CN112067597B - 一种远程短波紫外马赫泽德空间外差拉曼光谱仪 - Google Patents

一种远程短波紫外马赫泽德空间外差拉曼光谱仪 Download PDF

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Abstract

一种远程短波紫外马赫泽德空间外差拉曼光谱仪，包括望远收发系统，短波紫外激光器，马赫泽德空间外差光谱仪和控制系统，望远收发系统由离轴抛物面反射镜、激光反射镜和光阑构成；马赫泽德空间外差光谱仪由前置准直物镜、拉曼滤光片、第一分束镜、反射镜、反射光栅、第一物镜、第二物镜、第二分束镜、第三物镜和面阵相机构成；控制系统用于控制短波紫外激光器发射激发光源，同时控制面阵相机记录干涉条纹信号。本发明采用同轴收发结构，能够准确的将激发光源投射到探测目标位置，同时采用马赫泽德空间外差光谱仪能够有效抑制杂散光，提高短波紫外拉曼光谱探测的灵敏度和准确性。

Description

一种远程短波紫外马赫泽德空间外差拉曼光谱仪
技术领域
本发明涉及光学成像领域，具体涉及一种远程短波紫外马赫泽德空间外差拉曼光谱仪。
背景技术
通过探测远距离目标(通常指几十厘米至上百米的范围)的激光拉曼光谱，可以对目标进行识别和分析，实现原位探测。由此发展起来的远程拉曼光谱测试技术成为拉曼光谱的一个重要分支，在行星探测、文物保护、安防等领域具有重要应用价值。随着探测距离的增加，远程拉曼光谱探测要求激发的拉曼光谱能量较高，同时外场应用，要求激光器鲁棒性好；此外，同时光谱探测系统具有高光通量、高灵敏度的特点。
在激发光源方面，拉曼光谱信号的强度与激发波长的四次方成反比，因此短波紫外拉曼散射强度明显高于可见近红外光；且短波紫外波段激光一般不会产生荧光噪声，提高了拉曼光谱探测灵敏度；传统气体短波紫外激光器，稳定性差，且体积大，维修性差。在拉曼光谱探测方面，空间外差光谱测试技术具有视场大、光通量高的优点，是进行远程拉曼光谱探测的有效方法。但是当延伸到短波紫外波段，空间外差干涉系统中光栅产生的无效衍射级次倍增，影响拉曼光谱灵敏度和准确性。
发明内容
本发明的目的在于提供一种远程短波紫外马赫泽德空间外差拉曼光谱仪以克服现有技术存在的问题。通过采用同轴收发结构，能够准确的将激发光源投射到探测目标位置，采用马赫泽德空间外差光谱仪，内置4f成像系统，能够有效抑制杂散光，提高短波紫外拉曼光谱探测的灵敏度和准确性。
为实现上述发明目的，本发明的技术方案具体如下：
一种远程短波紫外马赫泽德空间外差拉曼光谱仪，包括望远收发系统1、短波紫外激光器2、马赫泽德空间外差光谱仪3和控制系统4；望远收发系统1包括离轴抛物面反射镜101、激光反射镜102和光阑103；马赫泽德空间外差光谱仪3包括前置准直物镜301、拉曼滤光片302、第一分束镜303、反射镜304、反射光栅305、第一物镜306、第二物镜307、第二分束镜308、第三物镜309和面阵相机310；控制系统4用于控制短波紫外激光器2发射激发光源并控制面阵相机310记录干涉条纹信号。
作为优选的技术方案，所述短波紫外激光器2是半导体激光泵浦全固态激光器。
作为优选的技术方案，短波紫外激光器2的出光口与光阑103的通光口关于激光反射镜102所在平面成镜像分布。
作为优选的技术方案，第一物镜306和第二物镜307是相同镜片。
作为优选的技术方案，第一物镜306与第三物镜309构成4f系统，将反射光栅305的衍射光波面成像在面阵相机310的光敏面上；第二物镜307与第三物镜309构成4f系统，将反射镜304的反射光波面成像在面阵相机310的光敏面上。
作为优选的技术方案，所述第二分束镜308包括分束镜片和前表面光阑，通过控制光阑尺寸实现对第二分束镜308的通光宽度的调节。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
采用二极管泵浦全固态短波紫外激光器作为激发光源，与传统的气体短波紫外激光器相比，体积紧凑、鲁棒性好；
采用同轴收发结构，能够准确的将激发光源投射到探测目标位置；
采用马赫泽德空间外差光谱仪，内置4f成像系统，能够有效抑制杂散光，提高短波紫外拉曼光谱探测的灵敏度和准确性。
附图说明
图1为本发明一种远程短波紫外马赫泽德空间外差拉曼光谱仪的结构示意图。
图2是带光阑的分束镜的结构示意图。
具体实施方式
实施例
如图1和2所示，本发明一种远程短波紫外马赫泽德空间外差拉曼光谱仪，包括望远收发系统1，短波紫外激光器2，马赫泽德空间外差光谱仪3和控制系统4；其中望远收发系统1由离轴抛物面反射镜101、激光反射镜102和光阑103构成；马赫泽德空间外差光谱仪3由前置准直物镜301、拉曼滤光片302、第一分束镜303、反射镜304、反射光栅305、第一物镜306、第二物镜307、第二分束镜308、第三物镜309和面阵相机310构成；控制系统4用于控制短波紫外激光器2发射激发光源，同时控制面阵相机310记录干涉条纹信号。反射镜304的反射面中心位于第一物镜306的前焦点位置，反射光栅305的反射面中心位于第二物镜307的前焦点位置，第二分束镜308的中心位于第一物镜306的后焦点位置，同时也是第二物镜307的后焦点位置，同时也是第三物镜309的前焦点位置，面阵相机310的光敏面位于第三物镜309的后焦面位置。所有光学元件相对于基底同轴等高，即相对于光学平台或仪器底座同轴等高。
优选的，短波紫外激光器2采用半导体激光泵浦全固态激光器，激发波长涵盖213nm、228nm、266nm等短波紫外波长。
短波紫外激光器2的出光口与光阑103的通光口关于激光反射镜102所在平面成镜像分布，且短波紫外激光器2出光口的几何尺寸大于光阑103通光口的几何尺寸。
第一物镜306、第二物镜307的规格相同。
第一物镜306与第三物镜309构成4f系统，能够将反射光栅305的衍射光波面成像在面阵相机310的光敏面上；第二物镜307与第三物镜309构成4f系统，能够将反射镜304的反射光波面成像在面阵相机310的光敏面上。
工作时，短波紫外激光器2采用半导体激光泵浦全固态激光器，激发波长涵盖213nm、228nm、266nm等短波紫外波长。与可见光、近红外激发光源相比，激发效率更高、荧光干扰弱、室外背景杂光少；采用半导体激光泵浦全固态激光器，体积紧凑，鲁棒性好。望远收发系统1能够同时完成激发光源信号发射与拉曼光谱接收工作，激发光信号与接收光信号采用同一个离轴抛物面反射镜101作为主镜，能够准确的将激发光源投射到探测目标位置。采用马赫泽德空间外差光谱仪3，内置4f成像系统，能够有效抑制反射光栅305产生的无效衍射级次杂散光，如图1中点划线所示，无效衍射级次杂散光无法通过第二分束镜308进入面阵相机310，进而可以提高短波紫外拉曼光谱探测的灵敏度和准确性。

