化模块，用于将所述激光器发射的所述第三高斯光束进行空间滤波、光谱滤波和扩束得到第三优化光束；

所述第三反射镜，用于将所述第三优化光束反射转换成第四反射光束；

所述第一贝塞尔光产生模块，用于将所述第四反射光束转换成第三贝塞尔光束，所述第三贝塞尔光束照射到所述样本上激发出所述第三瑞利散射信号和所述第三拉曼散射信号；

所述第三会聚透镜，用于将所述第三瑞利散射信号和所述第三拉曼散射信号会聚至所述第三滤波模块上；

所述第三滤波模块，用于滤除所述第三瑞利散射信号和所述第三拉曼散射信号中的所述第三瑞利散射信号，保留所述第三拉曼散射信号；

所述第三耦合透镜，用于耦合所述第三拉曼散射信号到所述传输光纤。

在本发明的一个实施例中，所述贝塞尔光生成模块包括第四光束质量优化模块和第二贝塞尔光产生模块，所述第四光束质量优化模块和所述第二贝塞尔光产生模块沿所述激光器发射的第四高斯光束的光路依次设置，所述拉曼信号收集模块包括第四会聚透镜、第四反射镜、第四滤波模块和第四耦合透镜，所述第四会聚透镜和所述第四反射镜沿所述第四会聚透镜会聚的第四瑞利散射信号和第四拉曼散射信号的光路依次设置，所述第四滤波模块和所述第四耦合透镜所述第四反射镜的反射方向依次设置，其中，

所述第四光束质量优化模块，用于将所述激光器发射的所述第四高斯光束进行空间滤波、光谱滤波和扩束得到第四优化光束；

所述第二贝塞尔光产生模块，用于将所述第四优化光束转换成第四贝塞尔光束，所述第四贝塞尔光束照射到所述样本上激发出所述第四瑞利散射信号和所述第四拉曼散射信号；

所述第四会聚透镜，用于将所述第四瑞利散射信号和所述第四拉曼散射信号汇聚至所述第四反射镜上；

所述第四反射镜，用于将所述第四瑞利散射信号和所述第四拉曼散射信号反射至所述第四滤波模块上；

所述第四滤波模块，用于滤除所述第四瑞利散射信号和所述第四拉曼散射信号中的所述第四瑞利散射信号，并保留所述第四拉曼散射信号；

所述第四耦合透镜，用于耦合所述第四拉曼散射信号到所述传输光纤。

在本发明的一个实施例中，所述贝塞尔光生成模块包括第五光束质量优化模块和第一空间光调制器，所述第五光束质量优化模块和所述第一空间光调制器沿所述激光器发射的第五高斯光束的光路依次设置，所述拉曼信号收集模块包括第五会聚透镜、第五滤波模块和第五耦合透镜，所述第五会聚透镜、所述第五滤波模块和所述第五耦合透镜沿所述第五会聚透镜会聚的第五瑞利散射信号和第五拉曼散射信号的光路依次设置，其中，

所述第五光束质量优化模块，用于将所述激光器发射的所述第五高斯光束进行空间滤波、光谱滤波和扩束得到第五优化光束；

所述第一空间光调制器，用于将所述第五优化光束转换成第五贝塞尔光束，并将第五贝塞尔光束反射到样本上激发出所述第五瑞利散射信号和所述第五拉曼散射信号；

所述第五会聚透镜，用于会聚所述第五瑞利散射信号和所述第五拉曼散射信号到所述第五滤波模块；

所述第五滤波模块，用于滤除所述第五瑞利散射信号和所述第五拉曼散射信号中的所述第五瑞利散射信号，并保留所述第五拉曼散射信号；

所述第五耦合透镜，用于耦合所述第五拉曼散射信号到所述传输光纤。

在本发明的一个实施例中，所述贝塞尔光生成模块包括第一光纤模块，所述第一光纤模块沿所述激光器发射的第六高斯光束的光路进行设置，所述拉曼信号收集模块包括第六会聚透镜、第六滤波模块和第六耦合透镜，所述第六会聚透镜、所述第六滤波模块和所述第六耦合透镜沿所述第六会聚透镜会聚的第六瑞利散射信号和第六拉曼散射信号的光路依次设置，其中，

所述第一光纤模块，用于将所述激光器发射的所述第六高斯光束进行耦合得到第七高斯光束，并将所述第七高斯光束转换成第六贝塞尔光束，所述第六贝塞尔光束照射到所述样本上激发出所述第六瑞利散射信号和所述第六拉曼散射信号；

