CN112945927A - 一种原位高压共焦拉曼光谱测量系统 - Google Patents

Abstract

本发明的一种原位高压共焦拉曼光谱测量系统，属于光学设备技术领域。该系统的结构按光路顺序有激光器光源(1)、物镜采集系统(2)、激光切换系统(3)、拉曼光谱仪(4)和高压系统(5)。本发明可以对待测样品进行准确的拉曼光谱测量；可以自由添加多种激光器；适用于高压下样品的原位检测，提升采集效率；可以观察光路偏移情况，辅助调整内光路；光路中设计了激光切换系统，封闭式光路可以对杂散光进行严格的抑制,保证信噪比。

Description

一种原位高压共焦拉曼光谱测量系统

技术领域

本发明属于光学设备技术领域，涉及一种光谱测量系统，特别涉及一种原位高压共焦拉曼光谱测量系统。

背景技术

随着高压技术的发展日渐成熟，金刚石对顶砧(diamond anvil cell，DAC)可以提供高达几百GPa(1GPa＝10⁹Pa，常温常压为1.01×l0⁵ Pa)的压力并进行完全的原位物理性质测量，而金刚石本身具有的透明性质为我们提供了一个高压下的光学测量窗口，可以对材料进行拉曼光谱(Raman spectra)的测量。拉曼光谱是一种散射光谱，可以提供分子键的振动、转动等方面的结构信息。它依赖于单色光的非弹性散射(拉曼散射)，通过测量单色光能量的转移能得到待测系统中振动模式的信息。激光拉曼和高压技术的结合使人们得以研究在压力作用下物质内部结构的变化。而高压拉曼光谱可以给出物质内部微观粒子排列以及相互作用随压力变化的信息，它是研究压力引起的结构相变和软模相变的强有力工具之一。

但是，自发拉曼散射通常非常弱，其强度一般小于入射光强的10^-6倍。因此采集拉曼光谱的主要困难在于将弱的非弹性散射光与强瑞利散射激光分开并且对于拉曼光谱进行有效采集。就拉曼光谱仪器本身而言，目前提高拉曼散射光收集效率的主要方法是采用共聚焦拉曼的方法。共聚焦拉曼是将拉曼光谱系统与显微镜相结合，可将激发光的光斑聚焦到微米量级，进而对样品的微区进行精确分析。但是集成共聚焦拉曼系统价格昂贵，占地面积大，且操作相对复杂。简易式拉曼系统存在的问题则是不能隔绝环境光对拉曼信号的影响，必须在暗室中进行实验，而且往往都是单激光器，无法实现多激光器的自由切换。集成共聚焦拉曼系统和简易式拉曼系统都存在在采集样品信号过程中，样品受激光照射的变化无法实时观测，每次进行拉曼测量都需要在显微镜下重新定位样品位置，且在使用中拉曼光谱仪一旦因为机械振动，温湿度变化，或人为原因导致内光路偏移，就会造成信号减弱的情况，检修起来比较复杂费力的问题。

与本发明相近的现有技术是申请号为202010112423.8的发明专利申请，公开了一种基于物镜信号采集的拉曼光谱仪。其结构主要有激光器光源、拉曼光谱仪光路系统、色散系统、单色仪系统、光栅系统、信号采集系统。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，提供一种原位高压共焦拉曼光谱测量系统，可以对高压下待测样品进行准确的拉曼光谱测量。

为实现上述目的，本发明采用以下技术手段。

一种原位高压共焦拉曼光谱测量系统，结构按光路顺序有激光器光源1、物镜采集系统2、拉曼光谱仪4；所述的拉曼光谱仪4，主要结构有狭缝、单色仪、光栅以及电荷耦合器件(CCD)；其特征在于，在物镜采集系统2和拉曼光谱仪4之间有激光切换系统3，在物镜采集系统2端头有高压系统5；

所述的激光器光源1，由波长647nm激光器11、波长532nm激光器12、波长473nm激光器13组成；发出的激光经中性滤波片17进入物镜采集系统2；

所述的物镜采集系统2，激光由激光入光口21经第一半透半反镜22反射、第二半透半反镜23透射、安装在轮盘25半径位置上的二向色镜26反射大于激光波长的光，透过激光波长的光，再经物镜27聚焦在高压系统5内的待测样品上；照射待测样品产生的散射光经物镜27收集、二向色镜26透过，得到的散射光再经过第二半透半反镜23反射，从散射光出光口24进入激光切换系统3；

