CN110553736A - 一种拉曼光谱仪 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及拉曼光谱领域，公开了一种拉曼光谱仪。本发明中的拉曼光谱仪中交叉色散元件用于色散，柱面镜用于光束压缩，并且采用了转台和中阶梯光栅模块的组合形式，配合不同的转台转动角度可以插入不同的拉曼探头，从而在原有的单一激发波长测定的基础上实现了变激发波长的切换测量。同时本发明选择使用中阶梯光栅模块与一个转台结合而非两个反射镜分别与两个转台结合的方式，可以有效地避免了两镜之间角度转动不同步的问题。本发明实现了光谱分辨率高，测量波段范围宽，变激发波长的切换测量，以及元件转动角度同步等优点。
Description
技术领域
本发明涉及拉曼光谱技术领域，尤其涉及一种拉曼光谱仪。
背景技术
拉曼光谱技术是基于光与物质相互作用而产生的拉曼散射来进行检测的技术。拉曼光谱具有非破坏性、非侵入性、不用进行样品加工、信息丰富、分析效率高、且每个分子都有与之对应的特征拉曼光谱的特点，因此已被广泛应用于生物、化学、医疗、食品安全、航天航空、环境保护等领域。
拉曼光谱仪主要分为色散型拉曼光谱仪和傅里叶变换拉曼光谱仪。傅里叶变换拉曼光谱仪在拉曼测量的过程中需要移动元件，受环境影响较大。色散型拉曼光谱仪在高分辨率且宽波段测量情况下，其测量光通量和灵敏度较低，因此应用范围受限。而且，现有拉曼光谱仪一般难以实现激发波长变化较大情况下的拉曼光谱测量，往往只能针对某个激发波长进行测量。
鉴于上述原因，有必要提出一种拉曼光谱仪。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种拉曼光谱仪，旨在解现有拉曼光谱仪一般难以实现激发波长变化较大情况下的拉曼光谱测量。
为实现上述目的，本发明提供的一种拉曼光谱仪，所述拉曼光谱仪包括：
光源组件，用于产生拉曼光线；
准直镜组，用于接收光源组件产生的拉曼光线并形成平行光束；
干涉仪组件，所述干涉仪组件包括转台和中阶梯光栅模块，所述中阶梯光栅模块安装在所述转台上，用于通过调整所述转台的角度调整所述中阶梯光栅模块入射光线的角度；
交叉色散元件，用于将在干涉仪组件发生重叠的光谱分开；
成像组件，用于对经过所述交叉色散元件后的光谱进行后处理；
接收组件，用于接收成像组件聚焦的光谱信息；
从光源组件产生的拉曼光线经过准直镜组变成平行光束后进入所述干涉仪组件，在所述干涉仪组件中的平行光经过传输后合束成空间外差干涉光，空间外差干涉光束出干涉仪组件后经过交叉色散元件进行色散，而后进入成像组件进行后处理后，最终聚焦在所述接收组件上。
优选地，所述干涉仪组件还包括分束镜和两个平面反射镜；两个所述平面反射镜分别位于所述分束镜的前方和下方，所述中阶梯光栅模块和所述转台位于两个所述平面反射镜之间，中阶梯光栅模块、转台以及两个平面发射镜在同一条直线上；
进入干涉仪组件的光先经过分束镜分束成两束互相垂直的光，分别入射到两个平面反射镜，再经过平面反射镜发射入射到所述转台上的中阶梯光栅模块上。
优选地，所述中阶梯光栅模块包括由两块反射式光栅组成的结构，两块所述反射式光栅并列排列，且两块所述反射式光栅接收入射光线的一面背向设置。
优选地，所述中阶梯光栅模块包括由一块透射式光栅组成的结构。
优选地，所述准直镜组包括入射狭缝和准直透镜，所述准直透镜的焦点与所述入射狭缝的位置重合。
优选地，所述交叉色散元件为透射式光栅或者楔形棱镜。
优选地，所述成像组件包括用于对光谱进行压缩和消除像散的柱面镜和聚焦透镜组，所述聚焦透镜组位于所述柱面镜的后侧，用于聚焦由柱面镜出射的光线。
优选地，所述柱面镜接收入射光线的一面为弧面形。
