CN109580582A - 一种基于复合阿米西棱镜组的激光拉曼光谱仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于复合阿米西棱镜组的激光拉曼光谱仪，包括壳体、激光发生部、复合阿米西棱镜组色散系统、面阵CCD和数据处理系统，激光发生部设置在壳体的第一腔室内，复合阿米西棱镜组色散系统和面阵CCD设置在壳体的第二腔室内，激光发生部发射的激光照射到待测产品上，待测产品上的散射光射入到复合阿米西棱镜组色散系统，然后再照射到面阵CCD上，数据处理系统用于对数据进行处理。本发利用阿米西棱镜的直视特性以及入射角和折射角具有固定角度差来保证两色散光谱中心波长相互错开并固定不变特性，结合面阵CCD的空分复用和多通道并行处理特性进行光电转换，数据处理后拼接生成一维拉曼光谱，实现了高分辨率宽光谱范围的激光拉曼光谱的快速测量。

Description

一种基于复合阿米西棱镜组的激光拉曼光谱仪

技术领域

本发明涉及激光拉曼光谱测量仪器相关技术领域，特别是一种基于复合阿米西棱镜组的激光拉曼光谱仪。

背景技术

拉曼散射是介质分子对入射光子非弹性散射的一种，拉曼光谱可以表征介质分子振动或转动能级信息，能够作为“分子指纹”用于物质鉴定的有效手段，广泛应用于材料、化工、石油、高分子、生物、环保、地质等领域。激光拉曼光谱仪用于物质的拉曼光谱的高精度测量，是拉曼光谱分析技术的基础。典型的激光拉曼光谱仪构造包括激光器，入射狭缝，准直透镜，色散系统，聚焦系统，出射狭缝，光电探测器及信号处理系统组成。由于一般拉曼信号很弱，需要精密复杂的光学装置进行测量。目前已有的激光拉曼光谱仪大多采用光栅或棱镜进行分光，光电倍增管或单光子计数器作为光电探测器，通过长时间的波长扫描测得完整拉曼光谱图。这一类激光拉曼光谱仪波长分辨率较高，但绘制一张拉曼光谱图需要较长时间，不能满足实时快速处理的需求。还有一类激光拉曼光谱仪是以光栅或棱镜将所有波长同时色散展开，以一个线阵光探测器同时接收所有波长的光功率，绘出光谱图。这类拉曼光谱仪的光谱分析速度快，可以满足实时快速光谱分析的需求。其中光栅分辨率较高，形成匀排光谱便于定标和校正，但存在光能损失大，需要较强光源，光谱级重叠，易出现假谱线等缺点。棱镜系统虽然存在分光光谱非线性的问题，但其在短波波段具有很好的波长分辨率。拉曼散射系数与激发激光波长成反比，因此采用短波波段激光激发待测物质拉曼散射光可以获得更高的效率，加上棱镜分光系统的高能量利用率及其在短波段的高波长分辨率特性，使其特别适用于微弱拉曼光谱信号的检测。因为测量拉曼光谱需要在拉曼峰附近有较高的分辨率，波长分辨率是拉曼光谱仪的一项重要参数。通常拉曼光谱仪的波长分辨率与入射狭缝宽度，色散系统和光电探测器的参数都有关系。当色散系统确定后，为了提高波长分辨率，一般会采用尽可能窄的入射狭缝，但是这样会降低系统的光通量，影响拉曼光谱仪的灵敏度。在现有光电探测器的发展基础上，入射狭缝宽度一定的情况下，要想提高拉曼光谱仪的波长分辨率，就必须牺牲其工作谱宽。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的之一是提供一种体积小、操作便利，系统成本低的基于复合阿米西棱镜组的激光拉曼光谱仪。

