CN106353298A - 一种拉曼光谱仪 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种拉曼光谱仪。包括激光器、透镜、二向色镜、共焦显微镜头、光学系统、法布里‑珀罗可调滤波器、硅探测器；激光器发出的光线经过透镜后照射到所述二向色镜上，二向色镜将所述光线反射，经过反射后的光线经过共焦显微镜头照射到样品上，光线经样品后发生瑞利散射和拉曼散射，发生瑞利散射的散射光和发生拉曼散射后的散射光经共焦显微镜头后，再次射向二向色镜，二向色镜使散射光中的拉曼散射光透射、瑞利散射光和其他散杂光反射，经过二向色镜透射的拉曼散射光依次经过光学系统、法布里‑珀罗可调滤波器，由硅探测器对经过法布里‑珀罗可调滤波器的光线进行检测，得到光信号。本发明提供拉曼光谱仪具有体积小、成本低的优势。
Description
技术领域
本发明涉及宝石鉴定领域，特别是涉及一种拉曼光谱仪。
背景技术
随着珠宝市场的扩大，越来越多的人工宝石及假冒宝石出现在市场上，这些宝石在市场上以假乱真，以次充好。传统的宝石鉴定主要靠鉴定人员的经验,使用放大镜、比重计、显微镜、折射仪等手段。但是随着高新技术的发展，人工宝石的合成方法及优化处理宝石的方法也得到了促进，一些合成宝石具有同天然宝石一样的化学成分，晶体结构，以及物理性质，传统的鉴定技术已经不能满足宝石鉴定的需求。
光谱检测技术具有无损、快速、准确度高的优点，在宝石研究中得到广泛的关注和发展，是目前宝石鉴定较权威的分析方式。其中，拉曼光谱分析技术在物质的鉴定，分子结构的研究中有广泛的应用。然而，一般的拉曼光谱仪器中采用高精度的光栅分光系统，其价格昂贵，体积大，使得拉曼光谱检测技术在宝石鉴定中的广泛应用受到限制。
发明内容
本发明的目的是提供一种体积小、价格低的便携式拉曼光谱仪。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案
一种拉曼光谱仪，所述光谱仪包括：激光器、透镜、二向色镜、共焦显微镜头、光学系统、法布里-珀罗可调滤波器、硅探测器；
所述激光器发出的光线经过所述透镜后照射到所述二向色镜上，所述二向色镜将所述光线反射，经过反射后的所述光线经过所述共焦显微镜头照射到样品上，所述光线经样品后发生瑞利散射和拉曼散射，发生瑞利散射的散射光和发生拉曼散射后的散射光经所述共焦显微镜头后，再次射向所述二向色镜，所述二向色镜使所述散射光中的拉曼散射光透射、瑞利散射光反射，经过所述二向色镜透射的拉曼散射光依次经过所述光学系统、法布里-珀罗可调滤波器，由硅探测器对经过所述法布里-珀罗可调滤波器的光线进行检测，得到光信号。
可选的，所述拉曼光谱仪还包括放大器、A/D转换器和软件系统，所述软件系统包括参数优化模块、数据处理模块，所述由硅探测器检测到的光信号经过放大器的放大以及所述A/D转换器的转换后，由所述参数优化模块、所述数据处理模块对所述光信号进行优化处理。
可选的，所述软件系统还包括数据库匹配鉴定模块和数据库添加模块，所述数据库匹配鉴定模块用于将所述样品的拉曼光谱图数据与数据库里的天然宝石、人工宝石及假冒宝石的拉曼光谱图数据进行匹配，所述数据库添加模块用于向数据库中添加天然宝石、人工宝石或假冒宝石的拉曼谱图数据。
可选的，所述光学系统由两片透镜构成，用于汇聚所述拉曼散射光。
可选的，所述法布里-珀罗可调滤光器用于对所述光线进行分光。
可选的，所述法布里-珀罗可调滤光器采用微机电加工技术加工制造而成。
可选的，所述激光器为半导体激光器，所述激光器发出的激光波长范围为532nm-785nm，所述激光的功率为50-100mW，所述激光的带宽小于0.01nm，所述激光的光斑直径小于3μm。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：本发明提供的拉曼光谱仪中的二向色镜既起到了将光线反射到共焦显微镜头的作用，又起到了对样品散射的光进行过滤的作用，一个元件发挥了两个元件的功能，减少了元件的数量，缩小了光谱仪的体积，而且，本发明采用体积小的法布里-珀罗可调滤光器用于对光线进行分光，采用由两个透镜组成的光学系统汇聚散射光，进一步缩小了光谱仪的体积。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例拉曼光谱仪的结构示意图；
