CN111141722B - 激光拉曼光谱仪 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种激光拉曼光谱仪。它是在普通激光拉曼光谱仪上，增加光强监控器和光电传感器的机械控制系统。单色仪外壳底安装电磁铁，电磁铁线圈与开关串联后并联在光强监控器内部的整流桥输出端，光电传感器与光强监控器内部的电位器输入端并联，杠杆安装在单色仪外壳的入射狭缝所在的侧面上，铁磁块悬吊在杠杆短臂一侧，杠杆的长臂外端头安装光电传感器，限位支架固定在单色仪外壳的侧面，杠杆的长臂悬挂配重块。光强监控器输入端与光电传感器相连，输出端和与光强电压表并联。本发明克服了普通激光拉曼光谱仪在实验过程中光路难调、费时费力的缺陷，用观察电压表代替观察光，显著改善了实验条件。它用于物理实验教学或科研中的拉曼光谱实验。
Description
技术领域
本发明涉及一种物理学的光谱实验装置，尤其指一种激光拉曼光谱仪。
背景技术
激光拉曼光谱实验是国内各个高校近代物理实验（化学类相关专业也用它）常做的一个实验项目，激光拉曼光谱仪还广泛用于物理、化学等学科的科研。在现有技术中，该实验仪的激光器电源与半导体激光器相连，最底部的电箱内安装有电子电路和步进电机及其驱动电路等。电箱的上部安装单色仪外壳。单色仪外壳的一个侧面安装出射狭缝和出射狭缝宽度调节机构及光电倍增管光强探测机构。单色仪外壳的另一个相邻侧面安装入射狭缝和入射狭缝宽度调节机构。单色仪外壳的底部安装准直镜和物镜及平面反射镜。平面衍射光栅可转动式安装在单色仪外壳的底部并且和下面的步进电机驱动机构连接。电箱上部的另一个区域还安装聚焦镜筒、待测样品、凹面反射镜、各部件的三维调节架等光路部件。实验时，激光打在样品上产生拉曼光，通过手工调节光路，这些拉曼光通过聚焦镜筒聚焦在入射狭缝并由此进入单色仪内的准直镜变成平行光，然后投射到平面衍射光栅把不同波长的拉曼光分开不同的反射角，再投向由凹面反射镜构成的物镜聚焦，最后通过平面反射镜射向出射狭缝区域，某个波长的光就进入狭缝（但其他波长的光被挡住进入不了狭缝），最后打到光电倍增管变成该波长的电信号。该电信号送入模数转换器等电路再送入电脑，就在电脑显示屏显示该波长的谱线；当平面衍射光栅在步进电机驱动下转到另一个角度，另一个波长的光又进入了入射狭缝，进而在电脑显示屏上又显示出该波长的光谱线，---如此进行下去，就形成了拉曼光谱不同波长谱线的扫描，最终在电脑显示屏上显示出扫描谱线的各条拉曼谱线。
但是，上述功能的实现，必须先用手工调好光路才行，否则是得不到拉曼谱线的。这就要求在全黑的室内环境下，手动调节拉曼光（这包括直接投射过来的和经过凹面反射镜反射过来的）聚焦在入射狭缝。但是该光较弱，不容易观察清楚，调节起来连老师都感到很费力。学生自己往往不清楚自己是否调好了。如果没调好接着做后续的实验内容比如寻找拉曼谱线等，往往找不到，必须反过头来重新再进行多次的上述调节，很是费时费力。即便调好了光路，一旦更换测试样品还得重新调节光路，而测试样品不光是四氯化碳，因此每次实验学生至少要调节两次光路很是麻烦。激光拉曼实验仪还广泛用于物理、化学等学科的科研，快速调节其光路也是科研需求。可见，改进激光拉曼光谱仪光路调节手段很有必要。
发明内容
本发明的目的是提供一种可快速调节好光路的拉曼光谱仪，并且仪器操作简单方便、成本低。
为了实现上述目的，本发明的激光器电源24与半导体激光器相连，电箱1上部安装单色仪外壳2，单色仪外壳2的一个侧面安装出射狭缝5及出射狭缝宽度调节机构4及光电倍增管3（确切地说应该叫光电倍增管光强探测机构，本文下述简称光电倍增管）；单色仪外壳2的另一个相邻侧面安装入射狭缝10和入射狭缝宽度调节机构11。单色仪外壳2的底部安装准直镜8和物镜7及平面反射镜6，平面衍射光栅9可转动式安装在单色仪外壳2的底部并且和下面的步进电机驱动机构连接。电箱1上部的另一个区域安装聚焦镜筒12和样品14及凹面反射镜13。单色仪外壳2的底部还安装电磁铁15。