Claims (6)

1.一种远程短波紫外马赫泽德空间外差拉曼光谱仪，其特征在于：包括望远收发系统(1)，短波紫外激光器(2)，马赫泽德空间外差光谱仪(3)和控制系统(4)；其中望远收发系统(1)由离轴抛物面反射镜(101)、激光反射镜(102)和光阑(103)构成；马赫泽德空间外差光谱仪(3)由前置准直物镜(301)、拉曼滤光片(302)、第一分束镜(303)、反射镜(304)、反射光栅(305)、第一物镜(306)、第二物镜(307)、第二分束镜(308)、第三物镜(309)和面阵相机(310)构成；控制系统(4)用于控制短波紫外激光器(2)发射激发光源，同时控制面阵相机(310)记录干涉条纹信号；短波紫外激光器(2)采用半导体激光泵浦全固态激光器，激发波长涵盖213nm、228nm、266nm等短波紫外波长；光阑(103)位于离轴抛物面反射镜(101)的焦点位置；马赫泽德空间外差光谱仪(3)中前置准直物镜(301)的前焦点位于光阑(103)位置，反射镜(304)的反射面中心位于第一物镜(306)的前焦点位置，反射光栅(305)的反射面中心位于第二物镜(307)的前焦点位置，第二分束镜(308)的中心位于第一物镜(306)的后焦点位置，同时也是第二物镜(307)的后焦点位置，同时也是第三物镜(309)的前焦点位置，面阵相机(310)的光敏面位于第三物镜(309)的后焦面位置；所有光学元件相对于基底同轴等高，即相对于光学平台或仪器底座同轴等高。
2.根据权利要求1所述的一种远程短波紫外马赫泽德空间外差拉曼光谱仪，其特征在于：短波紫外激光器(2)采用半导体激光泵浦全固态激光器，体积紧凑，鲁棒性好。
3.根据权利要求1所述的一种远程短波紫外马赫泽德空间外差拉曼光谱仪，其特征在于：短波紫外激光器(2)的出光口与光阑(103)的通光口关于激光反射镜(102)所在平面成镜像分布。
4.根据权利要求1所述的一种远程短波紫外马赫泽德空间外差拉曼光谱仪，其特征在于：第一物镜(306)、第二物镜(307)的规格相同。
5.根据权利要求1所述的一种远程短波紫外马赫泽德空间外差拉曼光谱仪，其特征在于：第一物镜(306)与第三物镜(309)构成4f系统，能够将反射光栅(305)的衍射光波面成像在面阵相机(310)的光敏面上；第二物镜(307)与第三物镜(309)构成4f系统，能够将反射镜(304)的反射光波面成像在面阵相机(310)的光敏面上。
6.根据权利要求1所述的一种远程短波紫外马赫泽德空间外差拉曼光谱仪，其特征在于：上述第二分束镜(308)由分束镜片和前表面光阑构成，通过控制光阑尺寸调节第二分束镜(308)的通光宽度。
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