CN114719982A - 空间外差拉曼光谱仪 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种空间外差拉曼光谱仪，包括：激光装置、二向色镜、准直镜组、滤光组件、分束棱镜、光栅阵列、成像装置；激光装置发出激光后对样品进行照射，样品发出的散射光束经过准直镜组的准直，透过二向色镜和滤光组件进入分束棱镜中；两束平行光束分别经过第一折光组件和第二折光组件的反射后进入光栅阵列中，经过光栅阵列衍射后形成拉曼衍射光并经过第一折光组件和第二折光组件的反射后进入分束棱镜，且在分束棱镜中干涉形成空间外差拉曼干涉光；空间外差拉曼干涉光从分束棱镜出射后进入成像装置中，获得空间外差拉曼信号。本发明提高了拉曼光谱仪的分辨率，使光路调节更加方便，具有光通量大、测量波段范围广、尺寸小的优点。

Description

空间外差拉曼光谱仪

技术领域

本发明涉及光谱分析仪器技术领域，特别涉及一种空间外差拉曼光谱仪。

背景技术

拉曼光谱技术是一种基于拉曼散射效应的无损检测方法，由印度科学家C.V.Raman首先于1928发现。微观分子中的每一个化学键都有独特的特征振动能量，拉曼光谱技术正是利用微观分子的分子键对于入射激光的非弹性散射产生的“分子指纹”光谱进行测量的技术。由于其具有信息丰富、拉曼频移与入射光频率无关、分析效率高及无损伤探测等特点，因此已被广泛应用于化学、生物医学、食品安全、航空航天、环境保护等领域。

空间外差光谱法是由Harlander等人于1992年首次展示的一种相当新的光谱测量方法。与传统的色散型拉曼光谱仪和傅里叶变换型拉曼光谱仪相比，空间外差拉曼光谱仪具有更高的光通量和紧凑的尺寸以及高光谱分辨率的优点，并且在光路中不需要入射狭缝以及移动元件。

但是传统空间外差拉曼光谱仪采用的是两个分开的光栅产生空间外差干涉，由于两个光栅必须设置为相同的衍射中心波长，且从分束棱镜到两光栅光线的光程必须相等，所以两光栅的距离、角度必须经过严格测量和校正。同时，采用两个光栅在使得设计光路结构过大。另外，为了实现宽光谱测量范围，传统空间外差光谱仪会采用棱镜进行扩束，当光信号射入射出扩束棱镜后，光通量会大大减小。

发明内容

鉴于上述问题，本发明的目的是提出一种空间外差拉曼光谱仪，通过添加光栅阵列的方式，从而提高了拉曼光谱仪的分辨率，使光路调节更加方便，具有光通量大、测量波段范围广、尺寸小的优点。

为实现上述目的，本发明采用以下具体技术方案：

本发明提供的一种空间外差拉曼光谱仪，包括：激光装置、二向色镜、准直镜组、滤光组件、分束棱镜、第一折光组件、第二折光组件、光栅阵列、成像装置；

激光装置发出激光后经过二向色镜后方向改变90度，透过准直镜组后对样品进行照射，样品发出的散射光束再次经过准直镜组的准直后变为平行光束，平行光束透过二向色镜和滤光组件进入分束棱镜中，分光棱镜将平行光束分为两束；

两束平行光束分别经过第一折光组件和第二折光组件的反射后进入光栅阵列中，两束平行光束经过光栅阵列衍射后形成拉曼衍射光并经过第一折光组件和第二折光组件的反射后进入分束棱镜，且在分束棱镜中干涉形成空间外差拉曼干涉光；

