CN109884027A

CN109884027A - 一种低波数共聚焦拉曼光谱仪

Info

Publication number: CN109884027A
Application number: CN201910067292.3A
Authority: CN
Inventors: 黄鹏程; 唐月标; 华惊宇; 张昱; 彭宏
Original assignee: Zhejiang University of Technology ZJUT
Current assignee: Zhejiang University of Technology ZJUT
Priority date: 2019-01-24
Filing date: 2019-01-24
Publication date: 2019-06-14

Abstract

一种低波数共聚焦拉曼光谱仪，包括顺次相连的激光系统、显微镜系统、滤光与反射系统、中继光学系统、点转线光学系统和成像系统；激光系统包括带BPF的785nm激光、532nm激光和350nm激光；显微镜系统包括二维光学扫描以及显微物镜；滤光与反射系统包括4个45°反射镜、6个45°分束器和3对设定角度的NEF；中继光学系统包括中继透镜；点转线光学系统包括点转线光纤束；所述成像系统包括单色仪、sCMOS以及电脑。本发明波长任意切换，十分方便；使体积和成本大大降低，增加光通量；低波数可做到30cm^‑1以下，在同一单色仪上获得UV‑NIR高灵敏度单光子拉曼。

Description

一种低波数共聚焦拉曼光谱仪

技术领域

本发明涉及拉曼光谱领域，尤其涉及一种低波数共聚焦拉曼光谱仪。

背景技术

拉曼光谱(Raman spectra)是一种散射光谱。1928年，C.V.Raman 在做实验时发现，当光穿过透明介质被分子散射的光由于获取或损失能量会发生频率变化，这一现象称之为拉曼散射。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称为拉曼散射或拉曼光谱，其中υ₀-υ₁的散射叫斯托克斯散射，容易发生，硏究较多；υ₀+υ₁的散射叫反斯托克斯散射，不易发生，硏究较少。任何物质由原子和分子组成，它们在不停的振动和转动，拉曼光谱分析法可用来探测物质分子的振动和转动谱，而分子的振动和转动谱是唯一的，相当于物质的指纹，因此通过拉曼光谱的分析可以准确的判别不同物质的成分，比一般的宽谱光谱仪要准确得多；并且拉曼光谱的位置不随激光波长和环境变化而变化,具有唯一性；其应用范围遍及材料、化学、物理、生物和医学等几乎所有领域，对于定性分析、定量分析和测定分子结构都有很大价值。

发明内容

为了掌握激发波长覆盖紫外到近红外三个以上波段，波数小于 30cm^-1等技术，本发明的目的在于提出一种低波数共聚焦拉曼光谱仪。

为了解决上述技术问题，本发明提供如下的技术方案：

一种低波数共聚焦拉曼光谱仪，包括顺次相连的激光系统、显微镜系统、滤光与反射系统、中继光学系统、点转线光学系统和成像系统；所述的激光系统包括带BPF的785nm激光、532nm激光和350 激光；所述的显微镜系统包括二维光学扫描以及显微物镜；所述的滤光与反射系统包括4个45°反射镜、6个45°分束器和3对设定角度的NEF，其中，6个分束器依次分别是600nm长通分束器、400长通分束器、500nm长通分束器、600nm长通分束器、500nm低通分束器和700nm长通分束器；所述的中继光学系统包括中继透镜，把从样品上拉曼光成像到点转线光纤束头部；所述的点转线光学系统包括点转线光纤束，把中继光学系统成的点像或线像转换成与成谱系统数值孔径相匹配的狭缝的形状；所述成像系统包括单色仪、sCMOS以及电脑，通过狭缝的拉曼光成像到sCMOS上，然后传输到电脑，处理后出谱。

本发明的有益效果为：波长任意切换，十分方便；使体积和成本大大降低，增加光通量；低波数可做到30cm^-1以下，在同一单色仪上获得UV-NIR高灵敏度单光子拉曼。

附图说明

图1是一种低波数共聚焦拉曼光谱仪的结构示意图。

图中1为带BPF的785nm激光，2为带BPF的532nm激光，3 为带BPF的350nm激光，4为反射镜，5为600nm长通分束器，6 为400nm长通分束器，7为样品，8为显微物镜，9为反射镜，10为500nm长通分束器，11为反射镜，12为500nm低通分束器，13为 600nm长通分束器，14为反射镜，15为700nm长通分束器，16为中继透镜，17为点转线光纤束，18为狭缝，19为单色仪，20为sCMOS， 21为电脑，22，23，24为3对设定角度的NEF。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明。

