CN112782149A - 一种多功能拉曼光谱仪 - Google Patents

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王守国
蒋霖坤
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Qilu University of Technology
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Qilu University of Technology
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    • G01N21/62—Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light
    • G01N21/63—Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light optically excited
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    • G—PHYSICS
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    • G01N21/73—Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light thermally excited using plasma burners or torches

Abstract

本发明适用于光谱仪技术领域，公开了一种多功能拉曼光谱仪，能够同时进行拉曼光谱和等离子体光谱分析，在Czerny‑Turner光路结构基础上，增加一片反射镜和一片带孔反射镜用以将反射前和反射后的光分离，同时两片凹面反射镜基本不偏转，使得不同波长的光斑焦点在探测器像平面上竖直高度减小1‑2个数量级，提升了提升光谱仪的灵敏度，同时，不同波长的光斑焦点在探测器像平面上水平方向尺寸大幅减小，光谱仪分辨率得以提升。通过采用特殊光纤束连接的拉曼光谱仪和等离子体发光光谱仪，能够实现对于等离子体发光光谱的分析。

Description

一种多功能拉曼光谱仪
【技术领域】
本发明涉及光谱仪，特别涉及一种多功能拉曼光谱仪。
【背景技术】
拉曼光谱，是一种散射光谱。拉曼光谱分析法是基于印度科学家C.V.拉曼（Raman）所发现的拉曼散射效应，对与入射光波长不同的散射光谱进行分析以得到分子振动、转动方面信息，并应用于分子结构研究的一种分析方法。由于不同的分子具有特定的的振动和转动能级，当某一波长的激光与某一物质分子发生散射时，一部分激光光子与物质分子发生能量交换。发生能量交换后，激光光子波长改变。由于不同的振动和转动能级与激光光子波长改变一一对应，因而通过分析散射后激光光谱便可以确定分子的振动或转动能级差，并根据这些能级差分析出发生散射的分子是那种物质。等离子体光谱是指从等离子体内部发出的从红外到真空紫外波段的电磁辐射谱，它携带了大量有关等离子体复杂的原子过程的信息。利用光谱学的原理和实验技术，并借助于等离子体的理论模型，测量分析等离子体光谱，对于等离子体的研究具有重要意义。目前，还很少有仪器能够同时进行拉曼光谱和等离子体光谱分析。
【发明内容】
本发明提出了一种多功能拉曼光谱仪，能够同时进行拉曼光谱和等离子体光谱分析。本装置在Czerny-Turner光路结构基础上，增加一片反射镜和一片带孔反射镜用以将反射前和反射后的光分离，同时两片凹面反射镜基本不偏转，使得不同波长的光斑焦点在探测器像平面上竖直高度减小1-2个数量级，提升了提升光谱仪的灵敏度，同时，不同波长的光斑焦点在探测器像平面上水平方向尺寸大幅减小，光谱仪分辨率得以提升。通过采用特殊光纤束连接的拉曼光谱仪和等离子体发光光谱仪，能够实现对于等离子体发光光谱的分析。
本发明所述的多功能拉曼光谱仪包括：激光器、第一透镜、第二透镜、第三透镜、第一反射镜、第二反射镜、第一凹面反射镜、第二凹面反射镜、第三凹面反射镜、第四凹面反射镜、第一光纤端面、第二光纤端面、第三光纤端面、第四光纤端面、第一感光面、第二感光面、第一光栅、第二光栅、样品、检测点、狭缝、滤光片、第二反射镜、孔、棱镜。
激光器出射激光经第一透镜聚焦后进入第一光纤端面，后经过第二光纤端面，由第二透镜准直后由第三透镜聚焦于检测点，激光激发样品后产生的拉曼光由第三透镜收集并准直后，经第二透镜聚焦于第二光纤端面，出射第三光纤端面后进入狭缝，从狭缝入射的光被第一反射镜反射后，经第一凹面反射镜反射准直，后被第一光栅将不同波长在水平方向衍射至不同角度，再被第二反射镜反射后，经第二凹面反射镜反射，后穿过第二反射镜中的孔，不同波长聚焦于第一感光面上水平方向不同位置。
用于等离子体发光光谱探测时，检测点处的离子体发射的光由第三透镜收集并准直后，经第二透镜聚焦于第二光纤端面中的光纤，经光纤传导至第四光纤端面，由第三凹面反射镜反射并准直，经第二光栅将不同波长衍射至竖直方向的不同角度，再由棱镜折射并反射后将不同波长在水平方向分开，经第四凹面反射镜反射并将不同波长聚焦于第二感光面上不同位置。
本发明的有益效果在于：
1、能够同时进行拉曼光谱和等离子体光谱分析；
2、在Czerny-Turner光路结构基础上，增加第一反射镜和第二反射镜，从而优化光谱仪结构；