优选地，所述光源组件包括激光器和与所述激光器连接的光纤，所述光纤为Y型光纤。
优选地，所述接收组件包括面阵探测器，用于接收由成像组件聚焦的光谱信息。
本发明的拉满光谱仪具有以下有益效果：
采用转台与中阶梯光栅模块组合的方式可以切换测量多种激发波长，可使仪器的测量对象更为广泛，具有较好的应用前景。
此外，在单次拉曼测量过程中不需要转动转台，可减少外界环境的影响。
本发明使用单一转台与中阶梯光栅模块组合，进行一次角度旋转，即可实现两种不同激发波长测量的切换，可有效避免每个光栅分别配有一个转台结构导致的各转台旋转角度不一致等问题。
此外，采用交叉色散元件和中阶梯光栅相结合的空间外差光路结构，可以大大提高光谱分辨率。
附图说明
附图作为本发明的一部分，用来提供对本发明的进一步的理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，但不构成对本发明的不当限定。显然，下面描述中的附图仅仅是一些实施例，对于本领域普通技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。在附图中：
图1是本发明中阶梯光栅型拉曼光谱仪光路结构示意图；
图2是本发明中柱面镜的正视图；
图3是本发明的中阶梯光栅模块是反射式光栅时的结构图；
图4是本发明一实施例的面阵探测器探测到的光谱分布图。
图中：
1-激光器，2-样品，3-Y型光栅，4-准直透镜，5-干涉仪组件，501-分束镜，502-第一平面反射镜，503-第二平面反射镜，504-转台，505-中阶梯光栅模块，6-交叉色散元件，7-柱面镜，8-聚焦透镜组，9-探测器。
本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施例对本发明实施例解决的技术问题、所采用的技术方案以及实现的技术效果进行清楚、完整的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本申请的一部分实施例，并不是全部实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的前提下，所获得的所有其它等同或明显变型的实施例均落在本发明的保护范围内。本发明实施例可以按照权利要求中限定和涵盖的多种不同方式来具体化。
需要说明的是，在下面的描述中，为了方便理解，给出了许多具体细节。但是很明显，本发明的实现可以没有这些具体细节。
需要说明的是，在没有明确限定或不冲突的情况下，本发明中的各个实施例及其中的技术特征可以相互组合而形成技术方案。
本发明的主要目的在于提供一种拉曼光谱仪，旨在解现有拉曼光谱仪一般难以实现激发波长变化较大情况下的拉曼光谱测量。它可以实现分辨率高、测量波段范围宽、变激发波长的切换测量和内部元件角度变换同步性的要求。
具体地，在本发明实施例中，所述拉曼光谱仪包括：
光源组件(未标示)，用于产生拉曼光线；
准直镜组(未标示)，用于接收光源组件产生的拉曼光线并形成平行光束；所述准直镜组包括入射狭缝和准直透镜，所述准直透镜的焦点与所述入射狭缝的位置重合。
干涉仪组件5，所述干涉仪组件包括转台504和中阶梯光栅模块505，所述中阶梯光栅模块505安装在所述转台504上，用于通过调整所述转台504的角度调整所述中阶梯光栅模块505入射光线的角度；
交叉色散元件6，用于将在干涉仪组件发生重叠的光谱分开，以提高光谱分辨率；可以采用透射式光栅或者楔形棱镜。
成像组件(未标示)，用于对经过所述交叉色散元件后的光谱进行后处理；所述的后处理包括对光谱进行压缩和消除像散的处理。其中，所述成像组件包括用于对光谱进行压缩和消除像散的柱面镜7和聚焦透镜组8，所述聚焦透镜组8位于所述柱面镜7的后侧，用于聚焦由柱面镜7出射的光线。
