CN112304920A - 易于光学装调的低波数拉曼检测系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种易于光学装调的低波数拉曼检测系统，包括：沿激光的入射光路依次设置的激光器、激光功率衰减模块、第一平面反射镜、第二平面反射镜、前置边带滤光片、显微物镜，以及沿透过前置边带滤光片的拉曼信号光的出射方向依次设置的后置边带滤光片、第三平面反射镜、第一透镜、共焦针孔、第二透镜、第三透镜、狭缝和光谱仪。本发明通过低成本实现了50cm‑1的低波数拉曼检测；本发明降低了激发光路端的光学设计和光机装调难度：前置边带滤光片的激光入射角度由常规的6°～7°增加为10°～12°，使AB和BC光路的角度扩大至20°～24°，大大增加了A、C两点的间距，极大的方便了光路设计，以及前置边带滤光片的安装调试。
Description
技术领域
本发明涉及光谱检测技术领域，特别涉及一种易于光学装调的低波数拉曼检测系统。
背景技术
拉曼光谱是一种测量物质内部分子振动和转动能量的指纹光谱，可以用来分析和识别官能团与对应的分子结构。实际情况中，不同分子官能团对应的振动能量不同，振动能量越小的官能团所产生的拉曼信号会越靠近激发波长，因此在测量时对拉曼低波数检测的要求就越高。然而，靠近激发波长的低波数拉曼信号检测容易受到瑞利散射信号的干扰，因此有效滤除瑞利散射对低波数拉曼信号的检测十分重要。
目前配备单片边带滤光片的拉曼光谱仪一般只能检测到高于100cm-1的拉曼信号，若要测量低于100cm-1的拉曼信号，通常需使用一片或多片价格更为昂贵的光栅滤光片或特殊带通滤光片，增加了拉曼光谱仪的成本。此外，光栅衍射会带来信号损失，拉曼信号经一片或多片光栅滤光片后透过率非常低，给弱信号的低波数拉曼检测带来了困难。
随着边带滤光片技术的发展，现有边带滤光片的截止波数可逼近50cm-1，但对激发光入射角度要求苛刻，角度过小会造成无法检测到低波数拉曼信号，角度过大会无法有效阻挡激光使拉曼信号被瑞利散射湮没。为实现低波数，通常要求激发光入射角必须在6°～7°之间，如此小角度入射，使光路折返过程中入射光和出射光空间距离十分贴近，极易造成光学元件对折返光路的遮挡，因此对边带滤光片的安装调试提出很高的要求，很难使其波数达到理论的50cm-1。因此，如何设计出一套简单实用的光路，使其既能方便边带滤光片的安装调试，又能实现低波数拉曼信号的检测，成为拉曼光谱领域亟需解决的一个难题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种易于光学装调的低波数拉曼检测系统。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种易于光学装调的低波数拉曼检测系统，包括：沿激光的入射光路依次设置的激光器、激光功率衰减模块、第一平面反射镜、第二平面反射镜、前置边带滤光片、显微物镜，以及沿透过所述前置边带滤光片的拉曼信号光的出射方向依次设置的后置边带滤光片、第三平面反射镜、第一透镜、共焦针孔、第二透镜、第三透镜、狭缝和光谱仪；
所述激光器发出的激光经所述激光功率衰减模块进行衰减后，依次经所述第一平面反射镜、第二平面反射镜反射到达所述前置边带滤光片，经所述前置边带滤光片反射后进入所述显微物镜，然后聚焦到样品上，以激发产生拉曼信号光；
所述样品发出的拉曼信号光和瑞利散射光经所述显微物镜收集后返回至所述前置边带滤光片，瑞利散射光被部分滤除，残余的瑞利散射光和拉曼信号光透过所述前置边带滤光片后投射至所述后置边带滤光片上，残余的瑞利散射光被所述后置边带滤光片滤除，拉曼信号光透过后置边带滤光片后经所述反射镜投射至所述第一透镜并聚焦在所述共焦针孔上，然后经所述第二透镜、所述第三透镜后汇聚于所述狭缝，再进入所述光谱仪，进行光谱分光和信号采集。
优选的是，所述激光功率衰减模块包括若干透过率不同的可切换进入光路的中性衰减片。