电磁铁15的上端正对着的部位附近有铁磁块16，电磁铁15与铁磁块16靠着磁力可相互吸合在一起，就使杠杆18逆时针转一个角度并带动光电传感器20上移到入射狭缝10位置处；当电磁铁15断电失去磁性时，电磁铁15与铁磁块16自动分离。电磁铁15的线圈与电磁铁开关25串联后并联在光强监控器22内部的整流桥输出端。光电传感器20与光强监控器22内部的电位器47的输入端并联。杠杆18通过转轴17可转动式固定在单色仪外壳2的入射狭缝10所在的侧面上。铁磁块16上的挂钩插入杠杆18短臂一侧的小孔内，杠杆18的长臂外端头安装光电传感器20。限位支架21固定在单色仪外壳2的侧面并处于杠杆18长臂一侧，杠杆18的长臂还悬挂配重块19。
为了最大限度地降低放大电路的热噪声对微弱光强测量的影响，提高拉曼光强探测灵敏度，光强监控器22中的直流放大器由带恒流源的差动放大器构成。为了方便调节光强探测输出大小，以适应不同环境下对输入光强电压表的电压大小的要求，防止超量程，还把差动放大器的差模输入端A和B与电位器47的输出端并联。差动放大器的双端输出端C和D与光强电压表23并联，稳压电源的输出端与差动放大器的电源输入端并联。
为了提高电磁铁15和铁磁块16之间的吸引力，铁磁块16是由电磁铁构成的，铁磁块16的线圈与电磁铁15的线圈连接（串联或并联）。
由于本发明在现有技术的激光拉曼光谱仪中增加了光路调节用的光强探测监控系统，实验时通过接通电磁铁15的电源，使得杠杆18右端翘起，光电传感器20随之上移到了入射狭缝10的位置，从而它可以接收来自入射狭缝10的光线并测量光强电压。通过调节光路把光强电压调到最高就表示光路正好聚焦在入射狭缝10的位置，此时光路就调好了。然后关闭电磁铁开关25，电磁铁15就失去磁性并在配重块19的重力作用下，使光电传感器20下降不挡来自入射狭缝10的光线了，这就可进入拉曼光谱实验的后续实验过程。该调节过程是通过快捷方便地观察电压表读数并控制来实现的，克服了传统的很费力费时直接用眼睛看投向入射狭缝的光带来的不足，克服了现有技术的激光拉曼光谱仪在实验过程中光路难调、费时费力的缺陷，用观察电压表代替观察很弱的光，显著改善了实验条件和手段，并且电路结构成本低、操作使用方便。
附图说明
图1是本发明的整机原理图。
图2是本发明的光强监控器内部电路图。
具体实施方式
在图1中，激光器电源24与半导体激光器相连，半导体激光器位于电箱1内部样品14区域一侧。半导体激光器的光经过反射光路从底部投射到样品14中产生拉曼光。最底部的电箱1内安装有整机的电子电路和步进电机及其驱动电路等。电箱1上部安装单色仪外壳2，单色仪外壳2上部还有一个盖子（图1中没画）。单色仪外壳2的一个侧面安装出射狭缝5及出射狭缝宽度调节机构4及光电倍增管3（确切地说应该叫光电倍增管光强探测机构，本文简称光电倍增管）。单色仪外壳2的另一个相邻侧面安装入射狭缝10和入射狭缝宽度调节机构11。单色仪外壳2的底部安装准直镜8和物镜7及平面反射镜6，平面衍射光栅9可转动式安装在单色仪外壳2的底部并且和下面的步进电机驱动机构连接。电箱1上部的另一个区域（在入射狭缝10一侧）安装聚焦镜筒12和样品14（样品14实际是石英玻璃管内部装满测试样品比如四氯化碳液体等）及凹面反射镜13，聚焦镜筒12及样品14及凹面反射镜13都是安装在各自的三维调节架上（调节光路主要就是调节这3套三维调节架）。通过调节这三个各自独立的三维调节架，就可改变样品14被激光照射后发出的光是否聚焦在入射狭缝10上，这一项实验内容是最难调好的，是仪器调节的难点。