本发明提供一种基于复合阿米西棱镜组的激光拉曼光谱仪，包括壳体、激光发生部、复合阿米西棱镜组色散系统、面阵CCD和数据处理系统，所述壳体内部包括第一腔室和第二腔室，所述激光发生部设置在所述第一腔室内，所述复合阿米西棱镜组色散系统和面阵CCD设置在所述第二腔室内，所述数据处理系统与所述激光发生部和所述面阵CCD相连，所述激光发生部发射的激光照射到待测产品上，所述待测产品上的散射光射入到所述复合阿米西棱镜组色散系统，然后再照射到所述面阵CCD上，所述数据处理系统用于对数据进行处理、显示和/或储存。

优选地，所述复合阿米西棱镜组色散系统包括狭缝、准直柱面镜、复合阿米西棱镜和会聚柱面镜，

所述待测产品上散射的光信号通过所述狭缝，然后由所述准直柱面镜准直为平行光束后射入所述复合阿米西棱镜色散系统，然后经所述会聚柱面镜聚焦之后照射在所述面阵CCD上。

优选地，所述复合阿米西棱镜包括上镜组和下镜组，所述上镜组和所述下镜组的光轴方向之间形成夹角α，所述夹角α为0.5°-2°，所述夹角α优选为1.5°。

优选地，所述壳体上设置有长波通滤光片，所述待测产品上散射光经所述长波通滤光片后射入所述复合阿米西棱镜组色散系统。

优选地，所述长波通滤光片为409nm长波通滤光片。

优选地，所述壳体内设置有隔板，所述隔板将所述壳体内部空间分隔成为第一腔室和第二腔室，所述第一腔室和第二腔室构造为长形腔室。

优选地，所述第一腔室的后端设置有第一连接端，所述第一连接端用于与所述激光发生部和所述数据处理系统连接；

所述第一腔室的前端设置有通光孔，所述激光发生部发射的激光经所述通光孔射出。

优选地，所述壳体外侧设置有反射结构，所述反射结构将所述激光发生部发出的激光反射到所述待测产品上。

优选地，所述激光发生部包括激光器和激光控制器，所述激光控制器控制所述激光器发射激光。

优选地，所述激光器发射波长为405nm，功率为450-550mW的激光。

本发明提供的基于复合阿米西棱镜组的激光拉曼光谱仪，设置复合阿米西棱镜组作为色散元件，利用阿米西棱镜的直视特性以及入射角和折射角具有固定角度差来保证两色散光谱中心波长相互错开并固定不变特性，结合面阵CCD的空分复用和多通道并行处理特性进行光电转换，数据处理后拼接生成一维拉曼光谱，实现了高分辨率宽光谱范围的激光拉曼光谱的快速测量。

附图说明

通过以下参照附图对本发明实施例的描述，本发明的上述以及其它目的、特征和优点将更为清楚，在附图中：

图1示出基于复合阿米西棱镜组的激光拉曼光谱仪的结构示意图；

图2示出复合阿米西棱镜色散系统的结构示意图；

图3示出复合阿米西棱镜的结构示意图；

图4示出面阵CCD上拉曼光谱波长范围示意图。

具体实施方式

以下基于实施例对本发明进行描述，但是本发明并不仅仅限于这些实施例。本领域普通技术人员应当理解，在此提供的附图都是为了说明的目的，并且附图不一定是按比例绘制的。

除非上下文明确要求，否则整个说明书和权利要求书中的“包括”、“包含”等类似词语应当解释为包含的含义而不是排他或穷举的含义；也就是说，是“包括但不限于”的含义。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

如图1所示，本发明提供的基于复合阿米西棱镜组的激光拉曼光谱仪包括壳体1、激光发生部、复合阿米西棱镜组色散系统4、面阵CCD(Charge Coupled Device，电荷耦合器件)5和数据处理系统6，所述壳体1内部设置有隔板13，所述隔板13将所述壳体内腔分隔成第一腔室11和第二腔室12，所述第一腔室11和所述第二腔室12优选为相互平行设置的两个长形的腔室，所述激光发生部设置在所述第一腔室11内，所述复合阿米西棱镜组色散系统4和面阵CCD 5设置在所述第二腔室12内。所述数据处理系统6与所述激光发生部和所述面阵CCD 5相连。