所述的激光切换系统3，结构有光学笼组件31，所述光学笼组件由9个独立光学笼组成，光学笼组件31开有散射光入射口32和拉曼散射光出光口33；光学笼组件31内中间位置并排装有三个旋转座34，三个旋转座34上沿其直径与其垂直分别装有第一边缘滤波片35、第二边缘滤波片36、第三边缘滤波片37；安装在中间的边缘滤波片的两侧分别装有平动全反三棱镜，靠近散射光入射口32的边缘滤波片一侧装有平动全反三棱镜、另一侧装有固定全反三棱镜，靠近拉曼散射光出光口33的边缘滤波片一侧装有平动全反三棱镜、另一侧装有固定全反三棱镜，六个全反三棱镜均装有俯仰/倾斜调节器43；三个边缘滤波片的中心与六个全反三棱镜的中心处于同一平面内；在散射光入射口32一侧装有遮光筒48，遮光筒48和光学笼组件31构成封闭的内光路；拉曼散射光出光口33处装有笼杆38，笼杆38中装有两个透镜39，在两个透镜39之间的笼杆38上装有观察镜，所述的观察镜，是在笼杆38上方装有观察透镜44和观察目镜45，在笼杆38外侧装有能平动的观察三棱镜46，观察三棱镜46装有俯仰/倾斜调节器43；散射光进入光学笼组件31内经全反三棱镜反射、透过边缘滤波片，通过拉曼散射光出光口33，或经全反三棱镜反射、透过边缘滤波片再经两次全反三棱镜反射，通过拉曼散射光出光口33；最后经两个透镜39进入拉曼光谱仪4；

所述的高压系统5，主要部件是金刚石对顶砧51，金刚石对顶砧51是由两个金刚石压砧和在金刚石压砧砧面之间放入的中间有圆洞的钢片构成，钢片的圆洞与两个砧面围成的空间为样品腔，样品腔内还有标压介质；样品腔、物镜27、二向色镜26、第一半透半反镜22、第二半透半反镜23的中心在同一条直线上。

进一步的，所述的波长647nm激光器11，输出功率为70mW，线宽为小于0.00001nm，模式为TEM₀₀，光斑直径为1.1mm；所述的波长532nm激光器12，输出功率为150mW，线宽为小于0.01pm，模式为TEM₀₀，光斑直径为0.7±0.07mm；所述的波长473nm激光器13，输出功率为50mW，线宽为小于0.00001nm，模式为TEM₀₀，光斑直径为2.0mm。

进一步的，所述的激光器光源1，在波长647nm激光器11与中性滤波片17之间装有第一扩束器14、波长532nm激光器12与中性滤波片17之间装有第二扩束器15、波长473nm激光器13与中性滤波片17之间装有第三扩束器16。

进一步的，物镜27选用50X和20X的长工作距离明场复消色差物镜。

进一步的，在激光切换系统中，所述的两个透镜39，均安装在XY调节安装座47中，在观察三棱镜46移出笼杆38后，XY调节安装座47能够调节两个透镜39使拉曼散射光聚焦最小且打入单色仪狭缝。

进一步的，在激光切换系统中的笼杆38可外加遮光罩减少环境光对测试的影响。

进一步的，所述的高压系统5，还有样品升降台52，样品升降台52的顶面有马蹄形凹槽与金刚石对顶砧51的底面相吻合；而且可以另加变温台，满足不同温度下对样品测试的需求。

