CN102147368B

CN102147368B - 一种Raman光谱检测系统

Info

Publication number: CN102147368B
Application number: CN2010106177740A
Authority: CN
Inventors: 陈和; 虞鸿基; 王玉诏; 张寅超; 陈思颖
Original assignee: Beijing Institute of Technology BIT
Current assignee: Beijing Institute of Technology BIT
Priority date: 2010-12-22
Filing date: 2010-12-22
Publication date: 2012-11-21
Anticipated expiration: 2030-12-22
Also published as: CN102147368A

Abstract

本发明涉及一种Raman光谱检测系统，包括激光脉冲、激光聚焦部件、Raman散射光收集部件、光栅分光部件、电控转台以及探测部件，其中激光脉冲经过激光聚焦部件聚焦后照射到样品，Raman散射光收集部件收集激发出的Raman散射光，经过准直扩束后入射到光栅分光部件，光栅分光部件将入射光线分成不同的波长再汇聚成一点，光栅分光部件包括光栅，所述光栅为拼接式光栅，固定在电控转台上，电控转台控制光栅转动，探测部件放置在光栅分光部件出射光线的焦点处进行探测，获得各个谱段的光强分布。本发明使用了拼接式光栅，在相同成本下提高了光谱分辨率。该系统集成在一个平台上，可用于气体和液体的检测，具有很好的便利性和通用性。

Description

一种Raman光谱检测系统

技术领域

本发明涉及一种光谱检测系统，特别涉及一种Raman光谱检测系统，属于光谱检测领域。

背景技术

Raman散射是分子在强激光的作用下发生内部能量变化从而改变散射光频率的一种非弹性散射机制，它属于分子振动光谱，是和物质种类有关的，能够反映散射物质的特征分子结构，而且Raman散射谱线特征峰狭窄，是物质检测的一种重要手段。

但是Raman散射是一个极其微弱的过程，它的强度一般只有入射光强度的10^-10，所以对于低浓度的物质要检测到Raman散射是一件非常困难的事情。通常检测Raman散射都会采用一些表面增强的办法，但是对于气体和液体，这些方法都不能通用。

发明内容

本发明的主要目的是针对现有技术的缺陷，设计一种新型的用于液体和气体检测的Raman光谱检测系统，增加对气体和液体中的Raman散射的收集率，在保持较低成本的同时提高光谱分辨率。

本发明提供了一种Raman光谱检测系统，包括激光脉冲、激光聚焦部件、Raman散射光收集部件、光栅分光部件、电控转台以及探测部件，其中激光脉冲经过激光聚焦部件聚焦后照射到样品，Raman散射光收集部件收集激发出的Raman散射光，经过准直扩束后入射到光栅分光部件，光栅分光部件将入射光线分成不同的波长再汇聚成一点，光栅分光部件包括光栅，所述光栅为拼接式光栅，固定在电控转台上，电控转台控制光栅转动，探测部件放置在光栅分光部件出射光线的焦点处进行探测，获得各个谱段的光强分布。

首先，在激光照射到样品之前必须聚焦，这样可以提高Raman激发的效率，可以获得更丰富的Raman散射谱线。而因为Raman散射的激发效率是很低的，所以必须采用汇聚的方式尽可能多地将Raman光能量收集起来。在本发明中使用了拼接式的光栅分光系统。对于光栅分光系统，为了保证足够的光谱分辨能力，需要有足够大的光栅面积和足够长的光路来确保最终会聚光斑的尺寸。一般来说，尺寸超过50mm×50mm的光栅是需要进行定制的，这会大大增加整个系统的成本。因此本发明提出可以使用两个小的50mm×50mm的全息光栅拼接后进行分光，这样做可能会增加系统中的杂散光，但是由于后面使用了折叠型光路，对于最终探测不会带来太大影响，这种拼接方法关键是增大了光栅表面积，从而可以使用刻划密度更高的光栅来获得更好的光谱分辨率，同时还保证了Raman散射光能量的利用率。