空间外差拉曼干涉光从分束棱镜出射后进入成像装置中，获得空间外差拉曼信号。

优选地，激光装置包括：激光器和激光线滤波片，激光线滤波片位于激光器的正前方，激光器发出激光后进入激光线滤波片中；激光线滤波片用于对杂散光进行过滤。

优选地，光栅阵列的结构为两列N行，其中N≥2；每一行的两列光栅构成一个探测波段范围。

优选地，滤光组件包括：拉曼滤光片和短通滤光片，拉曼滤光片和短通滤光片的光轴相同，从前到后依次位于二向色镜和分束棱镜之间；

拉曼滤光片用于对瑞利散射光进行过滤，短通滤光片用于对荧光和杂散光进行过滤。

优选地，第一折光组件包括：第一反射镜和第二反射镜；第二折光组件包括：第三反射镜和第四反射镜；

从分束棱镜垂直出射的一束平行光束经过第一反射镜和第三反射镜的反射后进入光栅阵列中，平行光束经过光栅阵列衍射后形成拉曼衍射光，拉曼衍射光经过第一反射镜和第三反射镜的反射后进入分束棱镜中；

从分束棱镜水平出射的一束平行光束经过第二反射镜和第四反射镜的反射后进入光栅阵列中，平行光束经过光栅阵列衍射后形成拉曼衍射光，拉曼衍射光经过第二反射镜和第四反射镜的反射后进入分束棱镜中。

优选地，当同一行的两列光栅刻线密度相同时，第一反射镜和第二反射镜关于分束棱镜的对角线轴对称。

优选地，当同一行的两列光栅刻线密度不相同时，第一反射镜和第二反射镜不再关于分束棱镜的对角线轴对称。

优选地，成像装置包括：成像透镜组和面阵探测器；成像透镜组位于面阵探测器的正前方。

优选地，准直镜组为消像差透镜，且准直镜组和成像透镜组中的至少一个镜片为非球面镜。

与现有的技术相比，本发明具有以下优点：

1、本发明采用的光栅阵列为两列N行(N大于等于2)，每行两列光栅构成一个探测波段范围，光栅阵列行数N越多，则本发明的光路结构可以获得的空间外差拉曼干涉信号光谱范围越广，光谱分辨率越高。

2、采用单个的光栅阵列产生空间外差干涉作用来实现拉曼光谱测量，从而避免了传统空间外差光谱仪中采用两个光栅进行测量导致的光栅夹角、位置校正麻烦的问题。

3、采用反射镜以及双反射镜组可在保持两束光光程相同的同时实现光路的折叠以及实现光栅阵列的入射光和衍射光分离，该种光路结构形式很好的保证了高光通量的使用要求以及小尺寸的设计要求。

附图说明

图1是根据本发明实施例提供的空间外差拉曼光谱仪光路结构示意图。

图2是根据本发明实施例提供的空间外差拉曼光谱仪的光栅阵列的结构示意图。

其中的附图标记包括：激光器1、激光线滤波片2、准直镜组3、二向色镜4、拉曼滤光片5、短通滤光片6、分束棱镜7、第一反射镜801、第二反射镜802、第三反射镜901、第四反射镜902、光栅阵列10、成像透镜组11、面阵探测器12和样品13。

具体实施方式

在下文中，将参考附图描述本发明的实施例。在下面的描述中，相同的模块使用相同的附图标记表示。在相同的附图标记的情况下，它们的名称和功能也相同。因此，将不重复其详细描述。

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，而不构成对本发明的限制。

图1示出了根据本发明实施例提供的空间外差拉曼光谱仪光路结构。

如图1所示，本发明实施例提供的空间外差拉曼光谱仪包括：激光装置、准直镜组3、二向色镜4、滤光组件、分束棱镜7，第一折光组件、第二折光组件、光栅阵列10、成像装置。

激光装置包括：激光器1、激光线滤波片2，激光线滤波片2位于激光器1的正前方。

激光器1发出激光后进入激光线滤波片2中，激光线滤波片2的作用是过滤掉除激光波长以外的杂散光。激光经过二向色镜4的反射后方向改变90度后透过准直镜组3照射样品13。样品13位于准直镜组3的前焦点处。