本发明的有益效果：

本发明提供一种基于物镜信号采集的拉曼光谱仪，可以对待测样品进行准确的拉曼光谱测量。①本发明的各个部分的集成程度更高，更容易缩小设备体积和重量。②可以自由添加多种激光器。③本发明基于物镜信号采集可以做到原位共聚焦采集拉曼信号，大大提升采集效率。④本发明被测高压样品的样品腔内视光路处于测量光路的延长线上，可在对样品进行测试时实时观察样品腔内部；在内光路上设置了校准显微镜，可以观察光路偏移情况，辅助调整内光路。⑤样品台设有固定金刚石对顶砧的马蹄状圆弧形凹槽，以便在加压后继续对样品进行原位测量。⑧光路中设计了激光切换系统，包含在光路系统中，由光学笼和笼杆组成的封闭式光路可以对杂散光进行严格的抑制,保证信噪比。总之，根据本发明研发的拉曼光谱系统，极大简化了常规拉曼光谱仪的光学系统同时保证较高的灵敏度；而且适用于高压下样品的原位检测。可用于生物、物理、化学以及医药方面的监测和分析。可以自定义多激光器，并且在检修维护方面方便快捷。

附图说明

图1为本发明一个实施例的总体结构示意图。

图2为本发明一个实施例的物镜采集系统和高压系统结构示意图。

图3为本发明一个实施例的激光切换系统结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步说明。

实施例1本发明的总体结构

本实施例提供一种原位高压共焦拉曼光谱测量系统，包括激光器光源、拉曼光谱仪光路系统、激光切换系统、色散系统以及信号采集系统。

所述的激光器光源用于发出拉曼光谱激发光。

所述拉曼光谱仪光路系统用于将激发激光聚焦照射到待测样品上，同时收集样品上产生的拉曼散射光。本发明的拉曼光谱仪光路系统包括有扩束器14、15、16、反射镜(图1中的镜1～镜5)、中性滤波片14、二向色镜26、物镜27、全反三棱镜、边缘滤波片35、36、37、透镜39；入射激光经过聚焦，反射镜反射，经过轮盘25，轮盘25上的二向色镜26反射大于激光波长的光，透过激光波长的光，通过物镜27聚焦在被测样品上，照射样品产生的散射光经物镜27收集，然后经过二向色镜26，散射光经过边缘滤波片滤过瑞利散射光，得到拉曼散射光，最后经过透镜39汇聚，聚焦到单色仪狭缝处。

所述色散系统主要包括单色仪系统，通过单色仪配备的光栅系统将收集到的拉曼散射光将不同波长的光以不同的空间角衍射。

所述信号采集系统，通过电荷耦合器件Charge-coupled Device(CCD)将光学信号转换为模拟电流信号，电流信号经过放大和模数转换，实现图像的获取、存储、传输、处理和复现。

色散系统和信号采集系统集成在光谱仪中，本发明采用PI-750光谱仪。

如图1所示，本发明的结构按光路顺序有激光器光源1、物镜采集系统2、激光切换系统3、拉曼光谱仪4和高压系统5。

作为拉曼激发光的激光器光源1，采用波长647nm激光器11，波长532nm激光器12和波长473nm激光器13，输出功率分别为70mW、150mW、50mW；线宽分别为小于0.00001nm、小于0.01pm、小于0.00001nm，模式均为TEM00，光斑直径分别为1.1mm、0.7±0.07mm、2.0mm。激光经过扩束器14、15、16放大，反射镜(镜4、镜5)反射后，再经过中性滤光片17，二向色镜26透射后，进入物镜27。

作为物镜采集系统2，其结构按激光光路顺序有第一半透半反镜22、第二半透半反镜23、轮盘25和安装在轮盘25半径位置上的二向色镜26、物镜27。激光聚焦在高压系统5内的待测样品上，产生的散射光经物镜27收集、二向色镜26滤除其中的瑞利散射光，得到的拉曼散射光再经过第二半透半反镜23反射，进入激光切换系统3。

作为激光切换系统3，其结构按激光光路顺序有反射镜(镜8)，第一边缘滤波片35、第二边缘滤波片36、第三边缘滤波片37的一侧各有一个全反三棱镜(棱1、棱3、棱5)，将接收反射镜(镜8)传来的拉曼散射光并发射透过各边缘滤波片，再由边缘滤波片另一侧的全反三棱镜(棱2、棱4、棱6)反射到透镜39，之后拉曼散射光进入就拉曼光谱仪4。图1中的镜9为画图方便而设置。