3、采用点转线的光纤束，能够在保证分辨率的前提下，大幅增加信号光收集效率从而大幅提升灵敏度；
4、拉曼光谱模块和等离子体光谱模块用特制光纤束连接，能够同时分析两种光谱；
5、通过使用ICCD等高灵敏度探测器，可以实现固体、液体、气体探测。
【附图说明】
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，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它的附图，其中：
图1为本发明具体实施方式的装置结构示意图
【具体实施方式】
下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
本发明的实施方式，装置如图1所示：激光器1、第一透镜2、第一光纤端面3、第二光纤端面4、第二透镜5、第三透镜6、检测点7、第三光纤端面8、狭缝9、第一反射镜10、第一凹面反射镜11、滤光片12、第一光栅13、第二反射镜14、孔15、第二凹面反射镜16、第一感光面17、第四光纤端面22、第三凹面反射镜23、第二光栅24、棱镜25、第四凹面反射镜26、第二感光面27。激光器1出射激光经第一透镜2聚焦后进入第一光纤端面3，后经过第二光纤端面4，由第二透镜5准直后由第三透镜6聚焦于检测点7。激光激发气体后产生的拉曼光由第三透镜6收集并准直后，经第二透镜5聚焦于第二光纤端面4，出射第三光纤端面8后进入狭缝9。从狭缝9入射的光被第一反射镜10反射后，经第一凹面反射镜11反射准直，后被第一光栅13将不同波长在水平方向衍射至不同角度，再被第二反射镜14反射后，经第二凹面反射镜16反射，后穿过第二反射镜14中的孔15，不同波长聚焦于探测器的感光面17上水平方向不同位置。这里，第一反射镜10相对于狭缝9夹角 45度左右，第一凹面反射镜11对称轴相对于第一反射镜10夹角45度左右，第一凹面反射镜11对称轴与光栅13法线夹角0度左右，第二凹面反射镜16对称轴相对于感光面17法线夹角0度左右。第二光纤端面4如18所示，中心光纤20连接第一光纤端面3用以传输激光，其余光纤收集拉曼信号光，由于多根光纤增加了收集面积从而增加了信号光强度。第三光纤端面8如19所示，每根光纤排成一排并对准狭缝9，从而保证信号强度的同时确保了光谱分辨率。
用以等离子体发光光谱探测时，检测点7处的离子体发射的光由第三透镜6收集并准直后，经第二透镜5聚焦于第二光纤端面4中的光纤21，经光纤传导至第四光纤端面22，由第三凹面反射镜23反射并准直，经第二光栅24将不同波长衍射至竖直方向的不同角度，再由棱镜25折射并反射后将不同波长在水平方向分开，经第四凹面反射镜26反射并将不同波长聚焦于第二感光面27上不同位置。这里，第二光栅24与水平方向成40-60°的一定夹角，用以竖直方向分光；棱镜25一面镀有反射涂层，棱镜25用以水平分光。
这样，图1装置可以实现对于等离子体发光光谱和拉曼光谱的同时分析。
以上所述的仅是本发明的较佳实施例，在此应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出改进，但这些均属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种多功能拉曼光谱仪，包括激光器、第一透镜、第二透镜、第三透镜、第一反射镜、第二反射镜、第一凹面反射镜、第二凹面反射镜、第三凹面反射镜、第四凹面反射镜、第一光纤端面、第二光纤端面、第三光纤端面、第四光纤端面、第一感光面、第二感光面、第一光栅、第二光栅、样品、检测点、狭缝、滤光片、第二反射镜、孔、棱镜，其特征在于：激光器出射激光经第一透镜聚焦后进入第一光纤端面，后经过第二光纤端面，由第二透镜准直后由第三透镜聚焦于检测点，激光激发样品后产生的拉曼光由第三透镜收集并准直后，经第二透镜聚焦于第二光纤端面，出射第三光纤端面后进入狭缝，从狭缝入射的光被第一反射镜反射后，经第一凹面反射镜反射准直，后被第一光栅将不同波长在水平方向衍射至不同角度，再被第二反射镜反射后，经第二凹面反射镜反射，后穿过第二反射镜中的孔，不同波长聚焦于第一感光面上水平方向不同位置。
2.根据权利要求1所述的一种多功能拉曼光谱仪，其特征在于：为达到同时检测拉曼光谱和等离子体发光光谱的目的，检测点处的离子体发射的光由第三透镜收集并准直后，经第二透镜聚焦于第二光纤端面中的光纤，经光纤传导至第四光纤端面，由第三凹面反射镜反射并准直，经第二光栅将不同波长衍射至竖直方向的不同角度，再由棱镜折射并反射后将不同波长在水平方向分开，经第四凹面反射镜反射并将不同波长聚焦于第二感光面上不同位置。
3.根据权利要求1所述的一种多功能拉曼光谱仪，其特征在于：第一光纤端面连接第二光纤端面的光纤束中心光纤。
4.根据权利要求1所述的一种多功能拉曼光谱仪，其特征在于：第二光纤端面的光纤束中心光纤连接第一光纤端面，第二光纤端面的光纤束中一根边缘光纤连接第四光纤端面，第二光纤端面的光纤束中其余光纤连接
第三光纤端面，第二光纤端面为圆形，第三光纤端面为线型并与狭缝对准。
5.根据权利要求1所述的一种多功能拉曼光谱仪，其特征在于：第一凹面反射镜对称轴与光栅法线夹角在0-10度之间。
6.根据权利要求1所述的一种多功能拉曼光谱仪，其特征在于：第二凹面反射镜称轴与感光面法线夹角在0-10度之间。
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