为了解决上述难题，本发明在普通拉曼光谱仪基础上增加了光路调试用的光强探测监控系统。把单色仪外壳2的底部用螺丝固定安装电磁铁15。电磁铁15的上端正对着的部位附近有铁磁块16，当电磁铁15与铁磁块16靠着磁力可相互吸合在一起时，就可以使杠杆18逆时针转一个角度，并带动光电传感器20上移到入射狭缝10位置处；当电磁铁15断电失去磁性时，电磁铁15与铁磁块16就会自动分离（自动分离的原因见下述相关叙述）。电磁铁15的线圈与电磁铁开关25串联后并联在光强监控器22内部的整流桥输出端（见图2）。光电传感器20与光强监控器22内部的电位器47的输入端并联（见图2）。用钢材或硬质塑料制作一个长条形状的杠杆18。杠杆18的左侧钻两个小孔，内端的一个小孔作为杠杆18的转轴孔，转轴17的一端插入该小孔作为杠杆18的支点，转轴17的另一端用丝扣固定安装在单色仪外壳2的入射狭缝10所在的侧面上。也即杠杆18通过转轴17可转动式固定在单色仪外壳2的入射狭缝10所在的侧面上。杠杆18的左侧外端头小孔则插入铁磁块16上的挂钩。这两个小孔都比插入期中的杆直径略大以使得杆可以在小孔中自由转动。杠杆18的长臂外端头安装光电传感器20。要选择杠杆18的长度（或转轴17的固定位置）使得光电传感器20随着杠杆18的右端完全翘起时正好对准入射狭缝10，以其最大面积接收来自入射狭缝10的弱光。限位支架21用丝扣模式固定安装在单色仪外壳2的侧面并处于杠杆18长臂一侧。杠杆18的长臂还悬挂配重块19。限位支架21用来防止杠杆18过度顺时针转而使得电磁铁15与铁磁块16之间的距离过大而使磁力太弱导致的两者不能吸合状态。配重块19用来恢复入射狭缝10的光不被光电传感器20挡住的作用，因为当电磁铁15的线圈没有电流时失去磁性，配重块19的重力应确保杠杆18的长臂顺时针落下，从而使得光电传感器20不再挡住入射狭缝10，以确保后续实验内容正常进行。这就要求选择配重块19的重量时，要使当电磁铁15在失去磁力的复位状态时，杠杆18的长臂力矩大于短臂力矩，这就使杠杆18的长臂落下从而也使光电传感器20落下。铁磁块16可用软铁材料制作。要恰当选择电磁铁15和铁磁块16之间的距离（通过调节电磁铁15的高度或铁磁块16吊线长度）：当杠杆18的长臂落在限位支架21上的复位状态时，以能确保当电磁铁15的线圈再次通电时，电磁铁15和铁磁块16能良好吸合为准。
杠杆18的长臂外端头上下移动的距离至少要2厘米（也就是固定其上的光电传感器20上下移动的距离）才可满足要求，而电磁铁15和铁磁块16之间的磁力可吸合距离可能要小于这个值，因此要选择杠杆18的长臂比短臂的长度至少大5倍，这相当于把长臂端的上下位移比短臂端的上下位移放大了至少5倍。
为了最大限度地降低热噪声对微弱光强测量的影响，提高拉曼光强探测灵敏度，光强监控器22中的直流放大器由带恒流源的差动放大器构成。为了方便调节光强探测输出大小，以适应不同环境下对输入光强电压表的电压大小的要求（防止表超量程或读数太小），把差动放大器的差模输入端A和B与电位器47的输出端并联。差动放大器的双端输出端C和D与光强电压表23并联，稳压电源的输出端与差动放大器的电源输入端并联。
为了提高电磁铁15和铁磁块16之间的吸引力，铁磁块16也可由电磁铁构成的，此时铁磁块16的线圈与电磁铁15的线圈串联（或并联），串联时电磁铁15和铁磁块16的线圈都选12伏工作电压的。
在图2中，变压器27、整流桥28、三端稳压器30和33、滤波电容29、31、32、34构成±12伏直流稳压电源，并且±12直流稳压电源的输出端接到差动放大器的电源输入端（也即两者相互并联）。差动放大器由三极管37、39、43和调零电位器40及电阻35、36、38、41、42、44、45、46、48构成。调节调零电位器40,就可把差动放大器的差模输入端A和B为零信号输入时的差动放大器的双端输出端C和D之间的输出电压调到零伏，以保证输入信号的放大输出电压不被失调电压所淹没，提高光电探测灵敏度。三极管37提供恒流源，提高了共模抑制比。差动放大器在本实施例中起到一个高稳定性、超低热噪声电压的直流放大器的作用，用来放大来自光电传感器20的微弱的光电电信号。
本实施例的工作过程如下：
在实验时，拨通电磁铁开关25，电磁铁15吸合铁磁块16，使得杠杆18逆时针转一个角度，导致光电传感器20上移到了入射狭缝10位置处，透过入射狭缝10的光就投射到了光电传感器20上而产生光电电压。该光电电压送入光强监控器22内部电路进行直流放大，并在光强电压表23（或电流表）上显示出电压（或电流）值。接着，仔细手动调节光路，使光强电压表23（或电流表）示数最高，这样光路就基本调好了。然后断开电磁铁开关25使杠杆18 的长臂落下，从而光电传感器20也随之落下而暴露出入射狭缝10，进而就可做后续实验内容了。
