CN109916875B - 一种激光共焦拉曼光谱仪及其光路处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种激光共焦拉曼光谱仪，包括：激光器、激光传输装置、边缘滤光片装置、显微装置、信号共焦装置和光谱检测装置，所述激光器发出的激光经由所述激光传输装置到达所述边缘滤光片装置，被所述边缘滤光片装置反射至显微装置，激光经由所述显微装置的物镜照射到被测物质，被测物质被激光激发后产生的拉曼信号和瑞利散射光被所述显微装置的物镜收集并传至所述边缘滤光片装置，由所述边缘滤光片装置滤除瑞利散射光后仅留下拉曼信号，所述拉曼信号经所述信号共焦装置到达光谱检测装置最终形成拉曼光谱。本发明激光共焦拉曼光谱仪可有效的抑制光学系统中的杂散光，拉曼光谱仪尺寸小、成本低、性能稳定。

Description

一种激光共焦拉曼光谱仪及其光路处理方法

技术领域

本发明涉及一种拉曼光谱仪及其光路处理方法，属于光谱检测领域。

背景技术

激光共焦拉曼光谱是用来分析物质组分、结构等的一种有效光谱分析手段，其原理是入射激光会引起分子(或晶格)产生振动而损失(或获得)部分能量，致使散射光频率发生变化，对散射光的分析即拉曼光谱分析，可以探知分子的组分，结构及相对含量等，因此被广泛成为分子探针技术。目前拉曼光谱已成为现代材料结构分析的基本技术手段。

发明内容

本发明的目的在于提供一种激光共焦拉曼光谱仪，以及该激光共焦拉曼光谱仪的光路处理方法，本发明的激光共焦拉曼光谱仪尺寸小，利用本发明提供的激光共焦拉曼光谱仪可有效抑制光学系统中的杂散光，提高拉曼光谱仪的稳定性。

根据本发明的一个方面，提供了一种激光共焦拉曼光谱仪，包括：激光器、激光传输装置、边缘滤光片装置、显微装置、信号共焦装置和光谱检测装置，

所述激光器发出的激光经由所述激光传输装置到达所述边缘滤光片装置，被所述边缘滤光片装置反射至显微装置，激光经由所述显微装置的物镜照射到被测物质，被测物质被激光激发后产生的拉曼信号和瑞利散射光被所述显微装置的物镜收集并传至所述边缘滤光片装置，由所述边缘滤光片装置滤除瑞利散射光后仅留下拉曼信号，所述拉曼信号经所述信号共焦装置到达光谱检测装置最终形成拉曼光谱。

根据本发明的一些实施例，所述激光器通过激光器固定装置固定在底板的上表面。所述激光固定装置包括一个“一”型固定件、一个锁紧固定件和一个挡光板。所述挡光板位于所述激光器的前端，其上开有可使激光通过的通光孔。通过上述的“一”型固定件和锁紧固定件可实现激光器在俯仰角度和上下位置方面的调节，通过挡光板可实现对激光光束的通光孔径的限制。

根据本发明的优选实施方式，所述激光传输装置包括激光光束处理装置、激光滤光片、激光衰减装置和第一反射镜。

根据本发明的一些实施例，所述激光光束处理装置位于所述挡光板的另一侧，与所述通光孔同光轴设置；所述激光光束处理装置为一不透光的圆筒，一端与所述挡光板紧密接触，另一端与所述激光滤光片紧密接触；一方面，将出射激光光束限制在圆筒内，另一方面将激光衰减装置中反射激光吸收，从而达到在激光出射光路上大幅降低杂散光的目的。

根据本发明的一些实施例，所述激光滤光片位于所述激光光束处理装置的另一侧；所述激光滤光片通过激光滤光片固定装置固定在底板的上表面；所述激光滤光片固定装置包括一个“L”型激光滤光片固定件和一个锁紧固定件。通过上述的“L”型激光滤光片固定件和锁紧固定件可实现对激光滤光片的固定及角度调节。

根据本发明的一些实施方式，所述激光衰减装置包括衰减片、激光挡板、步进电机、旋转齿轮、衰减片固定件和滚珠式轴承，通过上位机软件控制安装了旋转齿轮的步进电机带动安装了滚珠式轴承的衰减片固定件实现对激光的衰减；所述激光挡板为具有部分中空的圆形片状挡板，其与所述衰减片同轴并列设置，当将所述激光挡板的中空部分转至激光束位置时，激光光束通过中空部分达到衰减片，当将所述激光挡板的实心部分转至激光束位置时，激光光束被截断，不能到达衰减片，实现关闭激光的功能。

