CN103364386A - 深紫外激光拉曼光谱仪 - Google Patents

Abstract

本发明涉及拉曼光谱仪领域，公开了一种深紫外激光拉曼光谱仪。本发明所述的深紫外激光拉曼光谱仪，包括深紫外激光发射器、外光路、色散系统、接收系统和信息处理系统；所述深紫外激光发射器、所述外光路、所述色散系统、所述接收系统和所述信息接收系统依次连接；所述深紫外激光发射器发射出的激光的波长在210~230纳米范围内；所述外光路的前端采用的分光器为短通滤光片；所述色散系统采用可调滤光片。本发明所述的深紫外激光拉曼光谱仪，具有灵敏度高、照明点大、分辨率高、不损伤眼睛视力的特点。

Description

深紫外激光拉曼光谱仪

技术领域

 本发明涉及拉普光谱仪领域，尤其涉及一种深紫外激光拉普光谱仪。

背景技术

拉曼光谱（Raman spectra）是一种散射光谱。1928年C.V.拉曼在做实验的时候发现，当光穿过透明介质被分子散射的光发生频率变化，这一现象称之为拉曼散射。同年稍后在苏联和法国也被观察到。在透明介质的散射光谱中，频率与入射光频率υ0相同的成分称为瑞利散射；频率对称分布在υ0两侧的谱线或谱带υ0±υ1即为拉曼光谱。拉曼光谱分析法是基于拉曼散射的特有效应，对与入射光频率不同的散射光谱进行分析以得到分子振动、转动方面信息，并应用于分子结构研究的一种分析方法。后期则就有了拉曼光谱仪的诞生，其是用来探测物质分子的转动谱和振动谱，因为转动谱和振动谱相当于物质的指纹，从而通过拉曼光谱仪的探测可以准确的判别不同的物质成分，比一般的宽谱光谱仪的准确度高，应用范围遍及化学、物理学、生物学和医学等各个领域，对于纯定性分析、高度定量分析和测定分子结构都有很大价值。但是其灵敏度不够高，对于探测物质的散射截面在10^-27以下，则探测不到，即只能探测到眼睛看得见的毫克级物质，对于眼睛看不见的微量物质则无法识别。同时，对于可见光和近紫外激光由于不能将荧光分开，从而不能准确识别；近红外光虽然能大致的将荧光分开，但是仍受到干扰，使得信噪比降低，并且可见光、近紫外激光和近红外光会透过眼球损坏视网膜，并非拉曼光谱仪探测光源的选择对象。另外，如果在野外或者室内环境光（灯光、太阳光等）的干扰也不能使用。即使使用，也必须对观察腔体遮光。目前的拉曼光谱仪大多数采用的是显微镜结构的共焦同轴系统，对荧光无法完全滤掉，会产生很强的底光。 其使用0.1毫米以下的狭缝和使用大F数（一般为F/4）的反射光栅进行分光处理，然后使用灵敏度不高的CCD列阵接收，因此现有的拉曼光谱仪只能照明几个微米的物体，探测几个毫米的距离，并且体积还很大。由于现有拉曼光谱仪没有成像系统，无法观察和找到所要探测的目标。所以，为了观察一个稍微大一点的区域，就必须使用专门的扫描平台，然后又因为照明点很小，则扫描速度会很慢。所以现有的拉曼光谱仪存在以下缺点：

（1）灵敏度低；

（2）照明点小；

（3）荧光分不开；

（4）目标看不见；

（5）容易损伤眼睛视力。

发明内容

本发明实施例的目的是：提供一种深紫外激光拉曼光谱仪，具有灵敏度高、照明点大、分辨率高、不损伤眼睛视力的特点。

本发明实施例提供的一种深紫外激光拉曼光谱仪，包括深紫外激光发射器、外光路、色散系统、接收系统和信息处理系统；所述深紫外激光发射器、所述外光路、所述色散系统、所述接收系统和所述信息接收系统依次连接；所述深紫外激光发射器发射出的激光的波长在210~230纳米范围内；所述外光路的前端采用的分光器为短通滤光片；所述色散系统采用可调滤光片。

