CN104076022A - 一种应用凹面光栅的便携式拉曼光谱仪 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种便携式拉曼光谱仪，特别涉及一种应用凹面光栅的便携式拉曼光谱仪，属于光谱技术领域。本发明由入射孔1、凹面光栅2、聚焦反射镜3和探测器4组成，经由入射孔1入射的拉曼散射光被凹面光栅2分光和准直后平行出射到聚焦反射镜3，被聚焦反射镜3汇聚后由探测器4接收。对比现有的拉曼光谱仪，本发明具有易于装调、便携性好、能量损耗低和分辨率高的特点。

Description

一种应用凹面光栅的便携式拉曼光谱仪

技术领域

本发明涉及一种便携式拉曼光谱仪，特别涉及一种应用凹面光栅的便携式拉曼光谱仪，属于光谱技术领域。

背景技术

现有的拉曼光谱仪多数为Czerny-Turner(C-T)结构，传统的Czerny-Turner(C-T)结构由两个反射镜和一个平面光栅组成，在装调时比较复杂，同时光能量在传输过程中损耗大。而中阶梯光栅光谱仪虽然分辨率高，但需要两个分光元件，经过多次反射能量损耗更大，结构更为复杂。平场光栅光谱仪由一个单独的凹面光栅组成，但工作需要的横向长度较大，近似等于凹面光栅的曲率半径，不利于便携性，且分辨率不够高。所以，现有的拉曼光谱仪结构都不能同时满足高分辨率、便携性和低能量损耗的要求。

发明内容

本发明针对现有拉曼光谱仪光学结构存在的问题，提出了一种应用凹面光栅的便携式拉曼光谱仪。

本发明的技术方案如下：

一种应用凹面光栅的便携式拉曼光谱仪，包括入射孔、凹面光栅、聚焦反射镜和探测器，经由入射孔入射的拉曼散射光被凹面光栅分光和准直后平行出射到聚焦反射镜，被聚焦反射镜反射汇聚后由探测器接收。

拉曼散射光由所述入射孔进入所述拉曼光谱仪，入射孔作用是减少外界杂散光进入系统。

所述凹面光栅的作用是对入射光进行分光和准直，入射光经过凹面光栅衍射后平行出射。

由凹面光栅出射的平行光入射到所述聚焦反射镜后汇聚出射，聚焦反射镜为球面反射镜。

所述探测器为线阵CCD，其作用是接收汇聚的光线。

有益效果

对比现有拉曼光谱仪，本发明具有以下优点：

将光谱仪光学结构中准直镜的准直作用和分光系统的分光作用由一个凹面光栅独立完成，使结构更加简单紧凑，减小光能量在传输中的损耗，易于装调。

聚焦镜和凹面光栅组成的结构比单独应用凹面光栅的结构缩短了一半横向长度，提高了便携性。且在数值孔径一定时横向长度越小，所需要的凹面光栅面积越小，所以本结构也节省了器件所需的原材料。

附图说明

图1为本发明应用凹面光栅的便携式拉曼光谱仪的光路结构示意图；

图2为实施例探测器接受面上不同波长对应的点列图；其中(a)为614.2和614.5nm的点列图，(b)为537.7nm和538nm的点列图；

图3为由实施例拉曼光谱仪所得到的子午方向的光学传递函数(MTF)曲线；其中(a)为614nm的MTF曲线，(b)为538nm的MTF曲线；

图4为实施例拉曼光谱仪在整个波段内像面上点列图半径的均方根(RMS)值；

附图标记：1-入射孔；2-凹面光栅；3-球面反射镜；4-探测器。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的目的和作用作进一步详细说明。

一种应用凹面光栅的便携式拉曼光谱仪，如图1所示，包括：入射孔1、凹面光栅2、聚焦反射镜3和探测器4。

所述入射孔1用于将待检测的拉曼散射光导入所述拉曼光谱仪，同时减少外界的杂散光进入；采用的是数值孔径NA＝0.12的光纤。

所述凹面光栅2的作用是对入射光进行分光和准直；本发明将传统C-T结构中的准直镜和分光光栅由一个凹面光栅代替，减小了系统的体积和光能量的损耗。

所述聚焦反射镜3的作用是对经由所述凹面光栅2衍射后的平行出射光进行汇聚；采用的是球面反射镜。

所述探测器用于接收经聚焦反射镜汇聚后的光线；采用的是线阵CCD。

本实施例拉曼光谱仪为分光光谱仪而非成像光谱仪，所以主要考虑子午面内的参数，在弧矢面保证能量集中即可。入射孔1为数值孔径0.12的光纤；凹面光栅2为球面光栅，曲率半径为160mm，面半径为16.5mm，光栅的倾角为21.5度，光栅常数为1/600mm，光栅的衍射级为1；聚焦反射镜3为球面反射镜，曲率半径为200mm，面半径为8.7mm，倾角为2度；探测器4为线阵CCD，分辨率为1024﹡64像素，每个像素大小为7μm﹡7μm，倾角为4.5度。

其中入射孔1到凹面光栅2的水平距离为105mm；凹面光栅2到聚焦反射镜3的水平距离为101mm；聚焦反射镜3到探测器4的距离为78.2mm。

下面给出本实施例拉曼光谱仪在ZEMAX光学设计软件中的试验评估结果。

如图2所示，(a)和(b)分别为614.2和614.5nm的点列图、537.7nm和538nm的点列图。在长波段和短波段，相差0.3nm的波长都能明显被区分开，证明分辨率达到0.3nm。

如图3所示，(a)和(b)分别为614nm和538nm处子午面内的光学传递函数(MTF)曲线。在空间频率为10lp/mm时，光学传递函数均大于0.9，证明子午方向能量损耗很小。

图4为本结构在538nm到614nm波段内点列图半径的均方根(RMS)值，在整个波段内点列图半径的均方根值均小于9μm，证明能量很集中，便于线阵CCD接收。

以上所述的具体描述，对发明的目的、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，用于解释本发明，并不用于限定本发明的保护范围，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 (3)

1.一种应用凹面光栅的便携式拉曼光谱仪，其特征在于，包括入射孔1、凹面光栅2、聚焦反射镜3和探测器4，经由入射孔1入射的拉曼散射光被凹面光栅2分光和准直后平行出射到聚焦反射镜3，被聚焦反射镜3反射汇聚后由探测器4接收。

2.根据权利要求1所述的一种应用凹面光栅的便携式拉曼光谱仪，其特征在于，所述聚焦反射镜3为球面反射镜。

3.根据权利要求1或2所述的一种应用凹面光栅的便携式拉曼光谱仪，其特征在于，所述探测器4为线阵CCD。