准直镜组3的作用是聚焦激光照射样品13以及将样品13发出的散射光汇聚成平行光束进入本发明光路中。准直镜组3为消像差透镜，且准直镜组3和成像镜组11二者其中至少有一个镜片为非球面镜，非球面镜用于消除像差和球差，提高光通量。

样品13被激光照射后发射出的散射光束透过准直镜组3和二向色镜4，此时的准直镜组3用于将样品13发出的散射光束汇聚成平行光束射入滤光组件。

滤光组件包括：拉曼滤光片5和短通滤光片6。拉曼滤光片5和短通滤光片6的光轴相同，从前到后依次位于二向色镜4和分束棱镜7之间。拉曼滤光片5用于对瑞利散射光进行过滤，短通滤光片6用于对拉曼测量波段之上的荧光以及杂散光进行过滤。

经过滤光组件过滤后的平行光线进入分束棱镜7中，分束棱镜7将平行光束分为互相垂直的两束光线；

第一束平行光束传播方向改变90度，第二束平行光束的传播方向不改变，两束平行光束分别射入第一折光组件中；

第一折光组件包括：第一反射镜801和第二反射镜802。

第二折光组件包括：第三反射镜901和第四反射镜902。

第一反射镜801、第二反射镜802关于分束棱镜7的对角线轴对称放置。

第一束平行光束经过第一反射镜801和第三反射镜901的反射后进入光栅阵列10中，平行光束经过光栅阵列衍射后形成拉曼衍射光，拉曼衍射光经过第一反射镜801和第三反射镜901的反射后进入分束棱镜7中。

第一反射镜801与第三反射镜901、第二反射镜802与第四反射镜902用于保持两束光光程相同的同时实现光路的折叠以及实现光栅阵列的入射光和衍射光的分离。

第三反射镜901和第四反射镜902位于第一反射镜801和第二反射镜802的连线中点处。

第二束平行光束经过第二反射镜802和第四反射镜902的反射后进入光栅阵列10中，平行光束经过光栅阵列衍射后形成拉曼衍射光，拉曼衍射光经过第二反射镜802和第四反射镜902的反射后进入分束棱镜7中。

图2示出了根据本发明实施例提供的空间外差拉曼光谱仪的光栅阵列。

如图2所示，光栅阵列10的结构为两列N行(N大于等于2)，且光栅刻线方向平行于Z轴。光栅阵列10位于第三反射镜901和第四反射镜902的反射光出射方向且与第三反射镜901和第四反射镜902的反射光线呈一定夹角放置。

第一行两列光栅G₁₁和G₁₂组成一个探测波段范围，并且当G₁₁和G₁₂光栅刻线密度相同时，第一反射镜801以及第二反射镜802关于分束棱镜对角线轴对称；当G₁₁和G₁₂光栅刻线密度不相同时，要调节第一反射镜801和第二反射镜802的位置，调节至G₁₁和G₁₂光栅对应的衍射中心波长的光都可以平行入射并出射G₁₁和G₁₂光栅，此时第一反射镜801和第二反射镜802不再关于分束棱镜7的对角线轴对称。

第二行两列光栅G₂₁和G₂₂组成另一个探测波段范围，以此类推，第N行两列光栅G_N1和G_N2组成第N个探测波段范围。光栅阵列10的行数N越多，则本发明可以获得的空间外差拉曼干涉信号光谱范围越广，光谱分辨率越高。

每行的两列光栅组成一个探测波段范围，光栅阵列10可测拉曼光谱的波段范围为：光栅阵列的行数N与光栅阵列10的每行的两列光栅组成的测量波段范围的乘积。

光栅阵列10可以在保持光路的高光通量带的前提下提高系统的分辨率和探测的光谱范围。

两束拉曼衍射光在分束棱镜7中干涉形成空间外差拉曼干涉光，空间外差拉曼干涉光经分束棱镜7下方出射后进入成像装置。

成像装置包括：成像透镜组11和面阵探测器12。成像透镜组11位于面阵探测器12正前方。

空间外差拉曼干涉光经过成像透镜组11的透射后进入面阵探测器12中，获得空间外差拉曼干涉信号。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