可选的，所述可调滤光片为窄带滤光片、声光可调滤光片或者液晶可调滤光片。

可选的，所述外光路的中继光路为准直光路。

可选的，所述外光路中的分光器的前端设置有变焦透镜。

可选的，所述外光路中的物镜为反射式或者投射式。

可选的，所述接收系统包括CCD成像系统和光谱探测器；所述CCD成像系统与所述光谱探测器点对点共轴融合。

可选的，所述光谱探测器为光电倍增管或者单个雪崩管。

可选的，所述信息处理系统为计算机、电脑、带中央处理器的触屏装置、智能手机中的任意一种。

本发明实施例的技术方案，是技术人员针对现有拉曼光谱仪存在的缺点，逐步改进而来的。如图1所示，是前期设计的离轴照明，使用的是F/1.3的90⁰透射光栅的波长为785纳米的近红外拉曼光谱仪，系统只接收激发的拉曼光谱，并且激光本底大多数会向镜面方向反射掉，从而CCD成像系统可以看到看不见的指纹，但是最终也只能照明300微米的区域和探测30毫米的距离。虽然说照明点的区域和探测距离都有所提升，但是还不能满足现有高科技领域的需要。所以，通过不断的实验和改进，要提到拉曼灵敏度的唯一办法，得向短波方向发展，因为灵敏度与波长的四次方成反比，波长越短，灵敏度越高，例如采用波长为224纳米的光源比采用波长为785纳米的光源的灵敏度要高出151倍。为此，也有设计波长在260纳米左右的中紫外拉曼光谱，如图2所示，其为远程探测目标的拉曼光谱仪，采用的是波长为266纳米或者262纳米的激光，其可以在室外30米外用0.1秒探测到0.1毫克的爆炸品，并且对眼睛是安全的，但是由于0.1毫米的狭缝和F/4的光栅以及长焦距的望远镜，在30米的光点也只有2厘米。因此，要扫描1公里长，2米宽的路面去寻找临时目标得花上好几个月的时间，这在战场上和野外使用是不实际的。继而技术人员通过对光源的波长、外光路、色散系统都做出了相应的改进，即才得以产生了本发明所述的深紫外激光拉曼光谱仪，其包括深紫外激光发射器、外光路、色散系统、接收系统和信息处理系统，所述深紫外激光发射器、所述中继光路、所述色散系统、所述接收系统和所述信息接收系统依次连接；所述接收系统包括CCD成像系统和光谱探测器。其中，所述深紫外激光发射器发射出的激光的波长控制在210~230纳米范围内，并且所述外光路的前端采用短通滤光片作为分光器，将波长较长的可见光和较短的拉曼光、荧光分开，即将可见光发射出去，通过拉曼光和荧光。从被测目标自然反射的可见光被CCD成像系统的CCD列阵接收，从而看到激光照射光点之外的区域，容易找到和观察所测目标。由于紫外激光是不可见的，光点大小又只有几个微米，又不能成像，则探测人员无法知道激光是否照到所需找的目标上。为了探测大的目标，必须取消狭缝和光栅，同时又必须分光，否则不能得到拉曼光谱，从而在色散系统中采用可调滤光片，所述可调滤光片可以是声光可调滤光片，也可以是液晶可调滤光片。让不同波长的光一个一个通过，然后让灵敏度高的单个雪崩管或者光电倍增管一个一个接收，并且组成光谱。由于雪崩管和光电倍增管的灵敏度比常用的CCD阵列高上百倍，探测灵敏度可达十亿分之几，即PPB纳克级左右。同时在选取可调滤光片时，可以有两种，一种是特定波长的窄带滤光片转动角度，则透过波长会想短波方向随角度移动，另一种为声光可调滤光片或者液晶可调滤光片。在外光路中，在分光器的前端采用变焦透镜，，可以使得光点大小和距离可调，同时所述外光路的中继光路为准直光路，则所述光谱探测器的聚焦点不受调焦的影响。所述CCD成像系统与所述光谱探测器点对点共轴融合，克服了现有拉曼光谱仪无法观测目标的确定。所述外光路中的物镜为发射式或者投射式。所述信息处理系统可以是计算机、电脑、带中央处理器的触屏装置，也可以是智能手机。综上所述，本发明所述的深紫外激光拉曼光谱仪，克服了现有拉曼光谱仪灵敏度低、照明点小、荧光分不开、目标看不见以及容易损伤眼睛视力的确定，并且还可以使用现有随手可及的电脑、智能手机作为信息处理系统，成本也就相应降低。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明的不当限定，在附图中：