优选的是，所述激光功率衰减模块包括透过率分别为0.1％、1％、10％、25％、50％、100％的可切换进入光路的6组中性衰减片。
优选的是，所述第二平面反射镜反射后的激光以10°～12°的入射角入射到所述前置边带滤光片上。
优选的是，所述前置边带滤光片以特定角度安装，以使得被所述前置边带滤光片反射后的激光以与所述显微物镜的光轴重合的方向投射至所述显微物镜。
优选的是，透过所述前置边带滤光片的拉曼信号光以6°～7°的入射角入射到所述后置边带滤光片上。
优选的是，所述后置边带滤光片可拆装设置于所述易于光学装调的低波数拉曼检测系统中。
本发明的有益效果是：
1、本发明的易于光学装调的低波数拉曼检测系统，降低了激发光路端的光学设计和光机装调难度：前置边带滤光片的激光入射角度由常规的6°～7°增加为10°～12°，使AB和BC光路的角度扩大至20°～24°，大大增加了A、C两点的间距，极大的方便了第二反射镜至前置边带滤光片的光路设计，以及前置边带滤光片的安装调试；
2、本发明可实现对信号端共聚焦光路的微调，在双边带滤光片的设计中，后置边带滤光片可通过插拔方式轻松安装和拆卸，在拉曼检测时安装入光路，光路校正时拔出；由于前置边带滤光片与入射信号的角度偏大，瑞利散射光具有约20％的穿透率，通过将后置边带滤光片暂时拔出，利用穿透前置边带滤光片的残余瑞利散射作为拉曼信号光路的参考光路，完成对后续光学组件光路漂移的微调校准；从而可克服拉曼信号在通过边带滤光片后因光强不足，需引入外部冗余可视校准光路进行后续光学元件微调的缺点，简化了光路校准的装置和流程；
3、本发明通过低成本实现了50cm-1的低波数拉曼检测：在获取低波数拉曼有效信号时，常采用多光栅滤光片，但此常规方案信号透过率太低，且光栅滤光片如布拉格光栅的成本又居高不下；本发明采用的双片边带滤光片设计，通过对前置边带滤波片和后置边带滤波片的入射信号的角度调节，可以实现在不使用多光栅滤波片或特殊带通滤光片的情况下，对波数低至50cm-1的拉曼信号进行快速检测，节约了系统设计与制造的成本。
附图说明
图1为本发明的易于光学装调的低波数拉曼检测系统的结构示意图；
图2为图1中前置边带滤光和后置边带滤光片处的局部放大结构示意图；
图3为边带滤光片的光密度、拉曼信号透过率与光入射至边带滤光片的入射角α的关系图。
附图标记说明：
1—激光器；2—激光功率衰减模块；3—第一平面反射镜；4—第二平面反射镜；5—前置边带滤光；6—后置边带滤光片；7—显微物镜；8—样品；9—第三平面反射镜；10—第一透镜；11—共焦针孔；12—第二透镜；13—第三透镜；14—狭缝；15—光谱仪。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。
应当理解，本文所使用的诸如“具有”、“包含”以及“包括”术语并不排除一个或多个其它元件或其组合的存在或添加。
如图1所示，本实施例的一种易于光学装调的低波数拉曼检测系统，包括：沿激光的入射光路依次设置的激光器1、激光功率衰减模块2、第一平面反射镜3、第二平面反射镜4、前置边带滤光5片、显微物镜7，以及沿透过前置边带滤光5片的拉曼信号光的出射方向依次设置的后置边带滤光片6、第三平面反射镜9、第一透镜10、共焦针孔11、第二透镜12、第三透镜13、狭缝14和光谱仪15。
系统的光路为：
激光器1发出的激光经激光功率衰减模块2进行衰减后，依次经第一平面反射镜3、第二平面反射镜4反射到达前置边带滤光5片，经前置边带滤光5片反射后进入显微物镜7，然后聚焦到样品8上，以激发产生拉曼信号光；
样品8发出的拉曼信号光和瑞利散射光经显微物镜7收集后返回至前置边带滤光5片，瑞利散射光被部分滤除，残余的瑞利散射光和拉曼信号光透过前置边带滤光5片后投射至后置边带滤光片6上，残余的瑞利散射光被后置边带滤光片6滤除，使透过的信号为更纯净的拉曼信号光，拉曼信号光透过后置边带滤光片6后经反射镜投射至第一透镜10并聚焦在共焦针孔11上，通过调节针孔大小，达到共焦模式下阻挡杂散信号、提高样品8成像的三维空间分辨率，以及非共焦模式下提升样品8信号强度的目的；然后经第二透镜12、第三透镜13后汇聚于狭缝14，再进入带CCD的光谱仪15，进行光谱分光和信号采集。
