CN114755187A - 高分辨率拉曼光谱仪 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种高分辨率拉曼光谱仪，包括：激光装置、双色镜、准直透镜、拉曼滤光片、聚焦透镜、干涉组件、扩束透镜组、二维色散组件和成像装置；激光装置发出激光光束后经过双色镜的反射和准直透镜的聚焦后对样品进行照射；发出散射光束，经准直透镜的准直后透过双色镜，再经拉曼滤光片的过滤和聚焦透镜的聚焦后进入干涉组件发生干涉效应后以梳状光束出射；梳状光束经过扩束透镜组的透射后进入二维色散组件中依次发生纵向色散和横向色散形成二维色散光束出射，在成像装置中进行成像，得到波长‑光强二维谱图。本发明提高了拉曼光谱仪的分辨率，解决了传统高分辨率色散型光谱仪体积较大，无法适应载荷要求较高的环境，结构不紧凑等问题。

Description

高分辨率拉曼光谱仪
技术领域
本发明涉及光谱分析仪器技术领域，特别涉及一种高分辨率拉曼光谱仪。
背景技术
当光照射物体上，会发生光的散射，绝大部分散射光频率不变，仅产生传播方向的变化，还有一小部分散射光的频率发生变化，这种频率会改变的散射现象称为拉曼散射。拉曼散射光的频移大小与分子的化学键相关，不同的分子键对应不同的拉曼峰。通过测定散射光相对于入射光的频移，可以确定被测物质的成分；分析拉曼峰的强度，可以确定组成成分的浓度。此外，拉曼散射检测法对样品要求极低，样品无需前期处理，无需取样，检测过程无接触，不损伤样品，检测速度快，便于现场检测。
色散型拉曼光谱仪利用光栅对拉曼光进行分光，得到波长-强度曲线，从而对物质进行成分分析。一般情况下单个光栅的色散能力不高，若想得到高分辨率的拉曼光谱仪，需要采用多级联光栅的形式，并且成像透镜焦距较长，这导致高分辨率拉曼光谱仪体积较大，无法适应对载荷有要求的环境。
发明内容
鉴于上述问题，本发明的目的是提出一种高分辨率拉曼光谱仪，通过将平行平板与光栅相拼接的方式，提高了拉曼光谱仪的分辨率，解决了传统高分辨率色散型光谱仪体积较大，无法适应载荷要求较高的环境，结构不紧凑等问题。
为实现上述目的，本发明采用以下具体技术方案：
本发明提供一种高分辨率拉曼光谱仪，包括：激光装置、双色镜、准直透镜、拉曼滤光片、聚焦透镜、干涉组件、扩束透镜组、二维色散组件和成像装置；
激光装置发出激光光束后经过双色镜的反射和准直透镜的聚焦后对样品进行照射；
样品经激光光束照射后激发出拉曼散射光束，经准直透镜的准直后变为平行光束透过双色镜，再经拉曼滤光片的滤波和聚焦透镜的聚焦后进入干涉组件发生干涉后以梳状光束出射；
梳状光束经过扩束透镜组的扩束后进入二维色散组件中依次发生纵向色散和横向色散形成二维色散光束，二维色散光束入射至成像装置进行成像，得到波长-光强二维谱图。
优选地，激光装置包括：激光器和窄带通滤光片；
窄带通滤光片位于激光器的正前方，用于对激光器发出的激光光束中的杂散光进行过滤。
优选地，双色镜与水平方向呈45°角放置，用于将激光器发出的激光光束的传播方向改变90°。
优选地，干涉组件包括：空心平行平板和压电陶瓷；
空心平行平板由第一玻璃平板和第二玻璃平板组成，第一玻璃平板与第二玻璃平板构成了密闭的干涉腔；第一玻璃平板的中心位置处设置有通孔，压电陶瓷安装在第二玻璃平板上；
聚焦光束经通孔进入空心平行平板后产生多光束干涉效应，通过改变压电陶瓷的电压来控制空心平行平板的干涉腔长，得到光强增强的梳状光束。
优选地，在第一玻璃平板的内侧镀有可见光全反膜；在第二玻璃平板的内侧镀有可见光高反膜。
优选地，干涉组件还包括：耦合透镜和光纤；
