CN114018900B - 一种拉曼光谱仪 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种拉曼光谱仪，包括：光源、扩束镜、收集透镜、光纤耦合器、锥形光纤、单色仪和探测器。该拉曼光谱仪采用收集透镜和光纤耦合器收集大光斑处样品发射的拉曼散射光，将拉曼散射光会聚后，通过锥形光纤大端面导入，拉曼散射光经锥形光纤进一步会聚，从锥形光纤小端面导出并进入单色仪进行色散，最后通过探测器对色散后的拉曼散射光进行光电响应探测；通过该设计能够实现大光斑处所有样品点拉曼散射光的收集，避免因极大降低激发光能量密度而导致拉曼信号大幅度减弱。本发明的大光斑激发样品的拉曼光谱仪既可以避免强激发光破坏样品，还可以获得样品大面积范围内的平均信号，有利于成分分析。

Description

一种拉曼光谱仪
技术领域
本发明涉及光谱分析技术领域，特别是涉及一种拉曼光谱仪。
背景技术
拉曼光谱是物质和光相互作用后辐射出与入射光频率不同的散射光谱。拉曼散射信号强度极弱，一般只有入射光强度的10-6以下。激光的出现为获得拉曼光谱提供了单色性好、操作方便、强度高的光源，因此，拉曼光谱的应用得到了快速和广泛的发展。目前，为获得足够强的拉曼信号，拉曼光谱仪采用激光聚焦激发拉曼信号的方式：就是将激光聚焦于样品处，聚焦光斑尺寸小于百微米，以此大大增加激发光能量密度，并收集激光焦点处样品发射的拉曼信号。实际情况表明，此种方式在提高拉曼信号强度的同时，激光聚焦激发存在能量密度过高的问题，容易在短时间内对许多有机、高分子和生物材料造成损坏，得不到这些材料的本征拉曼信号。
因此，如何设计一种能够降低样品处激发光的能量密度，避免样品因强光聚焦照射而发生损伤的拉曼光谱仪，成为本领域亟需解决的技术问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种拉曼光谱仪，通过本发明能够实现大光斑激发和收集样品的拉曼信号，极大地降低样品处激发光的能量密度，避免样品因强光聚焦照射而发生损伤。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种拉曼光谱仪，包括：
光源，用于发射激光；
扩束镜，设置于所述光源与样品之间的光路上，用于扩大所述激光照射在样品处的光斑；
收集透镜，用于将所述样品处的激发光光斑散发出的拉曼散射光进行收集；
光纤耦合器，用于对收集的拉曼散射光进行会聚；
锥形光纤，设置于所述光纤耦合器的发射口，用于会聚经所述光纤耦合器会聚后的拉曼散射光；
单色仪，用于对经所述锥形光纤会聚后的拉曼散射光进行色散；
其中，所述锥形光纤的大端面位于所述光纤耦合器的焦平面处，所述锥形光纤的小端面位于单色仪的入口处；
探测器，设置于所述单色仪的发射口，用于对色散后的拉曼散射光进行光电响应探测。
可选的，在所述收集透镜和所述光纤耦合器之间设置有滤光片，所述滤光片用于阻挡所述收集透镜会聚的瑞利散射光，并让拉曼散射光通过。
可选的，所述滤光片为边通滤光片或陷波滤光片。
可选的，所述滤光片对所述光源的发射激光的吸光度大于5。
可选的，所述扩束镜包括凸透镜和凹透镜。
可选的，所述锥形光纤的大端面的直径为0.5mm～5mm，所述锥形光纤的小端面的直径为0.01mm～0.5mm。
可选的，所述锥形光纤的通光波长范围为190nm～1200nm。
可选的，所述收集透镜为凸透镜。
可选的，所述单色仪的型号为反射型或透射型。
可选的，所述探测器为是CCD电荷耦合器件或CMOS互补性金属氧化物半导体。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
本发明提供了一种拉曼光谱仪，通过激发光扩束形成大光斑激发样品，极大地降低样品处激发光的能量密度，避免样品因强光聚焦照射而发生损伤；同时，通过光锥耦合收集信号的方式，实现大光斑处所有样品点拉曼散射信号的收集，避免因极大降低激发光能量密度而导致拉曼信号大幅度减弱；还可以获得样品大面积范围内的平均信号，有利于成分分析。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例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他的附图。
图1为本发明实施例1提供的一种拉曼光谱仪的示意图；