根据本发明的优选实施例，所述第一反射镜通过反射镜固定装置固定在底板的上表面；其包括反射镜固定件、锁紧固定件和反射镜微调工件。通过上述的反射镜固定件和锁紧固定件可实现对反射镜的固定，反射镜微调工件可对反射镜角度进行微调。

根据本发明的优选实施方式，所述边缘滤光片装置包括边缘滤光片、边缘滤光片固定件、锁紧固定件和边缘滤光片微调工件。通过上述的边缘滤光片固定件和锁紧固定件可将边缘滤光片固定在底板的上表面，边缘滤光片微调工件可对边缘滤光片角度进行微调。

根据本发明的一个实施例，所述滤光片装置包括至少一个边缘滤光片。

根据本发明的一些实施例，第二反射镜通过反射镜固定装置固定在底板的上表面；其包括反射镜固定件、锁紧固定件和反射镜微调工件。通过上述的反射镜固定件和锁紧固定件可实现对反射镜的固定，反射镜微调工件可对反射镜角度进行微调。

在一个优选的实施例中，所述第二反射镜为单一的棱镜，用于反射光。

在另一个优选的实施例中，所述第二反射镜为相对设置的上棱镜和下棱镜，其中上棱镜用于反射光，下棱镜用于形成照明。

在一另一个优选的实施例中，所述第二反射镜包括并排设置的两组反射装置，其中一组为单一的棱镜，用于反射激光及被激光激发的拉曼信号；另一组包括相对设置的上棱镜和下棱镜，其中上棱镜用于反射白光形成照明，下棱镜用于反射激光及激光激发的拉曼信号。此情况下，所述第二反射镜通过反射镜切换装置固定在底板的上表面，在具体应用过程中可根据需要切换选择所需的一组反射镜；反射镜切换装置包括步进电机和运动齿条。

根据本发明的优选实施例，所述信号共焦装置包括共焦孔、第三反射镜和光栅。

根据本发明的一些实施方式，所述共焦孔通过共焦孔固定装置固定在底板的上表面，其包括上“T”型固定件、下“T”型固定件、锁紧固定件、位置调节固定件、滑块、移动导轨、步进电机、滚珠式轴承、“T”型连接件、拉紧工件和固定底座。通过上位机软件控制安装了拉紧工件的步进电机带动固定有上“T”型固定件、下“T”型固定件、锁紧固定件、位置调节固定件、滚珠式轴承、“T”型连接件的滑块在安装了移动导轨的固定底座上移动来实现共焦孔尺寸的变化。

根据本发明的优选实施方式，所述第三反射镜通过反射镜固定装置固定在底板的上表面；其包括反射镜固定件、锁紧固定件和反射镜微调工件。通过上述的反射镜固定件和锁紧固定件可实现对反射镜的固定，反射镜微调工件可对反射镜角度进行微调。

根据本发明的一些实施例，所述光栅通过光栅固定装置固定在底板的上表面；其包括光栅固定件、光栅锁紧固定件和光栅微调工件。通过上述的光栅固定件和锁紧固定件可实现对光栅的固定，光栅微调工件可对反光栅角度进行微调。

根据本发明的一个实施例，所述光栅置于特殊的七边形光谱仪挡光板中，七边形光谱仪挡光板的设计，减小了仪器横向的尺寸。

根据本发明的优选实施例，所述光谱检测装置通过光谱检测装置固定装置固定在底板的上表面；其包括光谱检测装置固定件和光谱检测装置锁紧固定件。通过上述的光谱检测装置固定件和光谱检测装置锁紧固定件可实现对光谱检测器的固定。

根据本发明的一个实施例，所述信号共焦装置还包括设置于所述边缘滤光片装置和共焦孔之间的透镜，所述透镜通过透镜固定装置固定在底板上表面，其包括透镜固定件和“O”型调节工件。通过上述的透镜固定件可实现对透镜的固定，通过“O”型调节工件可实现对透镜上下左右四个方向的位置调节。