本发明还提出一种Raman散射光收集部件共用激光聚焦部件的方案。激光聚焦部件包括直角三棱镜和透镜一，Raman散射光收集部件包括透镜一、直角三棱镜、Raman散射光波段的全反射镜、透镜二，其中直角三棱镜对激光波长高透，对Raman散射波长高反，激光脉冲经过直角三棱镜和透镜一汇聚到样品，透镜一同时作为会聚透镜采集Raman后向散射光，经过直角三棱镜反射到全反射镜，再经过全反射镜反射到透镜二，经过透镜二聚焦后进入光栅分光部件。为了保证没有其他光进入检测系统，可以在激光通过样品后安置一个光陷来吸收杂光。

在本系统中为了同时适用于气体和液体，还可以设置一个样品放置台，样品放置台底部设置有可插入导气管的孔，以检测气体。在样品放置台上放置石英皿，可盛放和检测液体。

考虑到Raman散射强度非常得弱以及散射光收集效率也不高，在信号接收部分不用一般的CCD，而采用光电倍增管或光子计数器来提高光电转换效率，从而可以分辨出小信号来提高Raman检测的准确度。

有益效果

本发明所述Raman光谱检测系统和现有系统相比具有以下几个优点：

1、使用了拼接式的光栅分光系统，在相同成本下提高了Raman光谱检测系统的光谱分辨率。

2、该系统集成在一个平台上，可以用于气体和液体的Raman检测，具有很好的便利性和通用性。

附图说明

附图1.系统使用方法流程图。

附图2.Raman散射光收集部件示意图。

附图3.光栅分光部件及探测部件示意图。

附图4.Raman光谱检测仪俯视图。

附图5.Raman散射光收集部件放大图。

具体实施方式

其中，P1：直角三棱镜；P2：反射镜；L1：大视场角聚光物镜；L2：聚焦透镜；T：光陷；D：光电探测部件；M：反射镜；F：反射准直镜；G1，G2：拼接双光栅；P：电控转台；B：遮光板；1：激光器；2：待测样品；3：入射狭缝；4：出射狭缝；

下面结合附图，具体说明本发明的优选实施方式。

图1是系统的使用方法流程图，聚焦激光在样品上产生Raman散射，通过散射光收集部件准直扩束后入射到光栅分光部件，光栅分光后略偏于入射光路返回进入探测部件。高精度电控转台控制光栅转动来获得各个谱段的光强分布，从而实现Raman散射光谱检测的功能。

图2是Raman散射光收集系统示意图。在图2中，Raman散射光收集部件共用激光聚焦部件。激光聚焦部件包括直角三棱镜P1和透镜一L1，Raman散射光收集部件包括透镜一L1、直角三棱镜P1、Raman散射光波段的全反射镜P2、透镜二L2，其中直角三棱镜P1对激光波长高透，对Raman散射波长高反，激光脉冲经过直角三棱镜P1和透镜一L1汇聚到样品，该聚焦点可作为Raman散射光的点光源，设计测量的Raman散射的波带宽度为150nm。透镜一L1同时作为会聚透镜采集Raman后向散射光，该系统收集光的角度视场角为50度，经过L1后，收集到的Raman后向散射光为平行光，实际上不可能做到平行，大约有1度的发散角，但只需在经过L2后能满足进入光谱仪狭缝的要求就可以，经过直角三棱镜P1反射到全反射镜P2，再经过全反射镜P2反射到透镜二L2，经过透镜二L2聚焦后进入分光及探测部件。经过L2聚焦后的光束数值孔径足够小约0.02，焦点处腰斑直径也要足够小可以在此处加设光阑，从而满足后面光栅分光的要求。为了保证没有其他光进入检测系统，可以在激光通过样品后安置一个光陷T来吸收杂光。在实际搭建系统时，也可以将后向散射改为侧向散射，这样可以更好减少杂光的影响，但同时也会减弱Raman散射信号，可以根据需求进行调整。

图3是光栅分光部件及探测部件示意图。F为一长焦大直径的反射准直镜，聚焦的光通过光阑进入光栅分光部件，经过M反射镜反射，再经过反射准直镜F进行准直，使其平行入射到光栅。入射光经过反射镜准直后基本上可以认为是平行光。G1，G2为两块高刻划密度的闪耀光栅拼接而成的分光光栅，安装在转台P上，反射的光与入射光成一小角度原路返回到出射狭缝处。光栅在竖直方向上有一个小角度倾斜，回去的光在水平方向上是原光路返回，竖直方向上在焦点处与入射光有几个cm的偏差。通过在焦点处的探测部件进行信号接收，通过转动光栅来获得不同波长上的光子数信息。在这个分光系统中考虑到分辨率，必须保证转台的精度和稳定性，所以需要使用一个高精度高稳定性的电控转台P。

