CN102445273A - 一种用于测量低波数拉曼信号的装置 - Google Patents

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韩文鹏
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Abstract

本发明公开了一种用于测量低波数拉曼信号的装置，包括：激发光源；体光栅带通滤光片，用于过滤掉激光的等离子线而纯化激光线；第一体光栅陷波滤光片，位于体光栅带通滤光片将激光反射后的光路上；显微物镜，用于将由第一体光栅陷波滤光片反射来的激光聚焦到样品上来激发拉曼光谱信号；第二体光栅陷波滤光片和第三体光栅陷波滤光片，位于样品拉曼信号光经显微物镜收集并穿过体光栅陷波滤光片之后的光路上；三个支撑底座；聚焦透镜，用于将由第三体光栅陷波滤光片透过来的拉曼信号汇聚入单光栅光谱仪的入口；以及单光栅光谱仪，用于收集拉曼信号。本发明可以用来探测小至5波数的拉曼光谱信号，将在研究材料的低频拉曼光谱方面发挥重要作用。

Description

一种用于测量低波数拉曼信号的装置
技术领域
本发明涉及拉曼光谱测试技术领域，尤其涉及一种用于测量低波数拉曼信号的装置，可用于超低频率拉曼光谱学。
背景技术
众所周知，随着现代科技的发展，各种应用于拉曼光谱测试的滤光片应运而生。这些滤光片使得不再需要数个单色仪来过滤激发光，从而让拉曼光谱仪变得非常小巧。到目前为止，使用陷波滤光片和边带滤光片的单光栅拉曼光谱仪已经占据了主要的拉曼光谱仪市场。在这里，陷波滤光片和边带滤光片既起着把激发光反射到样品上的作用，又起着过滤散射信号中瑞利线的作用。
在拉曼光谱测量中，很多时候人们希望获得非常靠近激发光的低波数拉曼信号，但传统的配备陷波滤光片和边带滤光片的单光栅拉曼光谱仪一般仅能测到高于50波数的拉曼信号。而低于50波数的拉曼光谱信号通常需要三光栅拉曼光谱仪来测量。这时，由于光栅和反射镜等效率的原因，三光栅拉曼光谱仪的光谱信号透过率通常只有单光栅拉曼光谱仪的1/10，甚至更低。由于很多低波数拉曼信号的强度都非常弱，这就为广泛地研究各种测量的低波数拉曼信号带来很大的困难。
因此，如何利用单光栅拉曼光谱仪这种光谱信号透过率高的特点来测量低波数拉曼信号，是当前拉曼光谱测量技术所需要迫切解决的一个问题。
另外，随着技术的进步，市场上已经有带宽可小到10波数的陷波滤光片，这些陷波滤光片由体光栅制作而成。由于体光栅陷波滤光片的带宽非常小，如何利用它们来测量低波数拉曼信号也是目前需要解决的主要技术问题。
发明内容
(一)要解决的技术问题
有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种用于测量低波数拉曼信号的装置，以利用单个光栅测量低到5波数的低波数拉曼信号，同时测量位于激发光两侧的斯托克斯和反斯托克斯拉曼信号。
(二)技术方案
为达到上述目的，本发明提供了一种用于测量低波数拉曼信号的装置，该装置包括：激发光源LS；体光栅带通滤光片VGBF，位于激光光路上，用于过滤掉激光的等离子线而纯化激光线，同时将激发光源LS发出的激光反射到第一体光栅陷波滤光片VG1；第一体光栅陷波滤光片VG1，位于体光栅带通滤光片VGBF将激光反射后的光路上，将激光反射到显微物镜OB1；显微物镜OB1，用于将由第一体光栅陷波滤光片VG1反射来的激光聚焦到样品SMP上来激发拉曼光谱信号；第二体光栅陷波滤光片VG2和第三体光栅陷波滤光片VG3，位于样品拉曼信号光经显微物镜OB1收集并穿过体光栅陷波滤光片VG1之后的光路上；三个支撑底座(BS1、BS2和BS3)，分别用来固定第一体光栅陷波滤光片VG1、第二体光栅陷波滤光片VG2和第三体光栅陷波滤光片VG3；聚焦透镜OB2，用于将由第三体光栅陷波滤光片VG3透过来的拉曼信号汇聚入单光栅光谱仪SPEC的入口；以及单光栅光谱仪SPEC，用于收集拉曼信号。