接收组件(未标示)，用于接收成像组件聚焦的光谱信息；所述接收组件包括采用面阵探测器接收由成像组件聚焦的光谱信息的结构。
从光源组件产生的拉曼光线经过准直镜组变成平行光束后进入所述干涉仪组件，在所述干涉仪组件5中的平行光经过传输后合束成空间外差干涉光，空间外差干涉光束出干涉仪组件后经过交叉色散元件进行色散，而后进入成像组件进行后处理后，最终聚焦在所述接收组件上。
本发明采用转台504与中阶梯光栅模块505组合的方式可以切换测量多种激发波长，可使仪器的测量对象更为广泛，具有较好的应用前景。此外，在单次拉曼测量过程中不需要转动转台，可减少外界环境的影响。
本发明使用单一转台504与中阶梯光栅模块505组合，进行一次角度旋转，即可实现两种不同激发波长测量的切换，可有效避免每个光栅分别配有一个转台结构导致的各转台旋转角度不一致等问题。
此外，采用交叉色散元件6和中阶梯光栅模块505相结合的空间外差光路结构，可以大大提高光谱分辨率。同时本发明选择使用中阶梯光栅模块505与一个转台504结合而非两个反射镜分别与两个转台结合的方式，可以有效地避免了两镜之间角度转动不同步的问题。本发明实现了光谱分辨率高，测量波段范围宽，变激发波长的切换测量，以及元件转动角度同步等优点。
具体地，在一实施例中，参照图1，所述干涉仪组件5还包括分束镜501和两个平面反射镜；两个所述平面反射镜分别位于所述分束镜的前方和下方，所述中阶梯光栅模块505和所述转台504位于两个所述平面反射镜之间，中阶梯光栅模块505、转台504以及两个平面发射镜在同一条直线上。
进入干涉仪组件5的光先经过分束镜501分束成两束互相垂直的光，分别入射到两个平面反射镜，再经过平面反射镜发射入射到所述转台504上的中阶梯光栅模块505上。
其中，所述中阶梯光栅模块505由两块反射式光栅组成或者由一块透射式光栅组成。当所述中阶梯光栅模块505为两块反射式光栅结构时，其具体为，两个所述反射式光栅并列排列，两个反射式光栅的接收入射光线的一面背向设置，即两块反射式光栅接收入射光线的一面均背离另一块反射式光栅。
上述中阶梯光栅模块505的两种组成形式可以提供两种选择模式的，一种是两块反射式光栅组合而成。另一种是一块透射式光栅。以满足对光栅的不同的情况，如对入射光线进行反射或者透射时进行不同的选择。
在另一优选实施例中，所述柱面镜接收入射光线的一面为弧面形，以实现对入射光束的压缩。优选采用本发明实施例的柱面镜，不仅能对由交叉色散元件传输过来的光谱进行压缩处理，还在一定程度上能进行消除像散的处理。
具体地，请参考图1～图4，为本发明的拉曼光谱仪光路结构，包括：激光器1、样品2、Y型光栅3、准直透镜4、干涉仪组件5、交叉色散元件6、柱面镜7、聚焦透镜组8以及探测器9。其中干涉仪组件5包括分束镜501、第一平面反射镜502、第二平面反射镜503、转台504和中阶梯光栅模块505。中阶梯光栅模块505是由两块反射式光栅组合而成(如图3所示)或者一块透射式光栅，交叉色散元件6可以是楔形棱镜或光栅。
柱面镜7的正视图如图2所示。准直透镜4的焦点要与入射狭缝重合，准直透镜4位于干涉仪组件5的上方，交叉色散元件位于干涉仪组件5的后侧，柱面镜7位于交叉色散元件6的后侧，聚焦透镜组8位于柱面镜7的后侧，探测器9位于聚焦透镜组8的焦平面上。激光器1发出波长为532nm-633nm的光束打到样品2上产生拉曼光，经过准直透镜4平行入射到分束器501上，经由分束器501分成两束互相垂直的光分别入射到第一平面反射镜502和第二平面反射镜503上，再经平面反射镜反射到转台504上的中阶梯光栅模块505上，根据不同的激发波长可转动转台调整入射角度，光经过中阶梯光栅透射或反射再入射到两个平面反射镜上，而后反射回分束镜合束为一束光，经过交叉色散元件6将光谱分开，再由柱面镜7进行压缩，最后由聚焦透镜组8聚焦到探测面上。
