CN109799221A - 一种可拆装的教学用拉曼光谱仪系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可拆装的教学用拉曼光谱仪系统及其控制方法，系统包括：窄线宽激光光源、共聚焦显微信号收集系统和计算机，窄线宽激光光源用于产生激光并输出至共聚焦显微信号收集系统，共聚焦显微信号收集系统用于接收激光，并将激光照射到样品上激发产生信号光，对信号光进行处理后发送至计算机，计算机用于对信号光进行读取和可视化处理。本发明所提供的教学用拉曼光谱仪系统的控制方法，利用基础光学部件组装拉曼光谱仪，可拆装，可重复使用，工艺先进，稳定可靠，成本低廉，性价比高，适合中学、大学的教学实验与要求较低的科研活动。

Description

一种可拆装的教学用拉曼光谱仪系统及其控制方法

技术领域

本发明涉及物质结构分析仪器领域，具体涉及一种可拆装的教学用拉曼光谱仪系统及其控制方法。

背景技术

拉曼光谱技术与常规化学分析技术相比，具有无损、快速、环保、水的干扰性小、可检测同分异构物、无需制样且所需样品量少等特点，因而在石油化工、生物医学、地质考古、刑事司法、宝石鉴定、环境监测等领域得以大力发展。随着激光技术、感光材料、成像技术的发展，拉曼光谱检测技术将是可靠程度最高且应用最广泛的分析检测技术之一。

对于拉曼光谱这项重要的分析检测技术，我国在科学研究、工业生产、商业应用领域均高度依赖进口，自主国产化水平非常低，仅有的少数几个厂商核心技术仍然依靠进口，且性能与欧美、日本等发达国家的品牌比还有不小的差距。市面上的拉曼光谱仪都很复杂，都不适合循环拆装使用，并不适用于教学。因此，市场对于一款国产的、可供教学使用的、能循环拆装使用，低成本高性价比的拉曼光谱仪有迫切的需求。

发明内容

针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种可拆装的教学用拉曼光谱仪系统及其控制方法，利用基本光学零件组装教学用拉曼光谱仪，工艺先进，稳定可靠，成本低廉，性价比高，适合中学、大学的教学实验与要求较低的科研活动。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种可拆装的教学用拉曼光谱仪系统，包括：窄线宽激光光源、共聚焦显微信号收集系统和计算机，

所述窄线宽激光光源用于产生激光并输出至所述共聚焦显微信号收集系统，所述共聚焦显微信号收集系统用于接收所述激光，并将所述激光照射到样品上激发产生信号光，对所述信号光进行处理后发送至所述计算机，所述计算机用于对所述信号光进行读取和可视化处理。

进一步，如上所述的一种可拆装的教学用拉曼光谱仪系统，所述窄线宽激光光源包括：封装完成的激光发生器和对应的线性多级可调激励电源，所述激光发生器与所述线性多级可调激励电源连接。

进一步，如上所述的一种可拆装的教学用拉曼光谱仪系统，所述共聚焦显微信号收集系统包括：可拆装的水平方向从前至后设置的样品负载区、物镜、二向色镜和反射镜，水平方向从左至右设置的所述反射镜、滤光片、凸透镜、狭缝和第一凹面镜，还包括光栅、第二凹面镜和CCD相机，所述激光发生器设置在所述二向色镜的水平右侧，所述激光发生器的出光口对准所述二向色镜，所述CCD相机的镜头对准所述第二凹面镜，

所述激光发生器输出的激光经所述二向色镜反射到所述物镜上，通过所述物镜聚焦到所述样品负载区的样品上，所述样品受所述激光激发产生信号光，所述信号光经过所述物镜回到所述二向色镜，透过所述二向色镜指向所述反射镜，反射后经过所述滤光片、所述凸透镜、所述狭缝和所述第一凹面镜后变为平行光，变为平行光后的所述信号光在所述光栅上分光，分光后不同颜色的所述信号光通过所述第二凹面镜汇聚到所述CCD相机上的不同的点，通过所述CCD相机发送至所述计算机。