图2为本发明实施例拉曼光谱仪光学系统的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种体积小、成本低的便携式拉曼光谱仪。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
拉曼光谱检测技术基于光的非弹性散射，当激光入射到物质时产生斯托克斯非弹性散射，即拉曼位移，每种物质具有自己特定的拉曼位移，包括拉曼谱线数目，位移大小，谱线强度，其直接与测试样品的分子振动或转动能级有关，称为物质的“指纹”，由此可以对测试样品的组成成分和晶体结构进行表征，获取物质信息,达到测定、鉴别的目的。
图1为本发明实施例拉曼光谱仪的结构示意图，如图1所示，首先，激光器1发出的激光经过由透镜2和二向色镜3组成的光路后，经二向色镜反射，从共焦显微镜4射出，照射在样品5上，光线经样品发生瑞利散射和拉曼散射，散射光被共焦显微镜头收集，二向色镜使拉曼散射光透射，使瑞利散射光反射，滤除了信号中的瑞利散射光，提高信噪比，然后，拉曼信号通过光学系统6垂直入射到法布里-珀罗可调滤光器7进行分光，由硅探测器8检测光信号，最后，信号经放大器9和A/D转换器10，在显示器11上得到检测样品的拉曼光谱图，检测过程以及后续的数据处理，数据库匹配等均由软件系统12控制。
本发明中的激光器用于发射激光光源，发射的激光波长为532nm到785nm；二向色镜既用于改变激光光源方向，又具有对于样品的拉曼散射光能够使其全部通过，而掺杂在其中的瑞利散射光，激光杂散光等则会被反射，不能通过，达到滤除的效果，从而提高信噪比；共焦显微镜头用于收集散射光信号；光学系统的作用是会聚拉曼散射光，图2为本发明实施例拉曼光谱仪光学系统的结构示意图。如图2所示，光学系统由针孔光阑和准直透镜组成，针孔光阑601通过共焦显微镜4与样品上的采样点共焦，针孔光阑601用于提高位置精度和测量信噪比；准直透镜用于将显微镜出射的拉曼信号光准直为平行光，准直透镜由凸透镜602和凹透镜603组成，凸透镜602用于会聚通过针孔光阑601的光，凸透镜602能够将大部分通过针孔光阑601的光会聚起来，凹透镜603用于将凸透镜602会聚的光线转换成平行光，入射在法布里-珀罗可调滤光器上，从而实现分光的单色光信号检测。法布里-珀罗可调滤光器：主要由法布里-珀罗干涉仪原理实现，主要由两平行玻璃板组成，两平行玻璃板间存在一定的空隙间隔，两块玻璃板相对的内表面都具有高反射率，形成一干涉腔，拉曼信号光经光学系统后垂直入射到平行玻璃板上，上玻璃板上有一层薄膜结构，当空隙间隔为mλ/2(m为整数)，上玻璃板相当于一个滤光器件，只允许波长为λ的光通过，在平行玻璃板上作用一电压，通过控制电压的大小可以调节两平行玻璃板间的空隙间隔，空隙间隔改变使透射光波长也改变，从而实现分光；硅探测器用于探测经由法布里-珀罗可调滤光器过后拉曼光信号，性价比也较好；放大器用于放大探测到的信号；A/D转换器用于把模拟信号转换成数字信号进行处理；显示器为各项操作的界面，可显示拉曼光谱图；软件系统包括参数优化、数据处理等功能外，还包括数据库匹配鉴定，数据库添加等功能。数据库里有常见的天然宝石，人工宝石及假冒宝石的拉曼谱图数据，结合常见天然宝石，人工宝石及假宝石的一些特征拉曼峰，即可对宝石的真假以及品质如有无进行染色填充等进行鉴定。
本发明提供的拉曼光谱仪可鉴定的宝石种类包括红宝石，蓝宝石，祖母绿,钻石，翡翠等。其中，红宝石有七个特征拉曼位移峰，分别在378cm-1，417cm-1，430cm-1，447cm-1，576cm-1，645cm-1，750cm-1附近；蓝宝石与红宝石的主成份相同，具有相同的特征峰，与红宝石区别在于红宝石含铬元素，蓝宝石则含有钛和铁等其他元素，再结合颜色鉴别可得出结果；祖母绿的主要拉曼峰在684cm-1，412cm-1附近；钻石特征拉曼位移为1332cm-1；翡翠主要拉曼位移峰在378cm-1，702cm-1，1040cm-1附近。