上述方案中，所述体光栅带通滤光片VGBF的带宽小于10波数，衍射效率大于90％。
上述方案中，所述第一体光栅带通滤光片VG1、第二体光栅陷波滤光片VG2和第三体光栅陷波滤光片VG3的带宽均小于10波数。
上述方案中，所述第一体光栅带通滤光片VG1、第二体光栅陷波滤光片VG2和第三体光栅陷波滤光片VG3的衰减均大于99.9％。
上述方案中，所述三个支撑底座(BS1、BS2和BS3)用于在水平方向和竖直方向精细地调节三个体光栅陷波滤光片的角度，将三个体光栅陷波滤光片的工作波长调节到与激发光波长一致。
上述方案中，所述体光栅带通滤光片VGBF以及三个体光栅陷波滤光片(VG1、VG2和VG3)的工作波长与激发光源LS发出的激光波长相匹配。
(三)有益效果
从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：
1、本发明提供的用于测量低波数拉曼信号的装置，可以用来探测小至5波数的拉曼光谱信号，将在研究材料的低频拉曼光谱方面发挥重要作用。
2、本发明提供的用于测量低波数拉曼信号的装置，可以应用于各种样品的显微拉曼光谱测试，用来测试样品的低波数拉曼光谱信号。
附图说明
为进一步说明本发明的内容及特点，以下结合附图及实施例对本发明方法作一详细的描述，其中：
图1是本发明提供的用于测量低波数拉曼信号的装置的结构示意图。
图2是利用本发明提供的用于测量低波数拉曼信号的装置所测的五层石墨烯的低波数拉曼谱。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
目前所有的单光栅拉曼光谱仪都使用传统的陷波滤光片和边带滤光片来测量拉曼光谱，这使得单光栅拉曼光谱仪一般仅能测到高于50波数的拉曼信号，要实现单光栅拉曼光谱仪的低波数拉曼光谱的测量，就必须采用截止波数带宽很小的陷波滤光片。目前，较为成熟的新型陷波滤光片为利用体光栅做的陷波滤光片，简称体光栅陷波滤光片，其截止波数带宽可小到10波数。同时，利用体光栅做的带通滤光片的带通波数带宽可小到7波数。
为了将体光栅陷波滤光和体光栅带通滤光片有机地组合起来，并提高拉曼光谱的透过率，本发明提供了如图1所示的用于测量低波数拉曼信号的装置，该装置包括：激发光源LS；体光栅带通滤光片VGBF，位于激光光路上，用于过滤掉激光的等离子线而纯化激光线，同时将激发光源LS发出的激光反射到第一体光栅陷波滤光片VG1；第一体光栅陷波滤光片VG1，位于体光栅带通滤光片VGBF将激光反射后的光路上，将激光反射到显微物镜OB1；显微物镜OB1，用于将由第一体光栅陷波滤光片VG1反射来的激光聚焦到样品SMP上来激发拉曼光谱信号；第二体光栅陷波滤光片VG2和第三体光栅陷波滤光片VG3，位于样品拉曼信号光经显微物镜OB1收集并穿过体光栅陷波滤光片VG1之后的光路上；三个支撑底座(BS1、BS2和BS3)，分别用来固定第一体光栅陷波滤光片VG1、第二体光栅陷波滤光片VG2和第三体光栅陷波滤光片VG3；聚焦透镜OB2，用于将由第三体光栅陷波滤光片VG3透过来的拉曼信号汇聚入单光栅光谱仪SPEC的入口；以及单光栅光谱仪SPEC，用于收集拉曼信号。
其中，所述体光栅带通滤光片VGBF的带宽小于10波数，衰减大于99.9％。所述第一体光栅带通滤光片VG1、第二体光栅陷波滤光片VG2和第三体光栅陷波滤光片VG3的带宽均小于10波数，衰减均大于99.9％。所述三个支撑底座(BS1、BS2和BS3)用于在水平方向和竖直方向精细地调节三个体光栅陷波滤光片的角度，将三个体光栅陷波滤光片的工作波长调节到与激发光波长一致。