所述第六会聚透镜，用于会聚所述第六瑞利散射信号和所述第六拉曼散射信号到所述第六滤波模块上；

所述第六滤波模块，用于滤除所述第六瑞利散射信号和所述第六拉曼散射信号中的所述第六瑞利散射信号，并保留所述第六拉曼散射信号；

所述第六耦合透镜，用于耦合所述第六拉曼散射信号到所述传输光纤。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

本发明提供了一种基于贝塞尔光的探头式拉曼光谱仪，包括激光器、探头模块和光谱仪，利用贝塞尔光束具有无衍射性和自恢复性的本质，对样品进行更深层的检测并提高所测样品的拉曼光谱的信噪比，同时，本发明将系统模块化，使组装和携带更加方便。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种基于贝塞尔光的探头式拉曼光谱仪的结构示意图；

图2是本发明实施例提供的一种探头模块的结构示意图；

图3是本发明实施例提供的探头模块的第一种结构示意图；

图4是本发明实施例提供的探头模块的第二种结构示意图；

图5是本发明实施例提供的探头模块的第三种结构示意图；

图6是本发明实施例提供的探头模块的第四种结构示意图；

图7是本发明实施例提供的探头模块的第五种结构示意图；

图8是本发明实施例提供的探头模块的第六种结构示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例一

请参见图1，图1是本发明实施例提供的一种基于贝塞尔光的探头式拉曼光谱仪的结构示意图，本发明实施例提供的一种基于贝塞尔光的探头式拉曼光谱仪，包括激光器、探头模块和光谱仪，其中，

激光器1，用于发射高斯光束；

探头模块2，用于通过传输光纤接收所述激光器1发射的所述高斯光束，并利用所述高斯光束转换成贝塞尔光束照射到样本上激发出瑞利散射信号和拉曼散射信号，收集样本反射的所述瑞利散射信号和所述拉曼散射信号，滤除所述瑞利散射信号并保留所述拉曼散射信号，耦合所述拉曼散射信号到传输光纤；

光谱仪3，用于接收所述探头模块2收集的所述拉曼散射信号。

本发明实施例提供的一种基于贝塞尔光的探头式拉曼光谱仪包括激光器、探头模块和光谱仪，激光器1、探头模块2和光谱仪3可集成到一个箱体中，探头模块2可固定到箱体上，也可通过可伸缩光纤连接到箱体实现可插拔安装，光纤的长度不少于1m，工作过程中，探头模块2可从箱体拉伸出来远距离照射样本，不会影响拉曼散射信号的接收，此箱体还可以有线连接控制电脑(笔记本或平板)，在控制电脑上可以通过调节激光器1功率的大小控制发射的高斯光束的光束强度，调节光谱仪3的积分时间和增益控制接收拉曼散射信号的灵敏度和信噪比。激光器1、探头模块2和光谱仪3也可同时放置于同一个光学平台上使用，使用方式与上述方式相同。利用激光器1产生单色性好、窄带宽的高斯光束，通过探头模块2产生贝塞尔光束，照射到样本上激发出瑞利散射信号和拉曼散射信号，由探头模块2收集样本反射的瑞利散射信号和拉曼散射信号，滤除其中的瑞利散射信号，由光谱仪3接收过滤后的拉曼散射信号，进而对样品进行更深层的检测并提高所测样品的拉曼光谱的信噪比，同时，本发明将系统模块化，使组装和携带更加方便。

激光器1发射的高斯光束的波长532nm～1064nm，用于为系统提供高功率、窄线宽和传输稳定的特定波长的光束；光谱仪3的探测波段为532nm～660nm、785nm～1100nm、1064nm～1600nm，用于对所采集的不同波长的拉曼散射信号进行分光处理。

具体地，请参见图2，图2是本发明实施例提供的一种探头模块的结构示意图，所述探头模块2包括：

贝塞尔光生成模块21，用于通过传输光纤接收所述激光器1发射的所述高斯光束，并利用所述高斯光束转换成的贝塞尔光束照射到样本上激发出瑞利散射信号和拉曼散射信号；

拉曼信号收集模块22，用于滤除所述瑞利散射信号并保留所述拉曼散射信号，耦合所述拉曼散射信号到传输光纤。

探头模块2的模块化设计尽可能的避免了环境光对拉曼光谱仪的干扰，便于设备的组装和携带。

本发明提供了一种基于贝塞尔光的探头式拉曼光谱仪，包括激光器1、探头模块2和光谱仪3，激光器1可通过传输光纤接发射高斯光束，贝塞尔光生成模块21接收所述高斯光束并转换成贝塞尔光束，所述贝塞尔光束照射到样本上激发出瑞利散射信号和拉曼散射信号，拉曼信号收集模块22收集样本反射的瑞利散射信号和拉曼散射信号，并滤除瑞利散射信号保留拉曼散射信号。利用贝塞尔光束具有无衍射性和自恢复性的本质，可对样品进行更深层的检测并提高所测样品的拉曼光谱的信噪比，同时，本发明将系统模块化，使组装和携带更加方便。