图2为使用本发明的拉曼光谱仪在不同大小激发光光斑激发下聚四氟乙烯样品的拉曼光谱图。
符号说明：
10、光源；20、扩束镜；30、样品；40、收集透镜；50、滤光片；60、光纤耦合器；70、锥形光纤；80、单色仪；90、探测器。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种拉曼光谱仪，通过本发明能够实现大光斑激发和收集样品的拉曼信号，极大地降低样品处激发光的能量密度，避免样品因强光聚焦照射而发生损伤。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“单点激发”中的“单点”是指激光聚焦形成的焦点，一般尺寸直径小于500微米；术语“大光斑激发”中的“大光斑”是指落于样品处的激发光光斑，其尺寸直径为1mm～1cm。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
实施例1：
请参阅图1，本发明提供了一种拉曼光谱仪，包括：
光源10，用于发射激光；
扩束镜20，设置于所述光源与样品30之间的光路上，用于扩大所述激光照射在样品处的光斑；
收集透镜40，用于将所述样品处的激发光光斑散发出的拉曼散射光进行收集；
光纤耦合器60，用于对收集的拉曼散射光进行会聚；
锥形光纤70，设置于所述光纤耦合器的发射口，用于会聚经所述光纤耦合器会聚后的拉曼散射光；
单色仪80，用于对经所述锥形光纤会聚后的拉曼散射光进行色散；
其中，所述锥形光纤70的大端面位于所述光纤耦合器60的焦平面处，所述锥形光纤70的小端面位于单色仪80的入口处；
探测器90，设置于所述单色仪的发射口，用于对色散后的拉曼散射光进行光电响应探测。
因为样品30被光照激发后除了产生拉曼散射光，还发出很强的瑞利散射光，瑞利散射光一旦照射到探测器，会对拉曼信号造成严重的干扰，甚至损坏探测器的感光芯片。为了避免瑞利散射光照射到探测器，本实施例在收集透镜40和光纤耦合器60之间放置滤光片50，滤光片50阻挡收集透镜40会聚的瑞利散射光，并让拉曼散射光通过。滤光片50可以是边通滤光片或者陷波滤光片，滤光片50对光源10发出的光的吸光度大于5。需要说明的是，滤光片50的放置位置也可以是样品30和探测器90之间光路中的其它位置。
需要说明的是，图1中带箭头的实线用于示意光束的传输方向。按照光束的走向，本实施例中主要部件的空间定位顺序为：光源10—>扩束镜20—>样品30；按照拉曼散射光的收集走向，其中主要部件的空间定位顺序为：样品30—>收集透镜40—>滤光片50—>光纤耦合器60—>锥形光纤70—>单色仪80—>探测器90。
传统的拉曼光谱仪采用激光聚焦单点激发和收集拉曼散射信号的方式，不同于传统的拉曼光谱仪，本发明的实施例采用大光斑激发和光锥耦合收集拉曼散射信号的方式。
为了在样品处形成大光斑激发，本发明的实施例使用扩束镜20放置在光源10的光路上，所述扩束镜20包括凸透镜和凹透镜；通过改变扩束镜20内部凸透镜和凹透镜的相对距离，或者改变扩束镜20到样品30的距离，将照射在样品30处的光斑扩大成直径为1mm～1cm的光斑。本实施例的光源10是激光，也可以是灯线，只要光的频率宽度窄、满足分辨拉曼信号就可以作为本发明的大光斑激发样品的拉曼光谱仪的光源10。
为了收集大光斑处所有样品点的拉曼散射光，并且将拉曼散射光会聚成直径小于500微米的光斑，本实施例使用收集透镜40、光纤耦合器60、锥形光纤70的组合来实现将样品30处直径为1mm～1cm的光斑散发出的拉曼散射光收集会聚成直径为0.01mm～0.5mm的光斑。收集透镜40可以是凸透镜，也可以是与凸透镜功能相似的透镜组；光纤耦合器60的通光口径匹配收集透镜40的通光口径，光纤耦合器60入射端光路的角度可调，光纤耦合器60出射端连接锥形光纤70的大端面，锥形光纤70的大端面的直径为0.5mm～5mm，锥形光纤70的小端面的直径为0.01mm～0.5mm，锥形光纤70的通光波长范围为190nm～1200nm。收集透镜40将样品处直径为1mm～1cm的光斑散发出的拉曼散射光收集会聚成接近平行的光束，该光束进入光纤耦合器60后被会聚成直径为0.5mm～5mm的光束，然后，该直径为0.5mm～5mm的光束从锥形光纤70的大端面进入锥形光纤70，光束经过锥形光纤70进一步会聚成直径为0.01mm～0.5mm的光束从锥形光纤70的小端面导出。