图4是根据本发明的思想实现的一个Raman光谱检测仪俯视结构图，Raman光谱检测仪由激光器、Raman散射光收集部件、电控转台、分光及探测部件组成。图5是该光谱检测仪Raman散射光收集部件的放大图。其中Raman散射光收集部件和分光部件外层为全封闭金属外壳，该外壳由热膨胀系数较小的金属制成，内部经过发黑处理以吸收杂散光。Raman散射光收集部件一端与激光器1相连，另一端与分光部件相连，Raman散射光收集部件和分光部件的连接面设置入射狭缝3，探测部件和分光部件的连接面设置出射狭缝4。在本实施例中，光子计数器直接与出射狭缝相连，光子计数器与计算机相连实现对所测Raman光谱的输出。

Claims

1.一种Raman光谱检测系统，包括激光脉冲、Raman散射光收集部件、光栅分光部件、电控转台以及探测部件，其中Raman散射光收集部件包括激光聚焦部件，激光脉冲经过激光聚焦部件聚焦后照射到样品，Raman散射光收集部件收集激发出的Raman散射光，经过准直扩束后入射到光栅分光部件，光栅分光部件将入射光线分成不同的波长再汇聚成一点，光栅分光部件包括光栅，光栅固定在电控转台上，电控转台控制光栅转动，探测部件放置在光栅分光部件出射光线的焦点处进行探测，获得各个谱段的光强分布，其特征在于，所述光栅为拼接式光栅；所述激光聚焦部件包括直角三棱镜(P1)和透镜一(L1)，Raman散射光收集部件包括透镜一(L1)、直角三棱镜(P1)、Raman散射光波段的全反射镜(P2)、透镜二(L2)，其中直角三棱镜(P1)对激光波长高透，对Raman散射波长高反，激光脉冲经过直角三棱镜(P1)和透镜一(L1)汇聚到样品，透镜一(L1)同时作为会聚透镜采集Raman后向散射光，经过直角三棱镜(P1)反射到全反射镜(P2)，再经过全反射镜(P2)反射到透镜二(L2)，经过透镜二(L2)聚焦后进入光栅分光部件；

所述光栅分光部件还包括反射镜(M)、反射准直镜(F)，其中反射准直镜

(F)为一长焦大直径的反射准直镜，Raman散射光从入射狭缝进入光栅分光部件后经过反射镜(M)反射，再经过反射准直镜(F)进行准直，平行入射到光栅，光栅在竖直方向上有一个小角度倾斜，使得反射的光在水平方向上是原光路返回，竖直方向上在出射焦点处与入射光有几个cm的偏差。

2.根据权利要求1所述的Raman光谱检测系统，其特征在于，在激光通过样品后的光路上放置一个光陷(T)以吸收杂光。

3.根据权利要求1或2所述的Raman光谱检测系统，其特征在于，还包括样品放置台，样品放置台底部设置有可插入导气管的孔，以检测气体。

4.根据权利要求3所述的Raman光谱检测系统，其特征在于，还包括在样品放置台上放置的石英皿以盛放液体。

5.根据权利要求1或2所述的Raman光谱检测系统，其特征在于，探测部件(D)为光子计数器或光电倍增管。

6.根据权利要求1或2所述的Raman光谱检测系统，其特征在于，所述光栅为拼接的两个50mm×50mm的全息光栅(G1、G2)。

7.根据权利要求1或2所述的Raman光谱检测系统，其特征在于，在Raman散射光收集部件出射光线聚焦处设置光阑。

8.根据权利要求1或2所述的Raman光谱检测系统，其特征在于，所述Raman散射光收集部件和光栅分光部件外层为全封闭金属外壳，内部经过发黑处理以吸收杂散光，Raman散射光收集部件一端与激光器(1)相连，另一端与光栅分光部件相连，Raman散射光收集部件和分光部件的连接面设置入射狭缝(3)，探测部件和分光部件的连接面设置出射狭缝(4)，探测部件另一端与计算机相连实现对所测Raman光谱的输出。