实施例二

请参见图3，图3是本发明实施例提供的探头模块的第一种结构示意图，本实施例在实施例一的基础上，以一种具体实施方式对贝塞尔光生成模块和拉曼信号收集模块进行介绍。

具体地，所述贝塞尔光生成模块21包括第一光束质量优化模块2111、第一环形狭缝光产生模块2112、第一二向色镜2113和第一会聚透镜2114，所述第一光束质量优化模块2111、所述第一环形狭缝光产生模块2112、所述第一二向色镜2113和所述第一会聚透镜2114沿所述激光器1发射的第一高斯光束的光路依次设置，所述拉曼信号收集模块22包括第一反射镜2211、第一滤波模块2212和第一耦合透镜2213，所述第一反射镜2211沿所述第一二向色镜2113的反射方向设置，所述第一滤波模块2212和所述第一耦合透镜2213沿所述第一反射镜2211反射的第一瑞利散射信号和第一拉曼散射信号的光路依次设置，其中，

所述第一光束质量优化模块2111，用于将所述激光器1发射的所述第一高斯光束进行空间滤波、光谱滤波和扩束得到第一优化光束；

所述第一环形狭缝光产生模块2112，用于将所述第一优化光束转换成第一环形狭缝光束；

所述第一二向色镜2113，用于使小于或者等于所述第一高斯光束波长的所述第一环形狭缝光束通过；

所述第一会聚透镜2114，用于会聚所述第一二向色镜2113通过的所述第一环形狭缝光束并转换成第一贝塞尔光束，所述第一贝塞尔光束照射到样本上激发出所述第一瑞利散射信号和所述第一拉曼散射信号，所述第一会聚透镜2114将所述第一瑞利散射信号和所述第一拉曼散射信号会聚至所述第一二向色镜2113上；

所述第一二向色镜2113，还用于将所述第一会聚透镜(2114)会聚的大于所述第一高斯光束波长的所述第一瑞利散射信号和所述第一拉曼散射信号反射至所述第一反射镜2211上；

所述第一反射镜2211，用于将所述第一瑞利散射信号和所述第一拉曼散射信号反射到所述第一滤波模块2212上；

所述第一滤波模块2212，用于滤除反射到所述第一滤波模块2212上的所述第一瑞利散射信号和所述第一拉曼散射信号中的所述第一瑞利散射信号，并保留所述第一拉曼散射信号；

所述第一耦合透镜2213，用于耦合所述第一拉曼散射信号到所述传输光纤。

具体地，环形狭缝光产生模块同一时间可以由两个轴棱锥、一个空间光调制器、一个环形光纤或一个同心环形狭缝中的任意一种组成。

举例说明：首先由激光器1发出波长为532nm±1nm(由于拉曼散射强度与激发波长的四次方成反比，因此532nm波长激发样本能够获得较强的拉曼信号)、光斑大小为1mm的高斯光束，通过传输光纤耦合到探头模块2，其中传输光纤要求传输率在90％以上，且传输波段需要包括激发波长所在波段，光纤和探头模块2的连接端口为SMA905。高斯光束进入探头模块2后首先通过由一个透镜聚焦f＝50mm和一个透镜焦距f＝250mm组成的4f透镜系统准直以及扩束到5mm。并在透镜组中间的焦点处放置一个中心波长为532nm±0.2nm，半高宽为1nm±0.2nm的带通窄带滤波片以提高光谱分辨率。第一环形狭缝光产生模块2112由一对面对面放置的轴棱锥组成(镀膜的轴棱锥具有更大的顶角，更小的径向波矢，同时也意味着有更大的中心光斑和各圆环半径以及更长的无衍射距离，传输波段为350nm-700nm)可将通过的高斯光束转换成环形光束；第一二向色镜2113能让小于或等于激光器1激发光束波长的环形狭缝光束通过，让大于激光器1激发光束波长的环形狭缝光束不通过，放置角度与光束传输方向成45°角；第一会聚透镜2114将第一二向色镜2113通过的环形光束转换成贝塞尔光束并照射到样本上激发出第一瑞利散射信号和第一拉曼散射信号，此环形光束的尺寸需要比会聚透镜的入瞳尺寸小；第一反射镜的放置角度与光束传输方向成45°角，并与第一二向色镜2113保持平行；同时，第一会聚透镜2113可收集样品上反射的第一瑞利散射信号和第一拉曼散射信号，第一滤波模块2212由一个长通滤波片(要求波长大于532nm的光束透过率为95％以上，以便将瑞利散射光滤除地更干净)和一个陷波滤波片(阻带中心波长为532nm)组成，主要用于滤除反射光束中的第一瑞利散射信号并保留第一拉曼散射信号，要求滤波片所在平面垂直于光路；第一耦合透镜2213用于将第一拉曼散射信号耦合到传输光纤。本实施例中产生贝塞尔光束的方法为“环缝-透镜法”，此方法产生的贝塞尔光束与高斯光束对比，拥有最小的光斑大小和最长的景深。