第二玻璃平板出射的梳状光束经耦合透镜耦合至光纤中，从光纤出射的光束再经扩束透镜组进行扩束后进入二维色散组件。
优选地，二维色散组件包括：平面反射镜、柱透镜、实心平行平板和光栅；
扩束光束经过平面反射镜的反射后传播方向改变90°进入柱透镜中，经过柱透镜的聚焦后依次进入实心平行平板和光栅实现光束的纵向色散和横向色散，形成二维色散光束；
二维色散光束经光栅出射后传播方向再次改变90°，进入成像装置。
优选地，实心平行平板相对于水平面倾斜放置，实心平行平板为矩形体玻璃平板，实心平行平板的入射区域镀有增透膜，非入射区域分别镀有可见光全反射膜和可见光高反射膜。
优选地，入射区域位于实心平行平板第一侧面的的底部；非入射区域为实心平行平板除入射区域的第一侧面和第二侧面；第一侧面非入射区域镀有可见光全反射膜、所述第二侧面镀有可见光高反射膜。
优选地，成像装置包括：成像透镜组、非球面成像透镜和面阵探测器；
二维色散光束依次透过成像透镜组和非球面成像透镜后在面阵探测器中形成波长-光强二维谱图。
与现有的技术相比，本发明具有以下优点：
1)本发明中的空心平行平板由一个中心含通孔的玻璃平板与一个无通孔玻璃平板组成，含通孔的玻璃平板镀全反膜，无通孔的玻璃平板镀高反膜，构成了类FP腔结构，因其独特的透射特性，能够增强共振波长的光强，透射光强是FP腔的几十倍。
2)本发明中的无通孔玻璃平板与压电陶瓷连接，能够随电压变化改变腔长，达到扫描波段的效果。
3)本发明通过将实心平行平板和光栅结合使用，得到了波长-光强的二维谱图，使拉曼光谱仪进一步提高了分辨率。
4)本发明中的非球面透镜在消除系统像差、提高分辨率的同时，也提高了系统的接收角和光通量。
5)本发明通过光学系统结构紧凑，性能稳定可靠。
附图说明
图1是根据本发明实施例提供的高分辨率拉曼光谱仪的光路结构示意图。
图2是根据本发明实施例提供的高分辨率拉曼光谱仪中的实心平行平板结构示意图。
图3是根据本发明实施例提供的高分辨率拉曼光谱仪中的实心平行平板的镀膜区域示意图。
其中的附图标记包括：激光器1、窄带通滤光片2、双色镜3、准直透镜4、拉曼滤光片5、聚焦透镜6、干涉组件7、空心平行平板701、第一玻璃平板7010、第二玻璃平板7011、压电陶瓷702、耦合透镜703、光纤704、扩束透镜组8、二维色散组件9、平面反射镜901、柱透镜902、实心平行平板903、光栅904、成像透镜组10、非球面成像透镜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高分辨率拉曼光谱仪的光路结构示意图。
如图1所示为本发明装置的俯视图，本发明实施例提供的高分辨率拉曼光谱仪包括：激光装置、双色镜3、准直透镜4、拉曼滤光片5、聚焦透镜6、干涉组件7、扩束透镜组8、二维色散组件9和成像装置。
激光装置1发出激光光束后经过双色镜3的反射和准直透镜4的透射后对样品13进行照射。
激光装置1包括：激光器1和窄带通滤光片2。窄带通滤光片2位于激光器1的正前方，用于对激光器1发出的激光光束中的杂散光进行过滤。激光器1为长春新产业光电有限公司的MSL-FN-532型号532拉曼激光器。窄带通滤光片2为semrock公司的产品，其型号为ll01-532-12.5。
激光光束经过窄带通滤光片2的过滤后进入双色镜3中，双色镜3呈45°角放置，双色镜3将激光光束的传播方向改变90°后进入准直透镜4中，准直透镜4为消色差透镜。此时准直透镜4用于对激光光束进行聚焦，聚焦后的激光光束对样品13进行照射。双色镜3为semrock公司的产品，其型号为lpd02-532ru-25。准直透镜4为Edmund Optics公司的产品，型号为49662。