根据本发明的优选实施方式，在所述底板的四个角及长边的中间位置分别设有六个位置对称、高度相同且中空的加强筋，提高了底板的抗形变能力，从而提高了整个光路的稳定性。

激光共焦拉曼光谱仪的激光器发出激光，激光通过挡光板上的通光孔到达激光滤光片，经激光滤光片过滤后由第一反射镜反射至激光衰减装置，激光被一个由软件控制、由步进电机带动的圆形激光衰减装置衰减，衰减后的激光到达边缘滤光片装置，由边缘滤光片反射至第二反射镜，再由第二反射镜反射后透过显微装置的物镜照射到被测物质，被测物质被激光激发后产生的拉曼信号和瑞利散射光被物镜收集并传至边缘滤光片装置，由边缘滤光片滤除瑞利散射光后仅留下拉曼信号，该拉曼信号被透镜聚焦至共焦孔上，然后再被第三反射镜反射至光栅处分光，最后到达光谱检测装置最终形成拉曼光谱。

根据本发明的另一个方面，提供了一种激光共焦拉曼光谱仪的光路处理方法，包括如下步骤：

S1激光器发出激光，通过挡光板上的通光孔进入激光传输装置；

S2激光经由激光传输装置过滤后由第一反射镜反射至激光衰减装置衰减，获得检测被测物所需的激光强度；

S3衰减后的激光到达边缘滤光片装置，由边缘滤光片反射至第二反射镜，再由第二反射镜反射后透过显微装置的物镜照射到被测物质上；

S4被测物质被激光激发后产生的拉曼信号和瑞利散射光被物镜收集并传至边缘滤光片装置，由边缘滤光片滤除瑞利散射光后仅留下拉曼信号，该拉曼信号进入信号共焦装置；

S5拉曼信号被透镜聚焦至共焦孔上，然后再被第三反射镜反射至光栅处分光，最后到达光谱检测装置将拉曼信号形成光谱。

本发明的优点和有益技术效果如下：

1)通过在激光器的出光口增加了激光光束处理装置，将出射激光光束限制在圆筒空间内，并且能将激光衰减装置中反射激光吸收，从而在激光出射光路上大幅降低杂散光。

2)透过激光衰减装置的激光被反射镜反射后，会再度产生因反射镜引起的杂散光，该杂散光将被消反射镜散射光装置吸收大部分，剩余的杂散光被边缘滤光片反射到达消杂散光装置，可以抑制光学系统中杂散光。

3)通过将反射镜切换装置中的步进电机倒置放置、运动齿条上置和缩短反射镜与与相邻器件的间距，大幅减小了反射镜切换装置的体积。

4)通过在仪器的激光衰减装置上添加一个激光挡板结构，实现了在同一个装置上实现激光衰减和关闭激光两个功能，并且减少了仪器所需的体积。

5)通过减小透镜的焦距及其的固定件，大幅减小了仪器纵向的尺寸。

6)通过特殊的七边形光谱仪挡光板的设计，将仪器光谱仪减小了仪器横向的尺寸。

7)通过在底板上添加对称、六个高度相同且中空的加强筋，提高了底板的抗形变能力，从而提高了整个光路的稳定性。

附图说明

图1为根据本发明一个实施例的激光共焦拉曼光谱仪的立体结构示意图；

图2为根据本发明一个实施例的激光共焦拉曼光谱仪的俯视结构示意图；

图3为根据本发明一个实施例的激光共焦拉曼光谱仪的激光器和激光传输装置结构示意图；

图4为根据本发明一个实施例的激光共焦拉曼光谱仪的激光衰减装置结构示意图；

图5为根据本发明一个实施例的本发明激光共焦拉曼光谱仪的光路示意图；

附图标记说明：1、激光器；2、激光器滤光片；3、激光器衰减装置；4、第一反射镜；5、边缘滤光片；6、第二反射镜；7、物镜；8、被测物质；9、边缘滤光片；10、透镜；11、共焦孔；12、光栅；13、光谱检测装置；14、底板；15、激光光束处理装置；16、消反射镜散射光装置；17、消杂散光装置；18、反射镜切换装置；19、激光挡板；20、透镜固定装置；21、七边形光谱挡光板；22-27、强筋。