实施例三

请参见图4，图4是本发明实施例提供的探头模块的第二种结构示意图，本实施例在实施例一的基础上，以另一种具体实施方式对贝塞尔光生成模块和拉曼信号收集模块进行介绍。

具体地，所述贝塞尔光生成模块21包括第二光束质量优化模块2121、第二环形狭缝光产生模块2122、第二反射镜2123、第二二向色镜2124和第二会聚透镜2125，所述第二光束质量优化模块2121、所述第二环形狭缝光产生模块2122和所述第二反射镜2123沿所述激光器1发射的第二高斯光束的光路依次设置，所述第二二向色镜2124沿所述第二反射镜2123的反射方向设置，所述第二会聚透镜2125沿所述第二二向色镜2124的反射方向设置，所述拉曼信号收集模块22包括第二滤波模块2221和第二耦合透镜2222，所述第二滤波模块2221和所述第二耦合透镜2222沿所述第二会聚透镜2125会聚的第二瑞利散射信号和第二拉曼散射信号的光路依次设置，其中，

所述第二光束质量优化模块2121，用于将所述激光器1发射的所述第二高斯光束进行空间滤波、光谱滤波和扩束得到第二优化光束；

所述第二环形狭缝光产生模块2122，用于将所述第二优化光束转换成第二环形狭缝光束；

所述第二反射镜2123，用于将所述第二形狭缝光束进行反射得到第二反射光束；

所述第二二向色镜2124，用于将小于或者等于所述第二高斯光束波长的所述第二反射光束进行反射得到第三反射光束；

所述第二会聚透镜2125，用于会聚所述第三反射光束转换成第二贝塞尔光束，所述第二贝塞尔光束照射到样本上激发出所述第二瑞利散射信号和所述第二拉曼散射信号，所述第二会聚透镜2125将所述第二瑞利散射信号和所述第二拉曼散射信号会聚至所述第二二向色镜2124上；