需要说明的是，通过调节光纤耦合器60内部透镜的相对距离使进入光纤耦合器60的光束会聚于锥形光纤70的大端面。
锥形光纤70的大端面位于光纤耦合器60的焦平面处，锥形光纤70的小端面位于单色仪80的入口处，拉曼散射光从锥形光纤70的小端面进入单色仪80后被色散，然后，色散后的拉曼散射光按照频率大小顺序照射在探测器90内部感光芯片的不同像素点，根据像素点位置的识别，拉曼信号被光电响应探测和分辨。
需要说明的是，本实施例的单色仪80的型号是反射型，其也可以是透射型，要求达到拉曼信号的光谱分辨水平；本实施例的探测器90是CCD(Charge Coupled Device，电荷耦合器件)，其也可以是CMOS(Complementary Metal-Oxide Semiconductor，互补性金属氧化物半导体)。
相比于现有激光聚焦单点激发和收集拉曼散射信号的方式，本发明提供的拉曼光谱仪通过激发光扩束形成大光斑激发样品，极大地降低样品处激发光的能量密度，避免样品因强光聚焦照射而发生损伤；同时，通过光锥耦合收集信号的方式，实现大光斑处所有样品点拉曼散射信号的收集，避免因极大降低激发光能量密度而导致拉曼信号大幅度减弱；还可以获得样品大面积范围内的平均信号，有利于成分分析。
下面以一具体示例来说明本发明的拉曼光谱仪的实施结果。使用本发明的拉曼光谱仪，在样品处放置聚四氟乙烯块体，通过改变扩束镜20离样品的距离来改变样品处激发光光斑的大小，光斑直径在0.1mm～5mm范围内变化，同时，样品处激发光光斑的功率保持不变。
如图2所示，获得高质量、清晰的聚四氟乙烯的拉曼光谱；而且，当改变激发光光斑的大小，测量到的聚四氟乙烯的拉曼光谱的强度几乎不变，表明进入单色仪80的拉曼散射光强度几乎不变，证明了大光斑处所有样品点的拉曼散射光经收集透镜40、滤光片50、光纤耦合器60和锥形光纤70后都被收集进入单色仪80。证明了本发明的拉曼光谱仪能够在大幅度降低激发光能量密度的情况下获得相同强度的拉曼光谱。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (9)

1.一种拉曼光谱仪，其特征在于，包括：
光源，用于发射激光；
扩束镜，设置于所述光源与样品之间的光路上，用于扩大所述激光照射在样品处的光斑；所述扩束镜包括凸透镜和凹透镜；通过改变扩束镜内部凸透镜和凹透镜的相对距离，或者改变扩束镜到样品的距离，将照射在样品处的光斑扩大成直径为1mm～1cm的光斑，形成大光斑激发；
收集透镜，用于将所述样品处的激发光光斑散发出的拉曼散射光进行收集；
光纤耦合器，用于对收集的拉曼散射光进行会聚；
锥形光纤，设置于所述光纤耦合器的发射口，用于会聚经所述光纤耦合器会聚后的拉曼散射光；
单色仪，用于对经所述锥形光纤会聚后的拉曼散射光进行色散；
其中，所述锥形光纤的大端面位于所述光纤耦合器的焦平面处，所述锥形光纤的小端面位于单色仪的入口处；
探测器，设置于所述单色仪的发射口，用于对色散后的拉曼散射光进行光电响应探测；
通过激发光扩束形成大光斑激发样品，降低样品处激发光的能量密度，避免样品因强光聚焦照射而发生损伤；通过光锥耦合收集信号的方式，实现大光斑处所有样品点拉曼散射信号的收集，避免因降低激发光能量密度而导致拉曼信号大幅度减弱。
2.根据权利要求1所述的拉曼光谱仪，其特征在于，在所述收集透镜和所述光纤耦合器之间设置有滤光片，所述滤光片用于阻挡所述收集透镜会聚的瑞利散射光，并让拉曼散射光通过。
3.根据权利要求2所述的拉曼光谱仪，其特征在于，所述滤光片为边通滤光片或陷波滤光片。
4.根据权利要求1所述的拉曼光谱仪，其特征在于，滤光片对所述光源的发射激光的吸光度大于5。
5.根据权利要求1所述的拉曼光谱仪，其特征在于，所述锥形光纤的大端面的直径为0.5mm~5mm，所述锥形光纤的小端面的直径为0.01mm~0.5mm。
6.根据权利要求1所述的拉曼光谱仪，其特征在于，所述锥形光纤的通光波长范围为190nm~1200nm。
7.根据权利要求1所述的拉曼光谱仪，其特征在于，所述收集透镜为凸透镜。
8.根据权利要求1所述的拉曼光谱仪，其特征在于，所述单色仪的型号为反射型或透射型。
9.根据权利要求1所述的拉曼光谱仪，其特征在于，所述探测器为是CCD电荷耦合器件或CMOS互补性金属氧化物半导体。
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