根据所检测得到的拉曼位移峰的位置可以确定宝石的类型，如果主要拉曼峰出现在378cm-1，702cm-1，1040cm-1附近，则可以确定该宝石为翡翠。通过拉曼峰的峰强，峰半高宽等信息，可以可以判断宝石表面晶体结构是否遭到破环，如果检测到的特征峰强度相对变小，峰半高宽出现展宽，表明宝石表面晶体遭到破坏，是经过强酸清洗漂白的处理的宝石。由拉曼光谱的荧光信息和光谱中出现的其他拉曼峰的具体位置可以判断宝石中含有的物质类型，如填充物质，有机染料等，如果拉曼谱图中出现较大的荧光包，还有一些其他的拉曼峰，如1162cm-1，1123cm-1(环氧树脂苯环特征拉曼位移)等，则可以判断出宝石经过有机染料的染色处理和环氧树脂填充处理。
本发明提供的拉曼光谱仪中的二向色镜既起到了将激光光线反射到共焦显微镜头的作用，又起到了对样品瑞利散射的光进行过滤的作用，一个元件发挥了两个元件的功能，减少了元件的数量，缩小了光谱仪的体积，而且，本发明采用体积小的法布里-珀罗可调滤光器用于对光线进行分光，采用由两个透镜组成的光学系统汇聚散射光，进一步缩小了光谱仪的体积，使本发明提供的拉曼光谱仪具有体积小、便携的优势。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式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 (7)
1.一种拉曼光谱仪，其特征在于，所述光谱仪包括：激光器、透镜、二向色镜、共焦显微镜头、光学系统、法布里-珀罗可调滤波器、硅探测器；
所述激光器发出的光线经过所述透镜后照射到所述二向色镜上，所述二向色镜将所述光线反射，经过反射后的所述光线经过所述共焦显微镜头照射到样品上，所述光线经样品后发生瑞利散射和拉曼散射，发生瑞利散射的散射光和发生拉曼散射后的散射光经所述共焦显微镜头后，再次射向所述二向色镜，所述二向色镜使所述散射光中的拉曼散射光透射、瑞利散射光反射，经过所述二向色镜透射的拉曼散射光依次经过所述光学系统、法布里-珀罗可调滤波器，由硅探测器对经过所述法布里-珀罗可调滤波器的光线进行检测，得到光信号。
2.根据权利要求1所述的拉曼光谱仪，其特征在于，所述拉曼光谱仪还包括放大器、A/D转换器和软件系统，所述软件系统包括参数优化模块、数据处理模块，所述由硅探测器检测到的光信号经过放大器的放大以及所述A/D转换器的转换后，由所述参数优化模块、所述数据处理模块对所述光信号进行优化处理。
3.根据权利要求2所述的拉曼光谱仪，其特征在于，所述软件系统还包括数据库匹配鉴定模块和数据库添加模块，所述数据库匹配鉴定模块用于将所述样品的拉曼光谱图数据与数据库里的天然宝石、人工宝石及假冒宝石的拉曼光谱图数据进行匹配，所述数据库添加模块用于向数据库中添加天然宝石、人工宝石或假冒宝石的拉曼谱图数据。
4.根据权利要求1所述的拉曼光谱仪，其特征在于，所述光学系统由针孔光阑和准直透镜组成，所述针孔光阑与所述样品上的采样点通过所述共焦显微镜共焦，所述针孔光阑用于提高位置精度和测量信噪比；所述准直透镜由两片透镜构成，所述准直透镜用于将显微镜出射的拉曼信号光准直为平行光，入射在法布里-珀罗可调滤光器上，从而实现分光检测。
5.根据权利要求1所述的拉曼光谱仪，其特征在于，所述法布里-珀罗可调滤光器用于对所述光线进行分光。
6.根据权利要求1所述的拉曼光谱仪，其特征在于，所述法布里-珀罗可调滤光器采用微机电加工技术加工制造而成。
7.根据权利要求5所述的拉曼光谱仪，其特征在于，所述激光器为半导体激光器，所述激光器发出的激光波长范围为532nm-785nm，所述激光的功率为50-100mW，所述激光的带宽小于0.01nm，所述激光的光斑直径小于3μm。
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