所述第二二向色镜2124，还用于使大于所述第二高斯光束波长的所述第二瑞利散射信号和所述第二拉曼散射信号通过；

所述第二滤波模块2221，用于滤除所述第二二向色镜2124通过的所述第二瑞利散射信号和所述第二拉曼散射中的所述第二瑞利散射信号，并保留所述第二拉曼散射信号；

所述第二耦合透镜2222，用于耦合所述第二拉曼散射信号到所述传输光纤。

具体地，环形狭缝光产生模块可以由两个轴棱锥、空间光调制器、环形光纤或同心环形狭缝组成。

举例说明：第二光束质量优化模块2121由一个4f透镜系统和一个窄带滤波片组成，4f透镜系统对激光器发出的高斯光束进行扩束，窄带滤波片可提高激光器1发出的高斯光束的单色性，4f透镜系统例如由两个透镜组成，窄带滤波片例如为陷波滤波片，例如，首先由激光器1发出波长为532nm±1nm(由于拉曼散射强度与激发波长的四次方成反比，因此532nm波长激发样本能够获得较强的拉曼信号)、光斑大小为1mm的高斯光束，通过传输光纤耦合到探头模块2，其中传输光纤要求传输率在90％以上，且传输波段需要包括激发波长所在波段，光纤和探头模块2的连接端口为SMA905。高斯光束进入探头模块2后首先通过由一个透镜聚焦f＝50mm和一个透镜焦距f＝250mm组成的4f透镜系统准直以及扩束到5mm。并在透镜组中间的焦点处放置一个中心波长为532nm±0.2nm，半高宽为1nm±0.2nm的带通窄带滤波片以提高光谱分辨率。第二环形狭缝光产生模块2122由一对面对面放置的轴棱锥组成(镀膜的轴棱锥具有更大的顶角，更小的径向波矢，同时也意味着有更大的中心光斑和各圆环半径以及更长的无衍射距离，传输波段为350nm-700nm)可将通过的高斯光束转换成环形光束；第二二向色镜2124能让小于或等于激光器1激发光束波长的环形狭缝光束通过，让大于激光器1激发光束波长的环形狭缝光束不通过，放置角度与光束传输方向成45°角；第二会聚透镜2125将第二二向色镜2124通过的环形光束转换成贝塞尔光束并照射到样本上激发出第二瑞利散射信号和第二拉曼散射信号，此环形光束的尺寸需要比第二会聚透镜2125的入瞳尺寸小；第二反射镜2123的放置角度与光束传输方向成45°角，并与第二二向色镜2124保持平行；第二滤波模块2221由一个长通滤波片(要求波长大于532nm的光束透过率为95％以上，以便将瑞利散射光滤除地更干净)和一个陷波滤波片(阻带中心波长为532nm)组成，主要用于滤除反射光束中的第二瑞利散射信号并保留第二拉曼散射信号，要求滤波片所在平面垂直于光路；第二耦合透镜2222用于将第二拉曼散射信号耦合到传输光纤。本实施例中产生贝塞尔光束的方法为“环缝-透镜法”，此方法产生的贝塞尔光束与高斯光束对比，拥有最小的光斑大小和最长的景深。

实施例四

请参见图5，图5是本发明实施例提供的探头模块的第三种结构示意图，本实施例在实施例一的基础上，以另一种具体实施方式对贝塞尔光生成模块和拉曼信号收集模块进行介绍。

具体地，所述贝塞尔光生成模块21包括第三光束质量优化模块2131、第三反射镜2132和第一贝塞尔光产生模块2133，所述第三光束质量优化模块2131和所述第三反射镜2132沿所述激光器1发射的第三高斯光束的光路依次设置，所述第一贝塞尔光产生模块2133沿所述第三反射镜2132的反射方向设置，所述拉曼信号收集模块22包括第三会聚透镜2231、第三滤波模块2232和第三耦合透镜2233，所述第三会聚透镜2231、所述第三滤波模块2232和所述第三耦合透镜2233沿所述第三会聚透镜2231会聚的第三瑞利散射信号和第三拉曼散射信号的光路依次设置，其中，

所述第三光束质量优化模块2131，用于将所述激光器1发射的所述第三高斯光束进行空间滤波、光谱滤波和扩束得到第三优化光束；

所述第三反射镜2132，用于将所述第三优化光束反射转换成第四反射光束；

所述第一贝塞尔光产生模块2133，用于将所述第四反射光束转换成第三贝塞尔光束，所述第三贝塞尔光束照射到所述样本上激发出所述第三瑞利散射信号和所述第三拉曼散射信号；

所述第三会聚透镜2231，用于将所述第三瑞利散射信号和所述第三拉曼散射信号会聚至所述第三滤波模块2232上；

所述第三滤波模块2232，用于滤除所述第三瑞利散射信号和所述第三拉曼散射信号中的所述第三瑞利散射信号，保留所述第三拉曼散射信号；

所述第三耦合透镜2233，用于耦合所述第三拉曼散射信号到所述传输光纤。

具体地，贝塞尔光产生模块21可以由环形狭缝光产生模块和会聚透镜组成，也可以由一个轴棱锥组成，环形狭缝光产生模块由两个轴棱锥、空间光调制器、环形光纤或同心环形狭缝组成。