参照图1，一种低波数共聚焦拉曼光谱仪，包括顺次相连的激光系统、显微镜系统、滤光与反射系统、中继光学系统、点转线光学系统和成像系统；所述的激光系统包括带BPF的785nm激光1、532nm 激光2和350激光3；所述的显微镜系统包括二维光学扫描以及显微物镜；所述的滤光与反射系统包括4个45°反射镜4、9、11、14，6 个45°分束器和3对设定角度的NEF，其中，6个分束器依次分别是 600nm长通分束器5、400长通分束器6、500nm长通分束器10、600nm 长通分束器13、500nm低通分束器12和700nm长通分束器15；所述的中继光学系统包括中继透镜16，把从样品上拉曼光成像到点转线光纤束头部；所述的点转线光学系统包括点转线光纤束17，把中继光学系统成的点像或线像转换成与成谱系统数值孔径相匹配的狭缝18的形状；所述成像系统包括单色仪19、sCMOS20以及电脑21，通过狭缝18的拉曼光成像到sCMOS20上，然后传输到电脑21，处理后出谱。

本实施例的方案有三个不同波长的激光。关掉2个激光器，系统就成单通，其它部分不需作任何修改，三种激光波长任意切换，十分方便。使用已由BPF纯化过的激光二极管，使体积和成本大大降低。使用点转线光纤束大大增加光通量。将二片NEF成设定角度配置以达到最佳滤波效果，同时转动NEF可使透过的拉曼光向低波长移动，低波数可做到30cm^-1以下。使用从紫外到近红外量子效率都很高的背照sCMOS(可加PMT)和宽谱物镜，在同一单色仪上获得UV-NIR高灵敏度单光子拉曼。

从激光器1来的785nm激光经BPF清除谐波后成为带宽仅10cm^-1的单色光被反射镜4反射，相继透过分束器5和分束器6；从激光器 2来的532nm激光射分束器5上被反射，透过分束器6；从激光器3 来的350nm激光射到分束器6上被反射；分束器5反射小于600nm 的光，透过大于600nm的光。分束器6反射小于400nm的光，透过大于400nm的激光。这三束激光射到很小的一块45°反射镜9上(只挡光5％)经100x显微物镜8聚焦到样品上,散射的激光和拉曼光被显微物镜8收集后成平行光投射回来。投射回来光在碰到分束器10 时小于500nm的光被反射,大于500nm的光被透过；反射光中的 350nm激光被二块以设定角度放置的NEF22滤掉,让靠近激光线的低频拉曼通过,低波数可以做到小于20cm^-1。大于350nm的紫外拉曼经反射镜11反射到分束器12时透过,因它是一个500nm的低通分束器。透过分束器10的大于500nm的光在碰到分束器13时，小于600nm 的光被反射，大于600nm的光被透过；被反射的532nm激光被二块 NEF23滤掉,透过的大于532nm的可见拉曼在碰到分束器12时被反射,紫外与可见拉曼一起被分束器15反射到中继透镜。透过分束器13的785nm激光和相应的拉曼被反射镜14反射到二块NEF24，激光被过滤,大于785nm的红外拉曼透过分束器15与紫外和可见拉曼会合,一起被中继透镜16聚焦到针孔上,所以叫共焦拉曼。

因拉曼光点是圆的,若直接耦合到窄而高的狭缝上,大部分光被挡掉,为此我们用点转线光纤束17把所有的拉曼光全送入狭缝18。通过狭缝18的紫外、可见、红外拉曼被光谱仪在X方向色散(光栅可调谐到可见光,兼顾紫外与红外),然后成象到背照1024x1024sCMOS20上,经电脑21处理出谱；若探测器或样品沿Y方向推扫可得到成象高光谱。关掉二个激光器,不必动任何器件,可测任何一路, 十分方便。

Claims

1.一种低波数共聚焦拉曼光谱仪，其特征在于，包括顺次相连的激光系统、显微镜系统、滤光与反射系统、中继光学系统、点转线光学系统和成像系统；所述的激光系统包括带BPF的785nm激光、532nm激光和350nm激光；所述的显微镜系统包括二维光学扫描以及显微物镜；所述的滤光与反射系统包括4个45°反射镜、6个45°分束器和3对设定角度的NEF，其中，6个分束器依次分别是600nm长通分束器、400长通分束器、500nm长通分束器、600nm长通分束器、500nm低通分束器和700nm长通分束器；所述的中继光学系统包括中继透镜，把从样品上拉曼光成像到点转线光纤束头部；所述的点转线光学系统包括点转线光纤束，把中继光学系统成的点像或线像转换成与成谱系统数值孔径相匹配的狭缝的形状；所述成像系统包括单色仪、sCMOS以及电脑，通过狭缝的拉曼光成像到sCMOS上，然后传输到电脑，处理后出谱。