样品13被激光光束照射后激发出拉曼散射光束，拉曼散射光束经过准直透镜4的准直后变为平行光束。
平行光束依次透过双色镜3、拉曼滤光片5和聚焦透镜6后进入干涉组件7中。
双色镜3、准直透镜4、拉曼滤光片5和聚焦透镜6从左到右依次位于样品13和干涉组件7之间，且光轴均位于同一条直线上。拉曼滤光片5用于对平行光束进行过滤，拉曼滤光片5为semrock公司的产品，其型号为lp03-532ru-25。聚焦透镜6用于对平行光束进行聚焦，聚焦光束恰好能够进入干涉组件7中。
干涉组件7包括：空心平行平板701、压电陶瓷702、耦合透镜703和光纤704。
空心平行平板701由第一玻璃平板和第二玻璃平板组成，第一玻璃平板与第二玻璃平板构成了密闭的干涉腔，第一玻璃平板和第二玻璃平板的参数完全相同，在第一玻璃平板的内侧镀有可见光全反膜；在第二玻璃平板的内侧镀有可见光高反膜(95％反射膜)。其中靠近聚焦透镜6的圆形玻璃平板，即第一玻璃平板的中心位置处设置有一个微小的通孔，通孔用于接收经聚焦透镜6聚焦后的聚焦光束。通孔的形状可以为圆形、正方形、矩形等。
压电陶瓷702安装在第二玻璃平板的外侧。
聚焦光束经第一玻璃平板上的通孔进入空心平行平板701后，在空心平行平板内第一次产生多光束干涉效应，通过改变压电陶瓷702的电压来控制空心平行平板701的干涉腔长，从而改变空心平行平板701的共振频率，实现对聚焦光束的扫描。由于空心平行平板701入射光强和透射光强之间的特殊关系，聚焦光束经过空心平行平板701后光强会得到增强。空心平行平板701对入射的聚焦光束进行扫描后可以得到光强增强的梳状光束。
梳状光束经第二玻璃平板出射后进入耦合透镜703中，耦合透镜703将梳状光束耦合至光纤704中。
光纤出射的光束经扩束透镜组8进行扩束后进入二维色散组件9。
二维色散组件9包括：平面反射镜901、柱透镜902、实心平行平板903和光栅904。
平面反射镜901呈45°角放置，扩束光束经过平面反射镜901的的反射后传播方向改变90°进入柱透镜902中，柱透镜902用于对扩束光束进行聚焦。
聚焦光束经过实心平行平板903和光栅904内依次发生纵向色散和横向色散形成二维色散光束出射。
图2示出了根据本发明实施例提供的高分辨率拉曼光谱仪中的实心平行平板结构示意图。
图3示出了根据本发明实施例提供的高分辨率拉曼光谱仪中的实心平行平板的镀膜区域示意图。
如图2和图3所示，实心平行平板903为矩形体玻璃平板，实心平行平板903的底部，即入射区域镀有增透膜，除了实心平行平板903的入射区域，实心平行平板903的侧面，即第一侧面镀有可见光全反射膜；第二侧面镀有可见光高反射膜(95％反射膜)。实心平行平板903倾斜放置，与竖直方向的夹角为3度。聚焦光束进入实心平行平板903后在其内部不断反射，第二次产生多光束干涉效应，实现了聚焦光束的纵向色散。
产生纵向色散的光束再光栅中再次产生横向色散。
光栅904的刻线方向与Z轴平行。XYZ坐标系为右手坐标系，Z轴垂直于纸面。
二维色散光束经光栅904出射后传播方向再次改变90°，进入成像装置中，得到波长-光强二维谱图。
成像装置包括：成像透镜组10、非球面成像透镜11和面阵探测器12。
二维色散光束依次透过成像透镜组10和非球面成像透镜11后在面阵探测器12中形成波长-光强二维谱图。
成像透镜组10用于对二维色散光束进行成像；非球面成像透镜11用于消除像差；面阵探测器12用于对二维色散光束进行探测。面阵探测器为Andor公司的产品，型号为iKon-M_934BU2。