举例说明：首先由激光器1发出波长为532nm±1nm(由于拉曼散射信号强度与高斯光束波长的四次方成反比，因此532nm波长激发样本能够获得较强的拉曼散射信号)、光斑大小为1mm的高斯光束，通过传输光纤耦合到探头模块2，其中传输光纤要求传输率在90％以上，且传输波段需要包括高斯光束波长所在波段，光纤和探头模块2连接端口为SMA905。高斯光束进入探头模块2后首先通过由一个透镜聚焦f＝50mm和一个透镜焦距f＝250mm组成的4f透镜系统准直以及扩束到5mm。并在透镜组中间的焦点处放置一个中心波长为532nm±0.2nm，半高宽为1nm±0.2nm的带通窄带滤波片以提高光谱分辨率。本实施例中贝塞尔光产生的方法为轴棱锥法，轴棱锥法是由一块轴棱锥(底角为2°，镀膜，传输波段为350nm-700nm)构成，用于将第三光束质量优化模块2131转换成的高斯光束转换成无衍射距离约为152.6mm、中心光斑尺寸约为11.68um(二者均为理论值)的贝塞尔光束并照射到样本上激发出第三瑞利散射信号和第三拉曼散射信号(最终的无衍射距离将由进入轴棱锥之前的光斑尺寸和轴棱锥相关参数共同决定，可根据实际需求进行选择)；第三会聚透镜2231将样本激发出的第三瑞利散射信号和第三拉曼散射信号会聚后发射到第三反射镜2132，通过第三会聚透镜2231的光束的尺寸需要比会聚透镜的入瞳尺寸小；第三反射镜2132，放置位置与入射光路夹角为90°到180°之间，将第三会聚透镜2231会聚的第三瑞利散射信号和第三拉曼散射信号反射到第三滤波模块2232；第三滤波模块2232由一个长通滤波片(要求在大于532nm的光束透过率为95％以上)和一个陷波滤波片(阻带中心波长为532nm)组成，主要用于滤除第三瑞利散射信号并保留第三拉曼散射信号；第三耦合透镜2233用于将第三拉曼散射信号耦合到传输光纤。

利用轴棱锥产生的贝塞尔光束中心光斑往往在几微米到几十微米量级。如果要增大中心光斑半径，可选用折射率更小的轴棱锥，选用平面与圆锥面夹角更小的轴棱锥以及选用更长波长的激光光源。如果要获得更长的无衍射距离，则可以增大入射光的半径，可以减小轴棱锥的折射率和减小轴棱锥底角。利用轴棱锥产生贝塞尔光束相比狭缝-透镜法具有高得多的产生效率。且使用轴棱锥可以一定程度上消除轴上的光强抖动，获得更加光滑的轴上光强曲线。轴棱锥可以产生贝塞尔光束的优势在于：它的产生效率较高；它的器件装卸较为灵活简单。

实施例五

请参见图6，图6是本发明实施例提供的探头模块的第四种结构示意图，本实施例在实施例一的基础上，以另一种具体实施方式对贝塞尔光生成模块和拉曼信号收集模块进行介绍。

具体地，所述贝塞尔光生成模块21包括第四光束质量优化模块2141和第二贝塞尔光产生模块2142，所述第四光束质量优化模块2141和所述第二贝塞尔光产生模块2142沿所述激光器1发射的第四高斯光束的光路依次设置，所述拉曼信号收集模块22包括第四会聚透镜2241、第四反射镜2242、第四滤波模块2243和第四耦合透镜2244，所述第四会聚透镜2241和所述第四反射镜2242沿所述第四会聚透镜2241会聚的第四瑞利散射信号和第四拉曼散射信号的光路依次设置，所述第四滤波模块2243和所述第四耦合透镜2244沿所述第四反射镜2242的反射方向依次设置，其中，

所述第四光束质量优化模块2141，用于将所述激光器1发射的所述第四高斯光束进行空间滤波、光谱滤波和扩束得到第四优化光束；

所述第二贝塞尔光产生模块2142，用于将所述第四优化光束转换成第四贝塞尔光束，所述第四贝塞尔光束照射到所述样本上激发出所述第四瑞利散射信号和所述第四拉曼散射信号；

所述第四会聚透镜2241，用于将所述第四瑞利散射信号和所述第四拉曼散射信号汇聚至所述第四反射镜2242上；

所述第四反射镜2242，用于将所述第四瑞利散射信号和所述第四拉曼散射信号反射至所述第四滤波模块2243上；

所述第四滤波模块2243，用于滤除所述第四瑞利散射信号和所述第四拉曼散射信号中的所述第四瑞利散射信号，并保留所述第四拉曼散射信号；

所述第四耦合透镜2244，用于耦合所述第四拉曼散射信号到所述传输光纤。

具体地，贝塞尔光产生模块21可以由环形狭缝光产生模块和会聚透镜组成，也可以由一个轴棱锥组成，环形狭缝光产生模块由两个轴棱锥、空间光调制器、环形光纤或同心环形狭缝组成。