激光器1为功率可调的单模窄线宽激光器1，常用激光器1波长可选325nm、473nm、488nm、532nm、633nm、660nm、785nm等。
其中，后置边带滤光片66可拆装设置于该易于光学装调的低波数拉曼检测系统中
激光功率衰减模块2包括若干透过率不同的可切换进入光路的中性衰减片，以对激光器1发出的激光实现不同程度的衰减，以更好的满足保护样品8和增强拉曼信号的功能。在一种优选的实施例中，激光功率衰减模块2包括透过率分别为0.1％、1％、10％、25％、50％、100％的可切换进入光路的6组中性衰减片；6组中性衰减片安装于滤光片轮的圆周上，将步进电机直接安装在滤光片轮芯的轮毂内，通过自动控制旋转轮芯带动滤光片轮转动，从而将不同的中性衰减片切换进入光路，实现对激光强度进行不同程度的衰减，以更好的满足保护样品8和增强拉曼信号的功能。
3个平面反射镜用来折返光路，以实现光学系统的紧凑设计和光路的等高共轴可调，并优化激光投射至前置边带滤光5片和第一透镜10的入射角度。
其中，第二平面反射镜4反射后的激光以10°～12°的入射角入射到前置边带滤光5片上。前置边带滤光5片以特定角度安装，以使得被前置边带滤光5片反射后的激光以与显微物镜7的光轴重合的方向投射至显微物镜7。透过前置边带滤光5片的拉曼信号光以6°～7°的入射角入射到后置边带滤光片6上。
具体的，参照图1，第二平面反射镜4放置于A点，将激光线沿AB方向投射至安装于B点的前置边带滤光5片5，前置边带滤光5片5以特定角度安装，以保证激光线以入射角α为10°～12°入射后沿BC方向反射进入显微物镜7(BC方向与显微物镜7的光轴重合)，在经显微物镜7聚焦至样品8上，以激发拉曼信号。拉曼信号和瑞利散射经物镜收集后返回至前置边带滤光5片，瑞利散射被部分滤除，残余的瑞利散射和拉曼信号经前置边带滤光5片后投射至以特定角度安装的后置边带滤光片6，使得入射角度α’为6°～7°。残余的瑞利散射被后置边带滤光片66滤除，使透过的信号为更纯净的拉曼信号。
以下对本系统的工作原理做进一步说明。
单个边带滤光片的安装角度对拉曼信号的获取至关重要。边带滤光片的光密度、拉曼信号透过率与光入射至边带滤光片的入射角α高度相关，其具体关系如附图3所示，图中上半部分表示光密度与入射角α的关系，图中下半部分表示拉曼信号透过率、拉曼信号的波数与入射角α的关系曲线，且图中下半部分的9条曲线从右至左分别表示入射角α为：0°、2°、4°、5°、6°、7°、8°、9°、10°。当α为0°～6°时，透射光的光密度取值为虚线以上的D区范围，OD的值大于6，激光的透过率不超过1/106，边带滤光片可以很好的阻挡瑞利散射，获得拉曼信号，但拉曼信号的波数最低只能达到100cm-1；当α为6°～7°时，透射光的光密度取值范围为E区所示，OD的值为5～6，激光的透过率不超过1/105，边带滤光片可以较好的阻挡瑞利散射，获得拉曼信号，拉曼信号的波数可达50cm-1；当α大于7°时，边带滤光片就无法有效阻挡激光，此时透射光的光密度取值为虚线以下的F区范围，OD的值为0～5，激光的透过率不低于1/105，拉曼信号极易被瑞利散射湮没。此外入射角α越小，附图1中AB和BC两条光线就越贴近，A、C两点的距离就越小，BC反射光线越容易被平面反射镜4遮挡，从而导致光学系统的设计与装调的难度增大。因此，本发明提供了一种使用两片边带滤光片的设计，让前置边带滤光5片和后置边带滤光片6配合形成双边带滤光片结构，使前置边带滤光55的安装角度有更大的灵活性，可让入射角α在10°～12°范围内灵活调节；而又通过引入后置边带滤光片6让瑞利散射入射角α’在6°～7°范围内，以有效阻挡残余瑞利散射和其他杂散光，实现对50cm-1以上的拉曼信号检测，并方便对后续共聚焦拉曼系统的光路微调。