图1为本发明实施例1提供的一种离轴照明的拉曼拉普仪的光路图；

图2为本发明实施例1提供的一种远程探测的拉曼光谱仪的光路图；

图3为本发明实施例1提供的一种深紫外激光拉曼拉普仪的原理框图；

图4为本发明实施例1提供的一种深紫外激光拉曼拉普仪的近距离光路图；

图5为本发明实施例2提供的一种深紫外激光拉曼拉普仪的远距离光路图。

具体实施方式

下面将结合附图以及具体实施例来详细说明本发明，在此本发明的示意性实施例以及说明用来解释本发明，但并不作为对本发明的限定。

实施例1：

如图1所示，为离轴照明的拉曼拉普仪的光路图，包括光源发生装置、外光路、色散系统、接收系统。所述光源发生装置由信号印刷电路板101、电池102、调制器103和发光管104组成；所述外光路包括扩束器105、镜子106、镜面发射激光槽107和透镜108；所述色散系统包括分光器109、狭缝110和光栅111，所述接收系统包括CCD成像系统112和光谱镜113。首先将所述光源发生装置开启，则所述发光管104发射出波长为785纳米激光，所述激光通过扩束器105改变所述激光的直径，然后镜子106将改变了直径的激光发射至探测目标上，所述探测目标则将激光再次发射，一部分通过透镜108中的凸透镜会聚作用，然后又通过凹透镜的发散出去；另一部分激光则直接通过镜面反射激光槽107作用, 滤掉噪声；上述通过透镜108的一部分激光发射后，其中一部分通过色散系统的分光器109、狭缝110和光栅111作用后，被上述接收系统的光谱镜113和CCD成像系统112接收；同时，通过透镜108的另一部分激光发射后，直接被CCD成像系统112接收。

根据上述结构和原理的分析，由于光源是波长为785纳米的激光，属于近红外光，所述离轴照明的拉曼拉普仪只能照明到300微米的区域和30毫米的距离，依然达不到人肉眼能够看到的范围。

如图2所示，为远程探测的拉曼光谱仪的光路图，包括光源发生装置、外光路、色散系统、接收系统和信号处理系统。所述光源发生装置由电源201和紫外拉曼发生器202组成，所述外光路包括镜子203、211、望远镜204，所述色散系统包括分光器205和射频陷波滤波器206，所述接收系统包括激光截光接收器相机207、耦合板208，信号处理系统包括电脑209和频谱显示器210。首先接通所述光源发生装置，则所述紫外拉曼发射器202发射出中紫外拉曼光，波长在260纳米左右，经过镜子203、211两次反射至望远镜204，将所述拉普光进行会聚作用，然后经过所述色散系统中的分光器205进行第一次分光，接着被射频陷波滤波器206进行滤波作用，并且通过光纤传输，输送至所述信号处理系统的频谱显示器210中；对于经过分光器212进行二次分光后，反射后的光束和折射后的光束都被所述激光截光接收器相机接收，然后通过耦合板208耦合后，传输至电脑209进行处理，最后显示在频谱显示器210上。

根据上述结构和原理的分析，与图1中所示的离轴照明的拉曼拉普仪相比，采用的光源波长要小很多，因为拉曼光谱仪的灵敏度与波长的四次方成反比，则所述远程探测的拉曼光谱仪的灵敏度要比离轴照明的拉曼拉普仪的灵敏度高得多，同时，所述远程探测的拉曼光谱仪可以在室外30米外仅需0.1秒就可探测到0.1毫克的目标，并且对眼睛没有任何伤害，但是照明点只有2厘米。因此，如果要扫描1公里长、2米宽的路面去寻找临时目标时，则需花上好几个月的时间，在战场或者野外使用完全不实际。