举例说明：首先由激光器1发出波长为532nm±1nm(由于拉曼散射信号强度与高斯光束波长的四次方成反比，因此532nm波长激发样本能够获得较强的拉曼散射信号)、光斑大小为1mm的高斯光束，通过传输光纤耦合到探头模块2，其中传输光纤要求传输率在90％以上，且传输波段需要包括高斯光束波长所在波段，光纤和探头模块2连接端口为SMA905。高斯光束进入探头模块2后首先通过由一个透镜聚焦f＝50mm和一个透镜焦距f＝250mm组成的4f透镜系统准直以及扩束到5mm。并在透镜组中间的焦点处放置一个中心波长为532nm±0.2nm，半高宽为1nm±0.2nm的带通窄带滤波片以提高光谱分辨率。本实施例中贝塞尔光产生的方法为轴棱锥法，轴棱锥法是由一块轴棱锥(底角为2°，镀膜，传输波段为350nm-700nm)构成，用于将第四光束质量优化模块2141转换成的高斯光束转换成无衍射距离约为152.6mm、中心光斑尺寸约为11.68um(二者均为理论值)的贝塞尔光束并照射到样本上激发出第四瑞利散射信号和第四拉曼散射信号(最终的无衍射距离将由进入轴棱锥之前的光斑尺寸和轴棱锥相关参数共同决定，可根据实际需求进行选择)；第四会聚透镜2241将样本激发出的第四瑞利散射信号和第四拉曼散射信号会聚后发射到第四反射镜2242，通过第四会聚透镜2241的光束的尺寸需要比会聚透镜的入瞳尺寸小；第四反射镜2242，放置位置与入射光路夹角为90°到180°之间，将第四会聚透镜2241会聚的第四瑞利散射信号和第四拉曼散射信号反射到第四滤波模块2243；第四滤波模块2243由一个长通滤波片(要求在大于532nm的光束透过率为95％以上)和一个陷波滤波片(阻带中心波长为532nm)组成，主要用于滤除第四瑞利散射信号并保留第四拉曼散射信号；第四耦合透镜2244用于将第四拉曼散射信号耦合到传输光纤。

利用轴棱锥产生的贝塞尔光束中心光斑往往在几微米到几十微米量级。如果要增大中心光斑半径，可选用折射率更小的轴棱锥，选用平面与圆锥面夹角更小的轴棱锥以及选用更长波长的激光光源。如果要获得更长的无衍射距离，则可以增大入射光的半径，可以减小轴棱锥的折射率和减小轴棱锥底角。利用轴棱锥产生贝塞尔光束相比狭缝-透镜法具有高得多的产生效率。且使用轴棱锥可以一定程度上消除轴上的光强抖动，获得更加光滑的轴上光强曲线。轴棱锥可以产生贝塞尔光束的优势在于：它的产生效率较高；它的器件装卸较为灵活简单。

实施例六

请参见图7，图7是本发明实施例提供的探头模块的第五种结构示意图，本实施例在实施例一的基础上，以另一种具体实施方式对贝塞尔光生成模块和拉曼信号收集模块进行介绍。

具体地，所述贝塞尔光生成模块21包括第五光束质量优化模块2151和第一空间光调制器2152，所述第五光束质量优化模块2151和所述第一空间光调制器2152沿所述激光器1发射的第五高斯光束的光路依次设置，所述拉曼信号收集模块22包括第五会聚透镜2251、第五滤波模块2252和第五耦合透镜2253，所述第五会聚透镜2251、所述第五滤波模块2252和所述第五耦合透镜2253沿所述第五会聚透镜2251会聚的第五瑞利散射信号和第五拉曼散射信号的光路依次设置，其中，