作为拉曼光谱仪4，为现有技术，主要部件有狭缝、单色仪、光栅以及电荷耦合器件(CCD)。

作为高压系统5，结构主要为金刚石对顶砧51，在样品腔中可以装有被检测样品和标压介质(红宝石)。

实施例2物镜采集系统

如图2所示，物镜27收集的散射光经过一个带有五个二向色镜26的轮盘25，分别在不同的入射波长下使用，其中只有532nm激光器拥有一个二向色镜，其余两激光器分别多拥有一个针对低波数段的二向色镜。倾斜入射二向色镜26会使大于激光波段外的杂散光滤过，确保入射激光是单波长的。物镜27在本发明的拉曼光谱系统中被利用两次，首先，激光经过物镜27后被聚焦在样品上。激光打在样品上后会发生散射同时激发拉曼散射。此后散射光(包括瑞利散射和拉曼散射)会经过物镜27再次汇聚，最终被收集进入单色仪。一个物镜同时起到两次汇聚的作用，大大减少了光路中的光学元件。本发明中，物镜27选用50X和20X的长工作距离明场复消色差物镜，它们在可见光范围提供平坦的聚焦面和色差校正，长工作距离在透镜表面和样品间提供大空间，以保证留出金刚石压砧空间，也能提高激光穿透样品效率和信号收集效果。

和激光器发出的激光波长对应的二向色镜26置于显微镜光路里，用作杂散光滤光片，消除高于对应激光器波段的光。

如图2，经待测样品反射的拉曼散射光激光斑点以及待测样品还可以通过摄像机和显示器进行观测。

实施例3激光切换系统

如图3所示，激光切换系统3的结构有光学笼组件31，光学笼组件31开有散射光入射口32和拉曼散射光出光口33；光学笼组件31内中间位置并排装有三个旋转座34，三个旋转座34上沿其直径与其垂直各装有第一边缘滤波片35、第二边缘滤波片36、第三边缘滤波片37；安装在中间的第二边缘滤波片36两侧分别装有平动全反三棱镜(棱3和棱4)，靠近散射光入射口32的第一边缘滤波片35一侧装有平动全反三棱镜(棱1)、另一侧装有固定全反三棱镜(棱2)，靠近拉曼散射光出光口33的第三边缘滤波片37一侧装有平动全反三棱镜(棱6)、另一侧装有固定全反三棱镜(棱5)。六个全反三棱镜均装有俯仰/倾斜调节器43；三个边缘滤波片的中心以及六个全反三棱镜的中心处于同一平面内。在拉曼散射光出光口33处装有笼杆38，笼杆38和光学笼组件31构成封闭的内光路。在拉曼散射光出光口33段的笼杆38中装有两个透镜39，在两个透镜39之间笼杆38上装有观察镜，观察镜由观察透镜44和观察目镜45构成，在笼杆38下方装有能上下平动的观察三棱镜46，观察三棱镜46装有俯仰/倾斜调节器43。

拉曼散射光进入光学笼组件31内经全反三棱镜(棱3)反射、透过第三滤光片37，进入笼杆38，或经全反三棱镜(棱3)反射、透过第二滤光片36再经两次全反三棱镜(棱4和棱6)反射，进入笼杆38，或经全反三棱镜(棱1)反射、透过第一滤光片35再经两次全反三棱镜(棱2和棱6)反射，通过拉曼散射光出光口33；最后经两个透镜39进入拉曼光谱仪4。

光路中所有全反三棱镜都装在16mm光学笼组件31和笼杆38内。另有第一边缘滤波片35、第二边缘滤波片36、第三边缘滤波片37置于激光切换系统的光学笼组件31内，配有旋转座34，如果想通过置于透镜39前的内光路观察镜观察激光斑点检验光路，可通过旋转旋转座34增加散射光打入边缘滤波片的入射角，这样起始波长和截止波长会向短波偏移，使瑞利光透过，方便肉眼观察。两个透镜39分别装在两个XY可调安装座47内，固定于16mm笼杆38中，观察镜下有可推拉的观察三棱镜46，推入笼杆38则可观察内光路，拉出笼杆38可进行光谱测量。

笼式封闭系统很好的隔绝了环境光对信号造成的影响。

而在激光切换系统3中的第一边缘滤波片35、第二边缘滤波片36、第三边缘滤波片37因为是倾角入射，当入射角增加时，这些滤光片的起始波长和截止波长会向短波偏移，会反射对应入射激光波长的瑞利光，大于入射激光波长的拉曼散射光透过第一边缘滤波片35、第二边缘滤波片36、第三边缘滤波片37得到纯净的拉曼散射光再经过透镜39汇聚，聚焦到单色仪狭缝处。