以上本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所作出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。

Claims (9)

1.一种空间外差拉曼光谱仪，其特征在于，包括：激光装置、二向色镜、准直镜组、滤光组件、分束棱镜、第一折光组件、第二折光组件、光栅阵列、成像装置；

所述激光装置发出激光后经过所述二向色镜后方向改变90度，透过准直镜组后对样品进行照射，样品发出的散射光束再次经过所述准直镜组的准直后变为平行光束，所述平行光束透过所述二向色镜和所述滤光组件进入所述分束棱镜中，所述分光棱镜将所述平行光束分为两束；

两束平行光束分别经过所述第一折光组件和第二折光组件的反射后进入所述光栅阵列中，所述两束平行光束经过所述光栅阵列衍射后形成拉曼衍射光并经过所述第一折光组件和第二折光组件的反射后进入分束棱镜，且在所述分束棱镜中干涉形成空间外差拉曼干涉光；

所述空间外差拉曼干涉光从所述分束棱镜出射后进入所述成像装置中，获得空间外差拉曼信号。

2.根据权利要求1所述的空间外差拉曼光谱仪，其特征在于，所述激光装置包括：激光器和激光线滤波片，所述激光线滤波片位于所述激光器的正前方，所述激光器发出激光后进入激光线滤波片中；所述激光线滤波片用于对杂散光进行过滤。

3.根据权利要求2所述的空间外差拉曼光谱仪，其特征在于，所述光栅阵列的结构为两列N行，其中N≥2；每一行的两列光栅构成一个探测波段范围。

4.根据权利要求3所述的空间外差拉曼光谱仪，其特征在于，所述滤光组件包括：拉曼滤光片和短通滤光片，所述拉曼滤光片和短通滤光片的光轴相同，从前到后依次位于所述二向色镜和所述分束棱镜之间；

所述拉曼滤光片用于对瑞利散射光进行过滤，所述短通滤光片用于对荧光和杂散光进行过滤。

5.根据权利要求4所述的空间外差拉曼光谱仪，其特征在于，所述第一折光组件包括：第一反射镜和第二反射镜；所述第二折光组件包括：第三反射镜和第四反射镜；

从所述分束棱镜垂直出射的一束平行光束经过所述第一反射镜和第三反射镜的反射后进入所述光栅阵列中，所述平行光束经过光栅阵列衍射后形成拉曼衍射光，所述拉曼衍射光经过所述第一反射镜和第三反射镜的反射后进入所述分束棱镜中；

从所述分束棱镜水平出射的一束平行光束经过所述第二反射镜和第四反射镜的反射后进入所述光栅阵列中，所述平行光束经过光栅阵列衍射后形成拉曼衍射光，所述拉曼衍射光经过所述第二反射镜和第四反射镜的反射后进入所述分束棱镜中。

6.根据权利要求5所述的空间外差拉曼光谱仪，其特征在于，当所述同一行的两列光栅刻线密度相同时，所述第一反射镜和所述第二反射镜关于所述分束棱镜的对角线轴对称。

7.根据权利要求5所述的空间外差拉曼光谱仪，其特征在于，当所述同一行的两列光栅刻线密度不相同时，所述第一反射镜和所述第二反射镜不再关于所述分束棱镜的对角线轴对称。

8.根据权利要求6或7所述的空间外差拉曼光谱仪，其特征在于，所述成像装置包括：成像透镜组和面阵探测器；所述成像透镜组位于所述面阵探测器的正前方。

9.根据权利要求8所述的空间外差拉曼光谱仪，其特征在于，所述准直镜组为消像差透镜，且所述准直镜组和所述成像透镜组中的至少一个镜片为非球面镜。

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