所述第五光束质量优化模块2151，用于将所述激光器1发射的所述第五高斯光束进行空间滤波、光谱滤波和扩束得到第五优化光束；

所述第一空间光调制器2152，用于将所述第五优化光束转换成第五贝塞尔光束，并将第五贝塞尔光束反射到样本上激发出所述第五瑞利散射信号和所述第五拉曼散射信号；

所述第五会聚透镜2251，用于会聚所述第五瑞利散射信号和所述第五拉曼散射信号到所述第五滤波模块2252；

所述第五滤波模块2252，用于滤除所述第五瑞利散射信号和所述第五拉曼散射信号中的所述第五瑞利散射信号，并保留所述第五拉曼散射信号；

所述第五耦合透镜2253，用于耦合所述第五拉曼散射信号到所述传输光纤。

举例说明：首先由激光器1发出波长为532nm±1nm(由于拉曼散射信号强度与高斯光束波长的四次方成反比，因此532nm波长激发样本能够获得较强的拉曼散射信号)、光斑大小为1mm的高斯光束，通过传输光纤耦合到探头模块2，其中传输光纤要求传输率在90％以上，且传输波段需要包括激发波长所在波段，光纤和探头模块2连接端口为SMA905。高斯光束进入探头模块2后首先通过由一个透镜聚焦f＝50mm和一个透镜焦距f＝250mm组成的4f透镜系统准直以及扩束到5mm。并在透镜组中间的焦点处放置一个中心波长为532nm±0.2nm，半高宽为1nm±0.2nm的带通窄带滤波片以提高光谱分辨率。第一空间光调制器2152用来将第五光束质量优化模块2151优化的高斯光束调制为贝塞尔光束并反射到样本上激发出第五瑞利散射信号和第五拉曼散射信号，第一空间光调制器2152的感光面的尺寸需要比第五光束质量优化模块2151扩束的高斯光束的尺寸大，且能将第五光束质量优化模块2151优化的高斯光束反射到第五会聚透镜2251的焦点位置；第五会聚透镜2251，将样本激发出的第五瑞利散射信号和第五拉曼散射信号会聚后发射到第五滤波模块2252，通过第五会聚透镜2251的光束的尺寸需要比会聚透镜的入瞳尺寸小；第五滤波模块2252由一个长通滤波片(要求在大于532nm的光束透过率为95％以上)和一个陷波滤波片(阻带中心波长为532nm)组成，主要用于滤除第五瑞利散射信号并保留第五拉曼散射信号；第五耦合透镜2253用于将第五拉曼散射信号耦合到传输光纤。

本实施例中产生贝塞尔光束是由空间光调制器控制，而空间光调制器可由计算机控制并进行编码，可调性强，最终输出的贝塞尔光束的中心光斑尺寸和无衍射距离都可在系统固定之后改变，因此本方案相比于其他方案更为灵活。

实施例七

请参见图8，图8是本发明实施例提供的探头模块的第六种结构示意图，本实施例在实施例一的基础上，以另一种具体实施方式对贝塞尔光生成模块和拉曼信号收集模块进行介绍。

具体地，所述贝塞尔光生成模块21包括第一光纤模块2161，所述第一光纤模块2161沿所述激光器1发射的第六高斯光束的光路进行设置，所述拉曼信号收集模块22包括第六会聚透镜2261、第六滤波模块2262和第六耦合透镜2263，所述第六会聚透镜2261、所述第六滤波模块2262和所述第六耦合透镜2263沿所述第六会聚透镜2261会聚的第六瑞利散射信号和第六拉曼散射信号的光路依次设置，其中，

所述第一光纤模块2161，用于将所述激光器1发射的所述第六高斯光束进行耦合得到第七高斯光束，并将所述第七高斯光束转换成第六贝塞尔光束，所述第六贝塞尔光束照射到所述样本上激发出所述第六瑞利散射信号和所述第六拉曼散射信号；

所述第六会聚透镜2261，用于会聚所述第六瑞利散射信号和所述第六拉曼散射信号到所述第六滤波模块2262上；

所述第六滤波模块2262，用于滤除所述第六瑞利散射信号和所述第六拉曼散射信号中的所述第六瑞利散射信号，并保留所述第六拉曼散射信号；

所述第六耦合透镜2263，用于耦合所述第六拉曼散射信号到所述传输光纤。

第一光纤模块2161，通过收光镜头接收激光器1发出的高斯光束进行耦合并发射到样本激发出第六瑞利散射信号和第六拉曼散射信号，第一光纤模块2161的出光口需要做成轴棱锥尖端的形状(锥角根据实际需求确定)，且其传输波段范围需大于激光器发出的高斯光束波长，传输率大于90％；第六会聚透镜2261，将样本激发出的第六瑞利散射信号和第六拉曼散射信号会聚后发射到第六滤波模块2262，通过第六会聚透镜2261的光束的尺寸需要比会聚透镜的入瞳尺寸小；第六滤波模块2262由一个长通滤波片(要求在大于532nm的光束透过率为95％以上)和一个陷波滤波片组成(阻带中心波长为532nm)，主要用于滤除第六瑞利散射信号并保留第六拉曼散射信号；第六耦合透镜用于将第六拉曼散射信号耦合到传输光纤。

在光纤端面加工正或负的角锥的方法具有的优势在于可以实现输出的贝塞尔光束的紧凑型贝塞尔光生产模块，不需要像轴棱锥繁琐地进行人工的调整。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。