实施例4拉曼光谱仪

拉曼散射光通过透镜39聚焦到单色仪的狭缝上。本发明选用单色仪具有750mm焦距，相对孔径为f/9.7,狭缝缝宽为0.01-3mm连续手动可调，缝高为14mm，焦平面尺寸30mm×14mm，采用三光栅塔台，更好的发挥了仪器覆盖UV-VIS-IR的能力，可根据需要选择光谱范围和分辨率；光栅采用2400刻线240nm闪耀光栅，1200刻线750nm闪耀光栅和300刻线1000nm闪耀光栅，提高了光收集效率，单级可实现高性能拉曼光谱分辨率达0.13cm^-1。

最终的拉曼信号通过CCD探测器采集分析。本发明中所采用的CCD光谱响应范围为200～1100nm，分辨率为1340×100，像素尺寸是20μm×20μm，有效面积为30mm×3.8mm。采用液氮制冷，制冷温度为-120℃。最大光谱速度4MHz高速采谱，可达1000frames/s，最低光谱速度50kHz，具有超低读出噪声；芯片类型为背感光、深耗尽、低噪声芯片，最高可达95％(650nm)的量子效率，在特定的紫外和近红外波段可以提升1.1倍至2.5倍量子效率。除此之外，还可以将干涉条纹的峰值减弱至10％以下。这类芯片还可以添加紫外增强镀膜(Unichrome UV coating)来提升低于350nm波段的响应能力。从紫外到近红外最高的灵敏度，减少背照式CCD的近红外干涉现象，大幅度减少深耗尽背照式CCD的近红外干涉，宽谱响应能力提升，减少干涉现象，最强的条纹抑制能力。

实施例5高压系统

金刚石对顶砧51装置中的施压体系是一对砧面直径几百至几十微米(10^-6m)的金刚石，砧面之间放入中空钢片，中空钢片作为样品腔，是由钢片被DAC装置加压到一定厚度后打孔而成，其压至厚度约为60μm，中空直径约为120μm到160μm，该直径尺寸随施压范围而变化，随压力升高而递减。因此，样品腔对应的通光孔径为常压光路的1/10到1/100，需要借助显微镜物镜27将光路引入压机样品腔；DAC装置中，金刚石压砧端面到样品腔的距离为13.50mm，因此要求显微物镜为长工作距离物镜(工作距离至少为13.50mm)；金刚石对顶砧51折射率为2.42，因此会对入射光产生折射；同理，经过样品出射的光也会再次在金刚石对顶砧51处发生折射，因此在光路搭建过程中，需要高于常压光路的准直性。高压实验中需要标定样品腔内的压力，因此样品腔内除样品外还会有标压介质(红宝石)。

高压系统5中，还有样品升降台52，升降台52能够使其上的DAC装置平移和旋转，用于使被测高压样品的端面与经由所述显微镜物镜27导出的入射光保持垂直。

Claims (7)

1.一种原位高压共焦拉曼光谱测量系统，结构按光路顺序有激光器光源(1)、物镜采集系统(2)、拉曼光谱仪(4)；所述的拉曼光谱仪(4)，主要结构有狭缝、单色仪、光栅以及电荷耦合器件；其特征在于，在物镜采集系统(2)和拉曼光谱仪(4)之间有激光切换系统(3)，在物镜采集系统(2)端头有高压系统(5)；

所述的激光器光源(1)，由波长647nm激光器(11)、波长532nm激光器(12)、波长473nm激光器(13)组成；发出的激光经中性滤波片(17)进入物镜采集系统(2)；

所述的物镜采集系统(2)，激光由激光入光口(21)经第一半透半反镜(22)反射、第二半透半反镜(23)透射、安装在轮盘(25)半径位置上的二向色镜(26)反射大于激光波长的光，透过激光波长的光，再经物镜(27)聚焦在高压系统(5)内的待测样品上；照射待测样品产生的散射光经物镜(27)收集、二向色镜(26)透过，得到的散射光再经过第二半透半反镜(23)反射，从散射光出光口(24)进入激光切换系统(3)；