所述激光发生部包括激光器2和激光控制器3，所述激光器2位于所述激光控制器3的前侧，所述激光控制器3与所述激光器2相连，并由所述激光控制器3控制所述激光器2发射激光，优选地，所述激光器2发射波长为405nm，功率为450-550mW的激光，进一步地，所述激光器2可以具有连续和脉冲两种工作方式。所述壳体1上位于所述第一腔室11后端的侧壁上设置有第一连接端111，所述第一连接端111与所述激光控制器3相连，所述第一连接端111还用于与所述数据处理系统6相连，由所述数据处理系统6控制所述激光器2的出光时间，优选地，所述第一连接端111为USB接口。如图1所示，所述壳体1上位于所述第一腔室11前端的侧壁上设置有通光孔112，所述激光器2发出的激光通过所述通光孔112射出到所述壳体1的外侧，所述壳体1上设置有反射结构7，所述通光孔112射出的激光会被所述反射结构反射。所述反射结构包括设置在所述壳体1上的支架71和设置在所述支架71上的反射棱镜72，优选地，所述反射棱镜72为直角反射棱镜，激光经所述反射棱镜72反射后照射到待测产品上。

所述复合阿米西棱镜组色散系统4设置在所述面阵CCD 5的前侧，所述壳体1上位于所述第二腔室12后端的侧壁上设置有第二连接端121，所述第二连接端121与所述面阵CCD 5相连，所述第二连接端121还用于与所述数据处理系统6相连，优选地，所述第二连接端121为USB接口。所述壳体1上位于所述第二腔室12前端的侧壁上设置有长波通滤光片8，所述待测产品上的散射光信号能够通过所述长波通滤光片8射入到所述第二腔室12内。所述长波通滤光片8能够滤除部分散射光，例如，所述长波通滤光片8能够滤除405nm的米散射和瑞利散射光，优选地，所述长波通滤光片8为409nm长波通滤光片。穿过所述长波通滤光片8的光射入所述复合阿米西棱镜组色散系统4，在所述复合阿米西棱镜组色散系统4内经过反射、折射、聚焦等处理后射到所述面阵CCD 5上，然后将数据传输到所述数据处理系统6内，进行处理分析。

如图2所示，所述复合阿米西棱镜组色散系统4包括狭缝41、准直柱面镜42、复合阿米西棱镜43和会聚柱面镜44，经所述长波通滤光片8射入所述第二腔室12的光进入所述狭缝41，然后由所述准直柱面镜42准直为平行光束后射入所述复合阿米西棱镜43色散，然后经所述会聚柱面镜44聚焦之后照射在所述面阵CCD 5上。如图4所示，优选地，所述面阵CCD5像素数为1920×1024，像素尺寸4.5μm×4.5μm，所述面阵CCD 5上部对应波长范[λ1，λ2]，下部对应波长范围[λ3，λ4]。

如图2、3所示，所述复合阿米西棱镜43包括上镜组431和下镜组432，优选地，所述上镜组431和下镜组432的尺寸和性能参数相同，是三阿米西棱镜组，棱镜组高14.3mm，宽65mm。所述上镜组431和所述下镜组432的光轴方向之间形成夹角α，所述夹角α优选为0.5°-2°，最优夹角α为1.5°。经所述准直柱面镜42准直形成的平行光束分别以不同的入射角度射入到所述上镜组431和下镜组432上，由于所述上镜组431和所述下镜组432之间存在夹角α，使得每一阿米西棱镜组出射的色散光束在水平方向上按照波长依次增大对应不同的折射方向，然后再射入所述会聚柱面镜44，经所述会聚柱面镜44聚焦后照射到所述面阵CCD 5上，使得所述面阵CCD 5光敏面的上部和下部形成依次排列的拉曼光谱图像，上部和下部的拉曼光谱图像对应不同的中心波长，所述面阵CCD5记录该拉曼光谱图像。然后通过数据处理系统6分别提取其上部和下部的拉曼光谱图绘出子波段的拉曼光谱图，然后拼接出整个工作波段的拉曼光谱图。优选地，所述数据处理系统6可以是安装了专用数据处理软件的计算机或手机，用于拉曼光谱的处理、显示和存储。