本发明按图1所示的结构实施，其中，准直透镜4的有效焦距为30mm，EdmundOptics公司生产，型号为49662；分束镜501为Newport公司的20BC17MB.1型号产品；中阶梯光栅模块505选用的为两个中国科学院长春光学精密机械与物理研究所光栅工程中心生产的36g/mm反射式刻划中阶梯光栅；转台504为Thorlabs生产的DDR25/M型号产品；面阵探测器为Andor公司型号为ikon-M-934BU2产品。
根据光栅型号为36g/mm，m＝15级，当激发波长为532nm时的入射角度为8.23°；当激发波长为633nm时的入射角度为9.80°。根据不同的激发波长可以调整转台角度来配合测量，实现了变激发波长的切换测量，同时保证了元件角度变化的一致性。
以上仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (10)
1.一种拉曼光谱仪，其特征在于，所述拉曼光谱仪包括：
光源组件，用于产生拉曼光线；
准直镜组，用于接收光源组件产生的拉曼光线并形成平行光束；
干涉仪组件，包括转台和中阶梯光栅模块，所述中阶梯光栅模块安装在所述转台上，用于通过调整所述转台的角度调整所述中阶梯光栅模块入射光线的角度；
交叉色散元件，用于将在干涉仪组件发生重叠的光谱分开；
成像组件，用于对经过所述交叉色散元件后的光谱进行后处理；
接收组件，用于接收成像组件聚焦的光谱信息；
从光源组件产生的拉曼光线经过准直镜组变成平行光束后进入所述干涉仪组件，在所述干涉仪组件中的平行光经过传输后合束成空间外差干涉光，空间外差干涉光束出干涉仪组件后经过交叉色散元件进行色散，而后进入成像组件进行后处理后，最终聚焦在所述接收组件上。
2.根据权利要求1所述的拉曼光谱仪，其特征在于，所述干涉仪组件还包括分束镜和两个平面反射镜；两个所述平面反射镜分别位于所述分束镜的前方和下方，所述中阶梯光栅模块和所述转台位于两个所述平面反射镜之间，中阶梯光栅模块、转台以及两个平面发射镜在同一条直线上；
进入干涉仪组件的光先经过分束镜分束成两束互相垂直的光，分别入射到两个平面反射镜，再经过平面反射镜发射入射到所述转台上的中阶梯光栅模块上。
3.根据权利要求1所述的拉曼光谱仪，其特征在于，所述中阶梯光栅模块包括由两块反射式光栅组成的组件，两块所述反射式光栅并列排列，且两块所述反射式光栅接收入射光线的一面背向设置。
4.根据权利要求1所述的拉曼光谱仪，其特征在于，所述中阶梯光栅模块包括由一块透射式光栅组成的组件。
5.根据权利要求1所述的拉曼光谱仪，其特征在于，所述准直镜组包括入射狭缝和准直透镜，所述准直透镜的焦点与所述入射狭缝的位置重合。
6.根据权利要求1所述的拉曼光谱仪，其特征在于，所述交叉色散元件为透射式光栅或者楔形棱镜。
7.根据权利要求1所述的拉曼光谱仪，其特征在于，所述成像组件包括用于对光谱进行压缩和消除像散的柱面镜和聚焦透镜组，所述聚焦透镜组位于所述柱面镜的后侧，用于聚焦由柱面镜出射的光线。
8.根据权利要求7所述的拉曼光谱仪，其特征在于，所述柱面镜接收入射光线的一面为弧面形。
9.根据权利要求7所述的拉曼光谱仪，其特征在于，所述接收组件包括位于所述聚焦透镜组的焦平面上的面阵探测器，用于接收由成像组件聚焦的光谱信息。
10.根据权利要求1至9任一项所述的拉曼光谱仪，其特征在于，所述光源组件包括激光器和与所述激光器连接的光纤，所述光纤为Y型光纤。
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