本实施例的结构件参数如下：光电传感器20可选用面积较大的光电转换器件，比如选择淘宝网上卖的产品型号ZL-G010的硅光电池，其陶瓷封装尺寸的长、宽各为16.5、15毫米，接收面尺寸的长、宽各为10、10毫米，光谱范围300--1000nm。电磁铁15可用淘宝网售卖的电磁线圈的直流工作电压为24伏的圆盘形状的直流吸盘式电磁铁，参考型号HCNE1-P40。铁磁块16用与电磁铁15同样尺寸和形状的软铁材料制作而成。杠杆18用宽1厘米、长20-30厘米、厚3-5毫米的钢片或硬质塑料制作。配重块19用铁或铅材料制作。
本实施例的电子元器件参数如下：变压器27可用10瓦双12伏的变压器；电源插头26为单相双芯插头；整流桥28的四个二极管用1N4007；四个滤波电解电容29、31、32、34用1000微法耐压25伏的；两个三端稳压器30、33的型号分别为7812、7912；电磁铁开关25用小拨动开关；电位器47用1千欧多圈电位器；调零电位器40用100欧姆的微型多圈电位器；三极管37、39、43都用型号9018的NPN三极管；电阻35、36、38、41、42、44、45、46、48分别为36、5.1、68、10、10、10、0.51、0.51、10千欧姆（这9个电阻单位全为千欧姆）；光强电压表23用内阻大于5千欧、量程0.25伏的机械直流电压表或0.05～0.1毫安的直流电流表（比如高内阻的机械万用电表的0.25伏直流电压档或直流电流0.1毫安档就行）。当然，选用数字显示的直流电压表也可以，但此时该表的供电直流电源要独立电隔离设置。
本发明可做许多变化，比如，电源也可用开关电源代替；直流放大器也可用其他类型的；也可以把光强监控器22集成到电箱1的壳体内。但是这些变化并没有偏离本发明的本质。
Claims (3)
1.一种激光拉曼光谱仪，激光器电源（24）与半导体激光器相连，电箱（1）上部安装单色仪外壳（2），单色仪外壳（2）的一个侧面安装出射狭缝（5）及出射狭缝宽度调节机构（4）及光电倍增管（3），单色仪外壳（2）的另一个相邻侧面安装入射狭缝（10）和入射狭缝宽度调节机构（11），单色仪外壳（2）的底部安装准直镜（8）和物镜（7）及平面反射镜（6），平面衍射光栅（9）可转动式安装在单色仪外壳（2）的底部并且和下面的步进电机驱动机构连接，电箱（1）上部的另一个区域安装聚焦镜筒（12）和样品（14）及凹面反射镜（13），其特征是单色仪外壳（2）的底部安装电磁铁（15），电磁铁（15）的上端正对着的部位附近有铁磁块（16），电磁铁（15）与铁磁块（16）靠着磁力相互吸合在一起，使杠杆（18）逆时针转一个角度并带动光电传感器（20）上移到入射狭缝（10）位置处，电磁铁（15）的线圈与电磁铁开关（25）串联后并联在光强监控器（22）内部的整流桥输出端，光电传感器（20）与光强监控器（22）内部的电位器（47）的输入端并联，杠杆（18）通过转轴（17）可转动式固定在单色仪外壳（2）的入射狭缝（10）所在的侧面上，铁磁块（16）上的挂钩插入杠杆（18）短臂一侧的小孔内，杠杆（18）的长臂外端头安装光电传感器（20），限位支架（21）固定在单色仪外壳（2）的侧面并处于杠杆（18）长臂一侧，杠杆（18）的长臂还悬挂配重块（19）。
2.按权利要求1所述的激光拉曼光谱仪，其特征是光强监控器（22）内部包含带恒流源的差动放大器，差动放大器的差模输入端（A）和（B）与电位器（47）的输出端并联，差动放大器的双端输出端（C）和（D）与光强电压表（23）并联，稳压电源的输出端与差动放大器的电源输入端并联。
3.按权利要求1所述的激光拉曼光谱仪，其特征是铁磁块（16）是由电磁铁构成，铁磁块（16）的线圈与电磁铁（15）的线圈连接。
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