另外，所述体光栅带通滤光片VGBF以及三个体光栅陷波滤光片(VG1、VG2和VG3)的工作波长与激发光源LS发出的激光波长相匹配。
如图1所示，本发明将体光栅带通滤光片VGBF放在激光光路上，同时起到把激光反射到第一体光栅陷波滤光片VG1上，使得激光可以聚焦到样品激发其拉曼光谱信号，同时也用来消除激光的噪声。当样品所激发的拉曼信号和瑞利信号经物镜OB1收集并穿过第一体光栅陷波滤光片VG1后，其中的瑞利信号被后面的第二体光栅陷波滤光片VG2和第三体光栅陷波滤光片VG3所去除，而低波数和其他拉曼信号则透过第二体光栅陷波滤光片VG2和第三体光栅陷波滤光片VG3，经聚焦透镜OB2汇聚到单光栅光谱仪SPEC进行测量。
利用本发明提供的用于测量低波数拉曼信号的装置，测试了五层石墨烯的低波数拉曼谱，如图2所示。可以看到，能测到其位于40波数的拉曼光谱信号，而低于40波数的背景非常低，如果有拉曼信号在此范围，也应该能观察到，说明本发明提供的用于测量低波数拉曼信号的装置具有良好的探测低波数拉曼光谱信号的能力，可以广泛地用于各种材料的拉曼光谱研究。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种用于测量低波数拉曼信号的装置，其特征在于，该装置包括：
激发光源(LS)；
体光栅带通滤光片(VGBF)，位于激光光路上，用于过滤掉激光的等离子线而纯化激光线，同时将激发光源(LS)发出的激光反射到第一体光栅陷波滤光片(VG1)；
第一体光栅陷波滤光片(VG1)，位于体光栅带通滤光片(VGBF)将激光反射后的光路上，将激光反射到显微物镜(OB1)；
显微物镜(OB1)，用于将由第一体光栅陷波滤光片(VG1)反射来的激光聚焦到样品(SMP)上来激发拉曼光谱信号；
第二体光栅陷波滤光片(VG2)和第三体光栅陷波滤光片(VG3)，位于样品拉曼信号光经显微物镜(OB1)收集并穿过体光栅陷波滤光片(VG1)之后的光路上；
三个支撑底座(BS1、BS2和BS3)，分别用来固定第一体光栅陷波滤光片(VG1)、第二体光栅陷波滤光片(VG2)和第三体光栅陷波滤光片(VG3)；
聚焦透镜(OB2)，用于将由第三体光栅陷波滤光片(VG3)透过来的拉曼信号汇聚入单光栅光谱仪(SPEC)的入口；以及
单光栅光谱仪(SPEC)，用于收集拉曼信号。
2.根据权利要求1所述的用于测量低波数拉曼信号的装置，其特征在于，所述体光栅带通滤光片(VGBF)的带宽小于10波数，衍射效率大于90％。
3.根据权利要求1所述的用于测量低波数拉曼信号的装置，其特征在于，所述第一体光栅带通滤光片(VG1)、第二体光栅陷波滤光片(VG2)和第三体光栅陷波滤光片(VG3)的带宽均小于10波数。
4.根据权利要求1所述的用于测量低波数拉曼信号的装置，其特征在于，所述第一体光栅带通滤光片(VG1)、第二体光栅陷波滤光片(VG2)和第三体光栅陷波滤光片(VG3)的衰减均大于99.9％。
5.根据权利要求1所述的用于测量低波数拉曼信号的装置，其特征在于，所述三个支撑底座(BS1、BS2和BS3)用于在水平方向和竖直方向精细地调节三个体光栅陷波滤光片的角度，将三个体光栅陷波滤光片的工作波长调节到与激发光波长一致。
6.根据权利要求1所述的用于测量低波数拉曼信号的装置，其特征在于，所述体光栅带通滤光片(VGBF)以及三个体光栅陷波滤光片(VG1、VG2和VG3)的工作波长与激发光源(LS)发出的激光波长相匹配。
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