本发明提供的基于复合阿米西棱镜组的激光拉曼光谱仪，采用405nm激光器作为激光发光源，体积小，激发效率高。设置复合阿米西棱镜组作为色散元件，利用阿米西棱镜的直视特性以及入射角和折射角具有固定角度差来保证两色散光谱中心波长相互错开并固定不变特性，结合面阵CCD的空分复用和多通道并行处理特性进行光电转换，数据处理后拼接生成一维拉曼光谱，实现了高分辨率宽光谱范围的激光拉曼光谱的快速测量。并且本发明提供的基于复合阿米西棱镜组的激光拉曼光谱仪具有结构简单，易于加工装调，成本低，集成性好，探测灵敏度高，测量速度快，光谱分辨率高且工作谱宽大的优点。

本领域的技术人员容易理解的是，在不冲突的前提下，上述各优选方案可以自由地组合、叠加。

应当理解，上述的实施方式仅是示例性的，而非限制性的，在不偏离本发明的基本原理的情况下，本领域的技术人员可以针对上述细节做出的各种明显的或等同的修改或替换，都将包含于本发明的权利要求范围内。

Claims (10)

1.一种基于复合阿米西棱镜组的激光拉曼光谱仪，其特征在于，包括壳体、激光发生部、复合阿米西棱镜组色散系统、面阵CCD和数据处理系统，所述壳体内部包括第一腔室和第二腔室，所述激光发生部设置在所述第一腔室内，所述复合阿米西棱镜组色散系统和面阵CCD设置在所述第二腔室内，所述数据处理系统与所述激光发生部和所述面阵CCD相连，

所述激光发生部发射的激光照射到待测产品上，所述待测产品上的散射光射入到所述复合阿米西棱镜组色散系统，然后再照射到所述面阵CCD上，所述数据处理系统用于对数据进行处理、显示和/或储存。

2.根据权利要求1所述的激光拉曼光谱仪，其特征在于，所述复合阿米西棱镜组色散系统包括狭缝、准直柱面镜、复合阿米西棱镜和会聚柱面镜，

所述待测产品上散射的光信号通过所述狭缝，然后由所述准直柱面镜准直为平行光束后射入所述复合阿米西棱镜色散系统，然后经所述会聚柱面镜聚焦之后照射在所述面阵CCD上。

3.根据权利要求2所述的激光拉曼光谱仪，其特征在于，所述复合阿米西棱镜包括上镜组和下镜组，所述上镜组和所述下镜组的光轴方向之间形成夹角α，所述夹角α为0.5°-2°，所述夹角α优选为1.5°。

4.根据权利要求1所述的激光拉曼光谱仪，其特征在于，所述壳体上设置有长波通滤光片，所述待测产品上散射光经所述长波通滤光片后射入所述复合阿米西棱镜组色散系统。

5.根据权利要求4所述的激光拉曼光谱仪，其特征在于，所述长波通滤光片为409nm长波通滤光片。

6.根据权利要求1所述的激光拉曼光谱仪，其特征在于，所述壳体内设置有隔板，所述隔板将所述壳体内部空间分隔成为第一腔室和第二腔室，所述第一腔室和第二腔室构造为长形腔室。

7.根据权利要求3所述的激光拉曼光谱仪，其特征在于，所述第一腔室的后端设置有第一连接端，所述第一连接端用于与所述激光发生部和所述数据处理系统连接；

所述第一腔室的前端设置有通光孔，所述激光发生部发射的激光经所述通光孔射出。

8.根据权利要求7所述的激光拉曼光谱仪，其特征在于，所述壳体外侧设置有反射结构，所述反射结构将所述激光发生部发出的激光反射到所述待测产品上。

9.根据权利要求1所述的激光拉曼光谱仪，其特征在于，所述激光发生部包括激光器和激光控制器，所述激光控制器控制所述激光器发射激光。

10.根据权利要求9所述的激光拉曼光谱仪，其特征在于，所述激光器发射波长为405nm，功率为450-550mW的激光。