如图3所示，为本发明所述的深紫外激光拉曼拉普仪的原理框图，包括深紫外激光发射器301、外光路302、色散系统303、接收系统304和信息处理系统305，其中，所述深紫外激光发射器301、所述外光路302、所述色散系统303、所述接收系统304和所述信息接收系统305依次连接，所述接收系统304包括CCD成像系统309和光谱探测器306，所述光谱探测器306可以是光电倍增管，也可以是单个雪崩管。所述信息接收系统305为计算机、电脑、带中央处理器的触屏装置、智能手机中的任意一种，可选的范围比较大。所述深紫外激光发射器301发射出的激光的波长在210~230纳米范围内，所述外光路302的前端采用的分光器310为短通滤光片，所述短通滤光片可以反射可见光，通过拉曼光和荧光，所以从目标自然反射的可见光被CCD成像系统309中的CCD阵列接收，从而可以看到激光照射光点之外的区域，使得寻找和观察被测目标更加容易。所述色散系统303采用可调滤光片307，所述可调滤光片307可以是窄带滤光片，使用时可以将所述窄带滤光片转动角度，使得透过所述窄带滤光片的光谱朝着短波方向的角度移动。同时，所述可调滤光片307也可以是声光可调滤光片或者液晶可调滤光片。所述外光路302的中继光路为准直光路，并且在所述分光器310的前端设置有变焦透镜308，使得光点的大小和距离可调，并且所述光谱探测器306的聚焦点也不受调焦的影响。所述外光路302中的物镜可以是反射式也可以是投射式。

如图4所示，为本发明所述的深紫外激光拉曼拉普仪的近距离光路图，结合图3，其中包括发射出波长在在210~230纳米范围内的深紫外激光发射器301；所述外光路302由扩束器401、透镜403、镜子402、噪声抑制板404、变焦透镜308组成，所述变焦透镜308可以改变探测的距离和照明区域的大小；所述色散系统303由陷波滤波器405、透镜406、407、分光器310、可调滤光片307、带通滤光片408组成，所述分光器310为短通滤光片；所述接收系统304由CCD成像系统309中的CCD阵列、光电倍增管409组成；所述信息处理系统305为带中央处理器的触屏装置。其中，在所述外光路302中，扩束器401与镜子402之间设置有针孔410。首先给所述深紫外激光发射器301通电，发射出的深紫外激光通过扩束器401扩束后会聚至所述针孔410，被所述镜子402反射至透镜403，经过所述透镜403的准直作用后发射至所述噪声抑制板404，然后经过所述噪声抑制板404的发射至变焦透镜308，则所述深紫外激光最终经过所述变焦透镜308会聚至被探测目标上。从被测目标发射回来的深紫外激光、拉曼光谱好荧光经过然所述变焦透镜308准直成平行光后，经过所述噪声抑制板404，其中有害的深紫外激光被所述噪声抑制板404滤掉，再进一步被所述陷波滤波器405滤掉，接着通过所述分光器310，在此图中为短通滤光片的作用，将大于250纳米的荧光和可见光过滤掉，然后又通过所述带通滤光片408，最后由透镜406成像至所述CCD阵列上。其中被所述分光器310的作用，滤过的荧光和可见光通过所述可调滤光片307一个一个波长的选择通过，然后再通过透镜407会聚至所述光电倍增管409接收，并将接收到的信息反馈至所述带中央处理器的触屏装置，所述带中央处理器的触屏装置上则显示出中间为荧光、周围为可见光的目标像。与现有的显微镜拉普仪相比，容易捕捉和观察目标，分辨率可达7cm^-1，使得区别各种探测物毫无疑问。