具体实施方式

下面将结合附图和具体实施例对本发明进行进一步说明。

如图1所示，本发明的激光共焦拉曼光谱仪包括：激光器、激光传输装置、边缘滤光片装置、显微装置、信号共焦装置和光谱检测装置，上述装置均固定设置在底板14的上表面。

激光器1用于发出激光，在激光器的前端设有挡光板，挡光板上开有可使激光通过的通光孔。

激光传输装置包括激光光束处理装置15、激光滤光片2、第一反射镜4和激光衰减装置3；激光光束处理装置15为一直径为1.5-2.5cm的不透光圆筒，与所述通光孔同光轴设置，一端与挡光板紧密接触，另一端与激光滤光片2紧密接触；激光滤光片22用于过滤激光，其位于激光光束处理装置15的另一侧；激光衰减装置3包括衰减片和激光挡板19，通过上位机软件控制安装了旋转齿轮的步进电机带动安装了滚珠式轴承的衰减片固定件实现对激光的衰减，以获得被测物质所需的激光强度，激光挡板19为具有部分中空的圆形片状挡板，其与所述衰减片同轴并列设置，当将所述激光挡板的中空部分转至激光束位置时，激光光束通过中空部分达到衰减片，当将所述激光挡板的实心部分转至激光束位置时，激光光束被截断，不能到达衰减片，实现关闭激光的功能；第一反射镜4用于将衰减后的激光反射至边缘滤光片装置。

边缘滤光片装置包括边缘滤光片5、9。第二反射镜6包括并排设置的两组反射装置，其中一组为单一的棱镜，用于反射激光及被激光激发的拉曼信号；另一组包括相对设置的上棱镜和下棱镜，其中上棱镜用于反射白光形成照明，下棱镜用于反射激光及激光激发的拉曼信号。此情况下，所述第二反射镜通过反射镜切换装置18固定在底板的上表面。

显微装置包括物镜7和载物台，被测物质8置于载物台上，位于物镜的正下方。信号共焦装置包括透镜10、共焦孔11和光栅12，边缘滤光片9、透镜10和共焦孔11同光轴设置。

信号共焦装置包括透镜10、共焦孔11、第三反射镜和光栅12；透镜10通过透镜固定装置20固定在底板上表面，与共焦孔同光轴，光栅12置于特殊的七边形光谱仪挡光板中，第三反射镜将共焦孔处聚集的拉曼信号反射至光栅12。

在底板14的四个角及长边的中间位置分别设有六个位置对称、高度相同且中空的加强筋22-27。

激光器1发出激光，激光通过挡光板上的通光孔到达激光滤光片2，经激光滤光片过滤后经由激光衰减装置3衰减，得到被测物质所需激光强度，由第一反射镜反射至边缘滤光片装置，由边缘滤光片5反射至第二反射镜6，再由第二反射镜6反射后透过显微装置的物镜7照射到被测物质8，被测物质8被激光激发后产生的拉曼信号和瑞利散射光被物镜收集并传至边缘滤光片装置，由边缘滤光片5和9滤除瑞利散射光后仅留下拉曼信号，该拉曼信号被透镜10聚焦至共焦孔11上，然后再被第三反射镜反射至光栅12处分光，最后到达光谱检测装置13最终形成拉曼光谱。

本发明激光共焦拉曼光谱仪的光路处理方法，包括如下步骤：

1)将被测物质置于显微装置的载物台上，并确定该被测物质所需的激光种类和强度；

2)使激光器发出激光，激光通过挡光板上的通光孔进入激光传输装置；

3)激光经由激光传输装置过滤后到达激光衰减装置衰减，获得检测被测物所需的激光强度；

4)衰减处理后的激光由第一反射镜反射到边缘滤光片装置，由边缘滤光片反射至第二反射镜，再由第二反射镜反射后透过显微装置的物镜照射到被测物质上；

5)被测物质被激光激发后产生的拉曼信号和瑞利散射光被物镜收集并传至边缘滤光片装置，由边缘滤光片滤除瑞利散射光后仅留下拉曼信号，该拉曼信号进入信号共焦装置；

6)拉曼信号被透镜聚焦至共焦孔上，然后再被第三反射镜反射至光栅处分光，最后到达光谱检测装置将拉曼信号形成光谱。

在本发明中的提到的任何数值，如果在任何最低值和任何最高值之间只是有两个单位的间隔，则包括从最低值到最高值的每次增加一个单位的所有值。例如，如果声明一种组分的量，或诸如温度、压力、时间等工艺变量的值为50-90，在本说明书中它的意思是具体列举了51-89、52-88……以及69-71以及70-71等数值。对于非整数的值，可以适当考虑以0.1、0.01、0.001或0.0001为一单位。这仅是一些特殊指明的例子。在本申请中，以相似方式，所列举的最低值和最高值之间的数值的所有可能组合都被认为已经公开。