进一步，如上所述的一种可拆装的教学用拉曼光谱仪系统，所述滤光片为Edge滤光片。

进一步，如上所述的一种可拆装的教学用拉曼光谱仪系统，所述激光发生器的出光口对准所述二向色镜的正中心，所述激光发生器发出的激光光路与所述二向色镜的镜面之间的夹角为45度。

进一步，如上所述的一种可拆装的教学用拉曼光谱仪系统，穿过所述二向色镜的激光光路与所述反射镜的镜面之间的夹角为45度，所述反射镜为平面镜。

进一步，如上所述的一种可拆装的教学用拉曼光谱仪系统，所述凸透镜的焦点位于所述狭缝中央，经所述反射镜反射后的激光光路经过所述凸透镜聚焦后穿过所述狭缝中央。

一种可拆装的教学用拉曼光谱仪系统的控制方法，包括：

S1、将各光学元件与其对应的支撑套件和元件架组装在一起；

S2、将窄线宽激光光源套组固定在面包板中间偏左的位置，使激光方向水平向左，调节支撑杆，确定光路平面高度并与狭缝同高，打开线性多级可调激励电源，旋转安全钥匙，调节电流使发出的激光平行于桌面；

S3、将二向色镜套组固定在窄线宽激光光源左侧，通过改变固定位置与角度进行粗略调整，通过旋转镜架上的调节旋钮进行精确调整，使激光照在二向色镜的正中，与二向色镜的镜面成第一预设角度的夹角，且反射光仍平行于桌面；

S4、沿反射光方向第一预定距离处固定物镜套组，使激光完全进入物镜，形成平直的会聚光，用一白纸板确定焦点位置，将样品池架固定于此处；

S5、沿穿过二向色镜的透射光方向第二预定距离处固定平面镜套组，调节使激光照在平面镜的正中，与平面镜的镜面成第二预设角度的夹角，且反射光平行于桌面射向右侧，沿该反射光方向第三预定距离处固定凸透镜套组，使激光从凸透镜中心穿过，且焦点位置位于狭缝中央；

S6、沿狭缝位置顺激光方向向前至第一凹面镜的焦距处固定第一凹面镜套组，调节使激光照在第一凹面镜的正中，与第一凹面镜的镜面法线成一夹角，反射光平行于桌面且近似于平行光；

S7、沿反射光方向于一定位置处安装光栅套组，调节使激光照在光栅的正中，反射光平行于桌面射向右侧，反复调节光栅与激光之间的夹角，并用一白纸板确定分光方向，直至得到一级衍射，调节使一级衍射光平行于桌面，并在此方向固定第二凹面镜套组；如果光栅的分光方向使长波长光位于内侧，则使激光照在第二凹面镜的外侧边缘，如果光栅的分光方向使长波长光位于外侧，则使激光照在第二凹面镜的内侧边缘；偏转第二凹面镜，使反射光向左侧射出，调节第二凹面镜与光栅的距离，使第二凹面镜恰好承接完整的光谱；

S8、用一白纸板确定反射光焦点位置，将CCD相机固定于此处，调节使反射光聚焦于CCD相机的感光元件表面；如果光栅的分光方向使长波长光位于内侧，则使激光聚焦在CCD相机的窗口外侧边缘，如果光栅的分光方向使长波长光位于外侧，则使激光聚焦在CCD相机的窗口内侧边缘；

S9、将滤光片套组固定于光栅与凸透镜之间，使激光垂直穿过滤光片中央，固定样品池架，盖上光谱仪盖；

S10、启动计算机，接收CCD相机输出的信号光，并对其进行可视化处理。

进一步，如上所述的一种可拆装的教学用拉曼光谱仪系统的控制方法，所述滤光片为Edge滤光片。

进一步，如上所述的一种可拆装的教学用拉曼光谱仪系统的控制方法，所述第一预设角度为45度，所述第二预设角度为45度。

本发明的有益效果在于：本发明所提供的教学用拉曼光谱仪系统及其控制方法，利用基础光学部件组装拉曼光谱仪，可拆装，可重复使用，工艺先进，稳定可靠，成本低廉，性价比高，适合中学、大学的教学实验与要求较低的科研活动；采用计算机软件控制，可实现对信号的不同后处理与图像化，满足不同需求；通过共聚焦显微信号收集系统，可特异地分析样品表面某一区域的物质，实现了对复杂样品的分区分析。