实施例2：

如图5所示，为本发明所述的深紫外激光拉曼拉普仪的远距离光路图，结合图3，其中深紫外激光发射器301发射出的激光为波长为213纳米的深紫外激光；所述外光路302由扩束器501、镜子502、503、卡塞格伦望远镜504、透镜505组成；所述色散系统303由分光器506、508、陷波滤波器507、可调滤光片307、透镜509、511、515、带通滤光片510组成，所述分光器506为短通滤光片，所述分光器503为长通滤光片，并且在所述镜子502和镜子503之间设置有针孔512，在所述卡塞格伦望远镜504和分光器506之间设置有光栅513；所述接收系统304由CCD成像系统309中的CCD阵列、光电倍增管514、雪崩管516组成；所述信息处理系统305为电脑。首先，所述深紫外激光发射器301发射出波长为213纳米的深紫外激光，经过扩束器301扩束后，经镜子502发射，并经过针孔512后发散，在30米外的距离，照明直径为20厘米的目标区域内，所述深紫外激光经被探测目标发射后产生拉曼光谱和荧光。所述发射回的深紫外激光、拉曼光谱和荧光被所述卡塞格伦望远镜504接收后会聚到所述光栅513上，再由透镜505变成平行光射至所述分光器506上，所述分光器506为短通滤光片，将波长大于380纳米的自然可见光和波长大约380纳米的一部分荧光通过所述带通滤光片510发射至透镜509会聚到所述CCD阵列上成像，同时所述CCD阵列与所述电脑相连，则可以看到被探测目标在电脑中显示的图像，即中心处为荧光，周围为可见光区域，使得寻找和对准目标变得容易。同时，分光器506将短于308纳米的荧光、拉曼光谱、深紫外激光通过，然后经过所述陷波滤光器507将所述深紫外激光截止掉，接着通过分光器508将小于250纳米的拉曼光谱反射至所述可调滤光片307，然后由透镜511会聚到所述雪崩管516上，或者由透镜515会聚到光电倍增管514上，并且通过激光发生信号通道反馈至所述电脑并显示出对应的光谱图。同时，由分光器508透过的大于250纳米但又小于380纳米的荧光通过另一个可调滤光片（图中未画出）后由透镜（图中未画出）会聚到雪崩管516或者光电倍增管514上变成荧光光谱显示在电脑上。虽然说荧光光谱不想拉曼光谱那样尖锐而明确的辨别目标，但是在灵敏度东航比拉曼光谱高出借个数量级，对拉曼光谱无法探测的微量痕迹是大有帮助的。此外，如果采用激光分解爆炸品，会产生NO（一氧化氮）和OH（氢氧根），他们的荧光光谱是分立的，可以与其他物质的宽荧光光谱分开，达到探测拉曼无法探测的爆炸品微量痕迹的目的。与实施例1中的图4的近距离深紫外激光拉曼拉普仪相比，由于远距离拉曼系统比较大，将荧光光谱仪加入了，对于近距离来说，因体积小，则无需加荧光探测。

以上对本发明实施例所提供的技术方案进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明实施例的原理以及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只适用于帮助理解本发明实施例的原理；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明实施例，在具体实施方式以及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (8)

1.一种深紫外激光拉曼光谱仪，其特征在于：

包括深紫外激光发射器、外光路、色散系统、接收系统和信息处理系统；

所述深紫外激光发射器、所述外光路、所述色散系统、所述接收系统和所述信息接收系统依次连接；

所述深紫外激光发射器发射出的激光的波长在210~230纳米范围内；

所述外光路的前端采用的分光器为短通滤光片；

所述色散系统采用可调滤光片。

2.根据权利要求1所述的深紫外激光拉普光谱仪，其特征在于：

所述可调滤光片为窄带滤光片、声光可调滤光片或者液晶可调滤光片。

3.根据权利要求1所述的深紫外激光拉普光谱仪，其特征在于：

所述外光路的中继光路为准直光路。

4.根据权利要求1所述的深紫外激光拉普光谱仪，其特征在于：

所述外光路中的分光器的前端设置有变焦透镜。

5.根据权利要求1所述的深紫外激光拉普光谱仪，其特征在于：

所述外光路中的物镜为反射式或者投射式。

6.根据权利要求1所述的深紫外激光拉普光谱仪，其特征在于：

所述接收系统包括CCD成像系统和光谱探测器；

所述CCD成像系统与所述光谱探测器点对点共轴融合。

7.根据权利要求7所述的深紫外激光拉普光谱仪，其特征在于：

所述光谱探测器为光电倍增管或者单个雪崩管。

8.根据权利要求1所述的深紫外激光拉普光谱仪，其特征在于：

所述信息处理系统为计算机、电脑、带中央处理器的触屏装置、智能手机中的任意一种。

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