应当注意的是，以上所述的实施例仅用于解释本发明，并不构成对本发明的任何限制。通过参照典型实施例对本发明进行了描述，但应当理解为其中所用的词语为描述性和解释性词汇，而不是限定性词汇。可以按规定在本发明权利要求的范围内对本发明作出修改，以及在不背离本发明的范围和精神内对本发明进行修订。尽管其中描述的本发明涉及特定的方法、材料和实施例，但是并不意味着本发明限于其中公开的特定例，相反，本发明可扩展至其他所有具有相同功能的方法和应用。

Claims (7)

1.一种激光共焦拉曼光谱仪，包括：激光器、激光传输装置、边缘滤光片装置、显微装置、信号共焦装置和光谱检测装置，

所述激光器发出的激光经由所述激光传输装置到达所述边缘滤光片装置，被所述边缘滤光片装置反射至显微装置，激光经由所述显微装置的物镜照射到被测物质，被测物质被激光激发后产生的拉曼信号和瑞利散射光被所述显微装置的物镜收集并传至所述边缘滤光片装置，由所述边缘滤光片装置滤除瑞利散射光后仅留下拉曼信号，所述拉曼信号经所述信号共焦装置到达光谱检测装置最终形成拉曼光谱；

所述激光器通过激光器固定装置固定在底板的上表面；所述激光固定装置包括挡光板，所述挡光板位于所述激光器的前端，其上开有可使激光通过的通光孔；

所述激光传输装置包括激光光束处理装置、激光滤光片、激光衰减装置、第一反射镜和第二反射镜；

所述激光光束处理装置位于所述挡光板的另一侧，与所述通光孔同光轴设置；和/或所述激光滤光片位于所述激光光束处理装置的另一侧；

所述激光光束处理装置为一不透光的圆筒，一端与所述挡光板紧密接触，另一端与所述激光滤光片紧密接触；所述激光光束处理装置，一方面将出射激光光束限制在圆筒内，另一方面将所述激光衰减装置中反射激光吸收，从而达到在激光出射光路上降低杂散光的目的；

所述第二反射镜包括并排设置的两组反射装置，其中一组反射装置为单一棱镜，用于反射激光及被激光激发的拉曼信号；另一组反射装置包括相对设置的上棱镜和下棱镜，其中上棱镜用于反射白光形成照明，下棱镜用于反射激光及激光激发的拉曼信号。

2.根据权利要求1所述的激光共焦拉曼光谱仪，其特征在于，所述激光衰减装置包括衰减片、激光挡板、步进电机、旋转齿轮、衰减片固定件和滚珠式轴承。

3.根据权利要求1所述的激光共焦拉曼光谱仪，其特征在于，所述边缘滤光片装置包括边缘滤光片、边缘滤光片固定件、锁紧固定件和边缘滤光片微调工件。

4.根据权利要求1所述的激光共焦拉曼光谱仪，其特征在于，所述滤光片装置包括至少一个边缘滤光片。

5.根据权利要求1所述的激光共焦拉曼光谱仪，其特征在于，所述信号共焦装置包括共焦孔、第三反射镜和光栅。

6.根据权利要求1所述的激光共焦拉曼光谱仪，其特征在于，所述信号共焦装置还包括设置于所述边缘滤光片装置和共焦孔之间的透镜。

7.一种如权利要求1所述的激光共焦拉曼光谱仪的光路处理方法，包括如下步骤：

S1激光器发出激光，通过挡光板上的通光孔进入激光传输装置；

S2激光经由激光传输装置过滤后由第一反射镜反射至激光衰减装置衰减，获得检测被测物所需的激光强度；

S3衰减后的激光到达边缘滤光片装置，由边缘滤光片反射至第二反射镜，再由第二反射镜反射后透过显微装置的物镜照射到被测物质上；

S4被测物质被激光激发后产生的拉曼信号和瑞利散射光被物镜收集并传至边缘滤光片装置，由边缘滤光片滤除瑞利散射光后仅留下拉曼信号，该拉曼信号进入信号共焦装置；

S5拉曼信号被透镜聚焦至共焦孔上，然后再被第三反射镜反射至光栅处分光，最后到达光谱检测装置将拉曼信号形成光谱。