附图说明

图1为本发明实施例中提供的一种可拆装的教学用拉曼光谱仪系统的结构示意图；

图2为本发明实施例中提供的一种可拆装的教学用拉曼光谱仪系统的控制方法的流程示意图。

具体实施方式

下面结合说明书附图与具体实施方式对本发明做进一步的详细说明。

如图1所示，一种可拆装的教学用拉曼光谱仪系统，包括：窄线宽激光光源1、共聚焦显微信号收集系统和计算机13，

窄线宽激光光源1用于产生激光并输出至共聚焦显微信号收集系统，共聚焦显微信号收集系统用于接收激光，并将激光照射到样品4上激发产生信号光，对信号光进行处理后发送至计算机13，计算机13用于对信号光进行读取和可视化处理。

窄线宽激光光源1包括：封装完成的激光发生器和对应的线性多级可调激励电源，激光发生器与线性多级可调激励电源连接。

共聚焦显微信号收集系统包括：可拆装的水平方向从前至后设置的样品负载区、物镜3、二向色镜2和反射镜5，水平方向从左至右设置的反射镜5、滤光片6、凸透镜7、狭缝8和第一凹面镜9，还包括光栅10、第二凹面镜11和CCD相机12，激光发生器设置在二向色镜2的水平右侧，激光发生器的出光口对准二向色镜2，CCD相机12的镜头对准第二凹面镜11，

激光发生器输出的激光经二向色镜2反射到物镜3上，通过物镜3聚焦到样品负载区的样品4上，样品4受激光激发产生信号光，信号光经过物镜3回到二向色镜2，透过二向色镜2指向反射镜5，反射后经过滤光片6、凸透镜7、狭缝8和第一凹面镜9后变为平行光，变为平行光后的信号光在光栅10上分光，分光后不同颜色的信号光通过第二凹面镜11汇聚到CCD相机12上的不同的点，通过CCD相机12发送至计算机13。样品负载区通过转接件固定在物镜3的焦距上且前后可调。

滤光片6为Edge滤光片。

激光发生器的出光口对准二向色镜2的正中心，激光发生器发出的激光光路与二向色镜2的镜面之间的夹角为45度。

穿过二向色镜2的激光光路与反射镜5的镜面之间的夹角为45度，反射镜5为平面镜。

凸透镜7的焦点位于狭缝8中央，经反射镜5反射后的激光光路经过凸透镜7聚焦后穿过狭缝8中央。

工作原理如下：

沿窄线宽激光光源1输出的激光被二向色镜2反射，沿物镜3会聚在样品4上，样品4受激发产生的信号光经过物镜3回到二向色镜2，透过二向色镜2指向反射镜5，反射后经过滤光片6去除杂光，被凸透镜7会聚于狭缝8上，随后由第一凹面镜9重整为平行光。在光栅10上分光，不同颜色的光被第二凹面镜11会聚在CCD相机12上不同的点，由与CCD相机相连的计算机13及其上安装的相关软件读出信号并进行可视化与后续处理。

如图2所示，一种可拆装的教学用拉曼光谱仪系统的控制方法，包括：

S1、将各光学元件与其对应的支撑套件和元件架组装在一起；

S2、将窄线宽激光光源套组固定在面包板中间偏左的位置，使激光方向水平向左，调节支撑杆，确定光路平面高度并与狭缝同高，打开线性多级可调激励电源，旋转安全钥匙，调节电流使发出的激光平行于桌面；