所述的激光切换系统(3)，结构有光学笼组件(31)，所述光学笼组件由9个独立光学笼组成，光学笼组件(31)开有散射光入射口(32)和拉曼散射光出光口(33)；光学笼组件(31)内中间位置并排装有三个旋转座(34)，三个旋转座(34)上沿其直径与其垂直分别装有第一边缘滤波片(35)、第二边缘滤波片(36)、第三边缘滤波片(37)；安装在中间的边缘滤波片的两侧分别装有平动全反三棱镜，靠近散射光入射口(32)的边缘滤波片一侧装有平动全反三棱镜、另一侧装有固定全反三棱镜，靠近拉曼散射光出光口(33)的边缘滤波片一侧装有平动全反三棱镜、另一侧装有固定全反三棱镜，六个全反三棱镜均装有俯仰/倾斜调节器(43)；三个边缘滤波片的中心与六个全反三棱镜的中心处于同一平面内；在散射光入射口(32)一侧装有遮光筒(48)，遮光筒(48)和光学笼组件(31)构成封闭的内光路；拉曼散射光出光口(33)处装有笼杆(38)，笼杆(38)中装有两个透镜(39)，在两个透镜(39)之间的笼杆(38)上装有观察镜，所述的观察镜，是在笼杆(38)上方装有观察透镜(44)和观察目镜(45)，在笼杆(38)外侧装有能平动的观察三棱镜(46)，观察三棱镜(46)装有俯仰/倾斜调节器(43)；散射光进入光学笼组件(31)内经全反三棱镜反射、透过边缘滤波片，通过拉曼散射光出光口(33)，或经全反三棱镜反射、透过边缘滤波片再经两次全反三棱镜反射，通过拉曼散射光出光口(33)；最后经两个透镜(39)进入拉曼光谱仪(4)；

所述的高压系统(5)，主要部件是金刚石对顶砧(51)，金刚石对顶砧(51)是由两个金刚石压砧和在金刚石压砧砧面之间放入的中间有圆洞的钢片构成，钢片的圆洞与两个砧面围成的空间为样品腔，样品腔内还有标压介质；样品腔、物镜(27)、二向色镜(26)、第一半透半反镜(22)、第二半透半反镜(23)的中心在同一条直线上。

2.按照权利要求1所述的一种原位高压共焦拉曼光谱测量系统，其特征在于，所述的波长647nm激光器(11)，输出功率为70mW，线宽为小于0.00001nm，模式为TEM₀₀，光斑直径为1.1mm；所述的波长532nm激光器(12)，输出功率为150mW，线宽为小于0.01pm，模式为TEM₀₀，光斑直径为0.7±0.07mm；所述的波长473nm激光器(13)，输出功率为50mW，线宽为小于0.00001nm，模式为TEM₀₀，光斑直径为2.0mm。

3.按照权利要求1所述的一种原位高压共焦拉曼光谱测量系统，其特征在于，所述的激光器光源(1)，在波长647nm激光器(11)与中性滤波片(17)之间装有第一扩束器(14)、波长532nm激光器(12)与中性滤波片(17)之间装有第二扩束器(15)、波长473nm激光器(13)与中性滤波片(17)之间装有第三扩束器(16)。

4.按照权利要求1、2或3所述的一种原位高压共焦拉曼光谱测量系统，其特征在于，所述的物镜(27)，是50X和20X的长工作距离明场复消色差物镜。

5.按照权利要求1、2或3所述的一种原位高压共焦拉曼光谱测量系统，其特征在于，在激光切换系统中，所述的两个透镜(39)，分别安装在XY调节安装座(47)中，在观察三棱镜(46)移出笼杆(38)后，XY调节安装座(47)能够调节两个透镜(39)使拉曼散射光聚焦最小且打入单色仪狭缝。

6.按照权利要求1、2或3所述的一种原位高压共焦拉曼光谱测量系统，其特征在于，在激光切换系统中，所述的笼杆(38)，外加遮光罩减少环境光对测试的影响。

7.按照权利要求1、2或3所述的一种原位高压共焦拉曼光谱测量系统，其特征在于，所述的高压系统(5)，装有样品升降台(52)，样品升降台(52)的顶面有马蹄形凹槽与金刚石对顶砧的底面相吻合。

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