光路微调方式：
共聚焦拉曼系统由于共焦针孔11的存在，对光路准直要求较为严苛。而光学系统在使用中难免出现光路漂移，加之拉曼散射信号极其微弱，大约是瑞利散射的1/109，因此若采用常规设计，利用拉曼信号来实现对后续9～15等光学组件的光路微调是不现实的。本发明中，后置边带滤光片6的设计使得在完成双边带滤光片的安装后，若使用过程中光学系统出现光路漂移，可随时将后置边带滤光片6拔出，此时可有约20％的残余瑞利散射经前置边带滤光5片5透射，进入后续9～15等光学组件，实现样品8反射光路的可视化，方便对后续共聚焦光路所在的光学组件进行微调。待微调结束，可将后置边带滤光片6重新安装于原位，进行拉曼信号检测。
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节。
Claims (7)
1.一种易于光学装调的低波数拉曼检测系统，其特征在于，包括：沿激光的入射光路依次设置的激光器、激光功率衰减模块、第一平面反射镜、第二平面反射镜、前置边带滤光片、显微物镜，以及沿透过所述前置边带滤光片的拉曼信号光的出射方向依次设置的后置边带滤光片、第三平面反射镜、第一透镜、共焦针孔、第二透镜、第三透镜、狭缝和光谱仪；
所述激光器发出的激光经所述激光功率衰减模块进行衰减后，依次经所述第一平面反射镜、第二平面反射镜反射到达所述前置边带滤光片，经所述前置边带滤光片反射后进入所述显微物镜，然后聚焦到样品上，以激发产生拉曼信号光；
所述样品发出的拉曼信号光和瑞利散射光经所述显微物镜收集后返回至所述前置边带滤光片，瑞利散射光被部分滤除，残余的瑞利散射光和拉曼信号光透过所述前置边带滤光片后投射至所述后置边带滤光片上，残余的瑞利散射光被所述后置边带滤光片滤除，拉曼信号光透过后置边带滤光片后经所述反射镜投射至所述第一透镜并聚焦在所述共焦针孔上，然后经所述第二透镜、所述第三透镜后汇聚于所述狭缝，再进入所述光谱仪，进行光谱分光和信号采集。
2.根据权利要求1所述的易于光学装调的低波数拉曼检测系统，其特征在于，所述激光功率衰减模块包括若干透过率不同的可切换进入光路的中性衰减片。
3.根据权利要求2所述的易于光学装调的低波数拉曼检测系统，其特征在于，所述激光功率衰减模块包括透过率分别为0.1％、1％、10％、25％、50％、100％的可切换进入光路的6组中性衰减片。
4.根据权利要求1所述的易于光学装调的低波数拉曼检测系统，其特征在于，所述第二平面反射镜反射后的激光以10°～12°的入射角入射到所述前置边带滤光片上。
5.根据权利要求4所述的易于光学装调的低波数拉曼检测系统，其特征在于，所述前置边带滤光片以特定角度安装，以使得被所述前置边带滤光片反射后的激光以与所述显微物镜的光轴重合的方向投射至所述显微物镜。
6.根据权利要求5所述的易于光学装调的低波数拉曼检测系统，其特征在于，透过所述前置边带滤光片的拉曼信号光以6°～7°的入射角入射到所述后置边带滤光片上。
7.根据权利要求1所述的易于光学装调的低波数拉曼检测系统，其特征在于，所述后置边带滤光片可拆装设置于所述易于光学装调的低波数拉曼检测系统中。
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| CN113448363A (zh) * | 2021-07-08 | 2021-09-28 | 中国科学院苏州生物医学工程技术研究所 | 拉曼光学设备自动化控制系统 |
| CN113448363B (zh) * | 2021-07-08 | 2022-05-20 | 中国科学院苏州生物医学工程技术研究所 | 拉曼光学设备自动化控制系统 |
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