S3、将二向色镜套组固定在窄线宽激光光源左侧，通过改变固定位置与角度进行粗略调整，通过旋转镜架上的调节旋钮进行精确调整，使激光照在二向色镜的正中，与二向色镜的镜面成第一预设角度的夹角，且反射光仍平行于桌面；

S4、沿反射光方向第一预定距离处固定物镜套组，使激光完全进入物镜，形成平直的会聚光，用一白纸板确定焦点位置，将样品池架固定于此处；

S5、沿穿过二向色镜的透射光方向第二预定距离处固定平面镜套组，调节使激光照在平面镜的正中，与平面镜的镜面成第二预设角度的夹角，且反射光平行于桌面射向右侧，沿该反射光方向第三预定距离处固定凸透镜套组，使激光从凸透镜中心穿过，且焦点位置位于狭缝中央；

S6、沿狭缝位置顺激光方向向前至第一凹面镜的焦距处固定第一凹面镜套组，调节使激光照在第一凹面镜的正中，与第一凹面镜的镜面法线成一夹角，反射光平行于桌面且近似于平行光；

S7、沿反射光方向于一定位置处安装光栅套组，调节使激光照在光栅的正中，反射光平行于桌面射向右侧，反复调节光栅与激光之间的夹角，并用一白纸板确定分光方向，直至得到一级衍射，调节使一级衍射光平行于桌面，并在此方向固定第二凹面镜套组；如果光栅的分光方向使长波长光位于内侧，则使激光照在第二凹面镜的外侧边缘，如果光栅的分光方向使长波长光位于外侧，则使激光照在第二凹面镜的内侧边缘；偏转第二凹面镜，使反射光向左侧射出，调节第二凹面镜与光栅的距离，使第二凹面镜恰好承接完整的光谱；

S8、用一白纸板确定反射光焦点位置，将CCD相机固定于此处，调节使反射光聚焦于CCD相机的感光元件表面；如果光栅的分光方向使长波长光位于内侧，则使激光聚焦在CCD相机的窗口外侧边缘，如果光栅的分光方向使长波长光位于外侧，则使激光聚焦在CCD相机的窗口内侧边缘；

S9、将滤光片套组固定于光栅与凸透镜之间，使激光垂直穿过滤光片中央，固定样品池架，盖上光谱仪盖；

S10、启动计算机，接收CCD相机输出的信号光，并对其进行可视化处理。

滤光片为Edge滤光片。

第一预设角度为45度，第二预设角度为45度。

实施例一

一种可拆装的教学用拉曼光谱仪系统的控制方法，包括：

S101.将各光学元件与其相对应的支撑套件和元件架组装在一起。

S102.首先将激光光源套组固定在面包板中间偏左的位置，距面包板左沿约200mm，距下沿约350mm，令激光方向水平向左。调节支撑杆，确定光路平面高度，此高度应避免过高或过低，约100mm，以保证与狭缝同高。打开激光电源，旋转安全钥匙，将电流调至合适，确保发出的激光平行于桌面。

S103.之后将二向色镜套组固定在激光光源左侧约50mm处，先通过改变固定位置与角度进行粗略调整，再通过旋转镜架上的调节旋钮进行精确调整，使激光照在二向色镜的正中，与镜面成45°夹角，且反射光仍平行于桌面。

S104.沿反射光方向约50mm处固定物镜套组，令激光完全进入物镜，形成平直的会聚光，用一白纸板确定焦点位置，将样品池架固定于此处。为便于后续组装，也可暂时不固定样品池架，而固定一面额外的反光镜，令光原路返回，经物镜还原为平行光后穿过二向色镜。

S105.沿穿过二向色镜的透射光方向约75mm处固定平面镜套组，与二向色镜类似，通过调节令激光照在平面镜的正中，与镜面成45°夹角，且反射光平行于桌面射向右侧。沿该反射光方向约50mm处，固定凸透镜套组，令激光从镜片中心穿过。且焦点位置位于狭缝中央。