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 (10)

1.一种高分辨率拉曼光谱仪，其特征在于，包括：激光装置、双色镜、准直透镜、拉曼滤光片、聚焦透镜、干涉组件、扩束透镜组、二维色散组件和成像装置；
所述激光装置发出激光光束后经过所述双色镜的反射和所述准直透镜的聚焦后对样品进行照射；
所述样品经激光光束照射后激发出拉曼散射光束，经所述准直透镜的准直后变为平行光束透过所述双色镜，再经所述拉曼滤光片的滤波和所述聚焦透镜的聚焦后进入所述干涉组件发生干涉后以梳状光束出射；
所述梳状光束经过所述扩束透镜组的扩束后进入所述二维色散组件中依次发生纵向色散和横向色散形成二维色散光束，所述二维色散光束入射至所述成像装置进行成像，得到波长-光强二维谱图。
2.根据权利要求1所述的高分辨率拉曼光谱仪，其特征在于，所述激光装置包括：激光器和窄带通滤光片；
所述窄带通滤光片位于所述激光器的正前方，用于对所述激光器发出的激光光束中的杂散光进行过滤。
3.根据权利要求2所述的高分辨率拉曼光谱仪，其特征在于，所述双色镜与水平方向呈45°角放置，用于将所述激光器发出的激光光束的传播方向改变90°。
4.根据权利要求3所述的高分辨率拉曼光谱仪，其特征在于，所述干涉组件包括：空心平行平板和压电陶瓷；
所述空心平行平板由第一玻璃平板和第二玻璃平板组成，所述第一玻璃平板与所述第二玻璃平板构成了密闭的干涉腔；所述第一玻璃平板的中心位置处设置有通孔，所述压电陶瓷安装在所述第二玻璃平板上；
所述聚焦光束经所述通孔进入所述空心平行平板后产生多光束干涉效应，通过改变所述压电陶瓷的电压来控制所述空心平行平板的干涉腔长，得到光强增强的梳状光束。
5.根据权利要求4所述的高分辨率拉曼光谱仪，其特征在于，在所述第一玻璃平板的内侧镀有可见光全反膜；在所述第二玻璃平板的内侧镀有可见光高反膜。
6.根据权利要求5所述的高分辨率拉曼光谱仪，其特征在于，所述干涉组件还包括：耦合透镜和光纤；
所述第二玻璃平板出射的梳状光束经所述耦合透镜耦合至所述光纤中，从所述光纤出射的光束再经所述扩束透镜组进行扩束后进入所述二维色散组件。
7.根据权利要求6所述的高分辨率拉曼光谱仪，其特征在于，所述二维色散组件包括：平面反射镜、柱透镜、实心平行平板和光栅；
所述扩束光束经过所述平面反射镜的反射后传播方向改变90°进入所述柱透镜中，经过所述柱透镜的聚焦后依次进入所述实心平行平板和所述光栅实现光束的纵向色散和横向色散，形成所述二维色散光束；
所述二维色散光束经所述光栅出射后传播方向再次改变90°，进入所述成像装置。
8.根据权利要求7所述的高分辨率拉曼光谱仪，其特征在于，所述实心平行平板相对于水平面倾斜放置，所述实心平行平板为矩形体玻璃平板，所述实心平行平板的入射区域镀有增透膜，非入射区域分别镀有可见光全反射膜和可见光高反射膜。
9.根据权利要求8所述的高分辨率拉曼光谱仪，其特征在于，所述入射区域位于所述实心平行平板第一侧面的底部；所述非入射区域为所述实心平行平板除入射区域的第一侧面和第二侧面；所述第一侧面非入射区域镀有可见光全反射膜，所述第二侧面镀有可见光高反射膜。
10.根据权利要求9所述的高分辨率拉曼光谱仪，其特征在于，
所述成像装置包括：成像透镜组、非球面成像透镜和面阵探测器；
所述二维色散光束依次透过所述成像透镜组和非球面成像透镜后在所述面阵探测器中形成波长-光强二维谱图。
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