S106.沿狭缝位置顺激光方向向前150mm(即凹面镜的焦距)，固定一个凹面镜套组，调节令激光照在二向色镜的正中，与镜面法线成一小的夹角，反射光平行于桌面且近似于平行光。

S107.沿反射光方向于合适位置安装光栅套组，调节令激光照在光栅的正中，反射光平行于桌面射向右侧，反复调节光栅与激光之间的夹角，并用一白纸板确定分光方向，直至得到较强的一级衍射。调节使一级衍射光平行于桌面，并在此方向固定凹面镜套组，如果光栅的分光方向使长波长光位于内侧，则应当令激光照在凹面镜的外侧边缘，反之亦然。略微偏转凹面镜，使反射光向左侧射出。调节凹面镜与光栅的距离，令凹面镜恰好承接完整的光谱。

S108.用一白纸板确定反射光焦点位置，将CCD固定于此处，调节令反射光聚焦于CCD感光元件表面，如果光栅的分光方向使长波长光位于内侧，则应当令激光聚焦在CCD窗口外侧边缘，反之亦然。

S109.最后，将Edge滤光片套组固定于光栅与凸透镜之间，令激光垂直穿过滤光片中央，固定样品池架，盖上光谱仪盖。

S110.启动计算机，运行基于C语言编写的可在Windows操作系统上工作采集CCD信号的自制后处理软件，读取从CCD相机接收的信号光并进行可视化处理，并进行呈现。

与现有技术相比，本发明具有以下突出优点：

(1)该方法创新性地利用基础光学部件组装拉曼光谱仪，可拆装，可重复使用，工艺先进，稳定可靠，成本低廉，性价比高，适合中学、大学的教学实验与要求较低的科研活动；

(2)该系统集成数据可视化与后处理模块，采用计算机软件控制，可实现对信号的不同后处理与图像化，满足不同需求；

(3)该系统包含共聚焦显微信号收集系统，可特异地分析样品表面某一区域的物质，实现了对复杂样品的分区分析。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其同等技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (10)

1.一种可拆装的教学用拉曼光谱仪系统，其特征在于，包括：窄线宽激光光源、共聚焦显微信号收集系统和计算机，

所述窄线宽激光光源用于产生激光并输出至所述共聚焦显微信号收集系统，所述共聚焦显微信号收集系统用于接收所述激光，并将所述激光照射到样品上激发产生信号光，对所述信号光进行处理后发送至所述计算机，所述计算机用于对所述信号光进行读取和可视化处理。

2.根据权利要求1所述的一种可拆装的教学用拉曼光谱仪系统，其特征在于，所述窄线宽激光光源包括：封装完成的激光发生器和对应的线性多级可调激励电源，所述激光发生器与所述线性多级可调激励电源连接。

3.根据权利要求2所述的一种可拆装的教学用拉曼光谱仪系统，其特征在于，所述共聚焦显微信号收集系统包括：可拆装的水平方向从前至后设置的样品负载区、物镜、二向色镜和反射镜，水平方向从左至右设置的所述反射镜、滤光片、凸透镜、狭缝和第一凹面镜，还包括光栅、第二凹面镜和CCD相机，所述激光发生器设置在所述二向色镜的水平右侧，所述激光发生器的出光口对准所述二向色镜，所述CCD相机的镜头对准所述第二凹面镜，

所述激光发生器输出的激光经所述二向色镜反射到所述物镜上，通过所述物镜聚焦到所述样品负载区的样品上，所述样品受所述激光激发产生信号光，所述信号光经过所述物镜回到所述二向色镜，透过所述二向色镜指向所述反射镜，反射后经过所述滤光片、所述凸透镜、所述狭缝和所述第一凹面镜后变为平行光，变为平行光后的所述信号光在所述光栅上分光，分光后不同颜色的所述信号光通过所述第二凹面镜汇聚到所述CCD相机上的不同的点，通过所述CCD相机发送至所述计算机。

4.根据权利要求3所述的一种可拆装的教学用拉曼光谱仪系统，其特征在于，所述滤光片为Edge滤光片。

5.根据权利要求3所述的一种可拆装的教学用拉曼光谱仪系统，其特征在于，所述激光发生器的出光口对准所述二向色镜的正中心，所述激光发生器发出的激光光路与所述二向色镜的镜面之间的夹角为45度。

6.根据权利要求3所述的一种可拆装的教学用拉曼光谱仪系统，其特征在于，穿过所述二向色镜的激光光路与所述反射镜的镜面之间的夹角为45度，所述反射镜为平面镜。

7.根据权利要求3所述的一种可拆装的教学用拉曼光谱仪系统，其特征在于，所述凸透镜的焦点位于所述狭缝中央，经所述反射镜反射后的激光光路经过所述凸透镜聚焦后穿过所述狭缝中央。

8.基于权利要求3-7任一项所述的一种可拆装的教学用拉曼光谱仪系统的一种可拆装的教学用拉曼光谱仪系统的控制方法，其特征在于，包括：

S1、将各光学元件与其对应的支撑套件和元件架组装在一起；

S2、将窄线宽激光光源套组固定在面包板中间偏左的位置，使激光方向水平向左，调节支撑杆，确定光路平面高度并与狭缝同高，打开线性多级可调激励电源，旋转安全钥匙，调节电流使发出的激光平行于桌面；

S3、将二向色镜套组固定在窄线宽激光光源左侧，通过改变固定位置与角度进行粗略调整，通过旋转镜架上的调节旋钮进行精确调整，使激光照在二向色镜的正中，与二向色镜的镜面成第一预设角度的夹角，且反射光仍平行于桌面；

S4、沿反射光方向第一预定距离处固定物镜套组，使激光完全进入物镜，形成平直的会聚光，用一白纸板确定焦点位置，将样品池架固定于此处；

S5、沿穿过二向色镜的透射光方向第二预定距离处固定平面镜套组，调节使激光照在平面镜的正中，与平面镜的镜面成第二预设角度的夹角，且反射光平行于桌面射向右侧，沿该反射光方向第三预定距离处固定凸透镜套组，使激光从凸透镜中心穿过，且焦点位置位于狭缝中央；

S6、沿狭缝位置顺激光方向向前至第一凹面镜的焦距处固定第一凹面镜套组，调节使激光照在第一凹面镜的正中，与第一凹面镜的镜面法线成一夹角，反射光平行于桌面且近似于平行光；

S7、沿反射光方向于一定位置处安装光栅套组，调节使激光照在光栅的正中，反射光平行于桌面射向右侧，反复调节光栅与激光之间的夹角，并用一白纸板确定分光方向，直至得到一级衍射，调节使一级衍射光平行于桌面，并在此方向固定第二凹面镜套组；如果光栅的分光方向使长波长光位于内侧，则使激光照在第二凹面镜的外侧边缘，如果光栅的分光方向使长波长光位于外侧，则使激光照在第二凹面镜的内侧边缘；偏转第二凹面镜，使反射光向左侧射出，调节第二凹面镜与光栅的距离，使第二凹面镜恰好承接完整的光谱；

S8、用一白纸板确定反射光焦点位置，将CCD相机固定于此处，调节使反射光聚焦于CCD相机的感光元件表面；如果光栅的分光方向使长波长光位于内侧，则使激光聚焦在CCD相机的窗口外侧边缘，如果光栅的分光方向使长波长光位于外侧，则使激光聚焦在CCD相机的窗口内侧边缘；

S9、将滤光片套组固定于光栅与凸透镜之间，使激光垂直穿过滤光片中央，固定样品池架，盖上光谱仪盖；

S10、启动计算机，接收CCD相机输出的信号光，并对其进行可视化处理。

9.根据权利要求8所述的一种可拆装的教学用拉曼光谱仪系统的控制方法，其特征在于，所述滤光片为Edge滤光片。

10.根据权利要求8所述的一种可拆装的教学用拉曼光谱仪系统的控制方法，其特征在于，所述第一预设角度为45度，所述第二预设角度为45度。