CN115753732A - 一种双波长高精度拉曼光谱仪 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种双波长高精度拉曼光谱仪，属于光谱仪领域。包括依次连接的双波长激光器、样品池、样品分析装置、光纤传输系统、拉曼光谱装置和结果分析系统；光纤传输系统包括：Y字光纤器、第一光纤端面、第二光纤端面和第三光纤端面，样品分析装置包括：从左到右依次排布的凹面反射镜、样品、基底、第一透镜、增反减透二向色镜、滤光片和第二透镜；拉曼光谱分析装置包括：两组依次连接的第一镜头、全息光栅、标准平晶、第二反射镜、第一棱镜、第二棱镜、第二镜头、光电接收器。本发明的优点是采用双波长激光器进行拉曼光谱检测，减小体积的同时提高了检测效果的精度与效率；能够用于微生物和痕量物质的拉曼光谱检测。

Description

一种双波长高精度拉曼光谱仪

技术领域

本发明涉及光学检测技术领域,特别涉及一种双波长高精度拉曼光谱仪。

背景技术

拉曼光谱(Raman spectra)，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。随着激光技术的发展，拉曼光谱技术越来越多地被用来检测各种物质。由于不同的分子具有特定的振动和转动能级，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。正如通过指纹可以确定指纹的主人，通过拉曼光谱便可以确定分子的种类。同时，通过拉曼光谱的强度可以确定该分子的浓度。近年来，随着激光器、探测器、滤光片等光学器件的日趋成熟，拉曼光谱仪在国内外得到飞速发展。

常用的拉曼表面增强技术，通过一片纳米量级材料基底来增强拉曼信号，可以对一些样品进行痕量检测。然而，表面增强拉曼光谱技术大多只局限于高纯度固体和液体检测，在微生物及病毒检测领域应用尚不普及。且当前生物检测对于速度，精度与多次检测的要求，现有单波长光谱仪并无法满足。

发明内容

鉴于上述问题，本发明的目的是提供一种双波长高精度拉曼光谱仪，通过双波长光源用同一台设备可检测同一产品，不同性状的各个性质。以克服上述现有技术的不足。

本发明提供的双波长高精度拉曼光谱仪，包括：依次连接的激光器、样品池、样品分析装置、光纤传输系统、拉曼光谱装置和结果分析系统，所做的改进是，所述激光器为双波长激光器，

其中，所述光纤传输系统包括：Y字光纤器、第一光纤端面、第二光纤端面和第三光纤端面，所述第一光纤端面与Y字光纤器的输入端连接，所述第二光纤端面、第三光纤端面与Y字光纤器的两个输入端连接；

其中，所述样品分析装置包括：从左到右依次排布的凹面反射镜、样品、基底、第一透镜、增反减透二向色镜、滤光片和第二透镜；所述第二透镜与第一光纤端面连接，所述双波长激光器设置在增反减透二向色镜的正上方，所述双波长激光器出射激光经增反减透二向色镜后，由第一透镜聚焦于探测点，探测点处的样品受到激光激发后产生拉曼光由凹面反射镜反射后被第一透镜收集后准直，由滤光片滤除激光后，由第二透镜聚焦于第一光纤端面；且经过Y字光纤器后，统一到拉曼光谱分析装置；

其中，所述拉曼光谱分析装置包括：两组依次连接的第一镜头、全息光栅、标准平晶、第二反射镜、第一棱镜、第二棱镜、第二镜头、光电接收器，其中一组与第二光纤端面连接，另一组与第三光纤端面连接，所述第二光纤端面和第三光纤端面通过Y字光纤器与第一光纤端面连接，激光通过所述Y字光纤器进入到第二光纤端面和第三光纤端面并出射，再进入第一镜头进行集中，出射到全息光栅，全息光栅透射后，由标准平晶消除杂质反射光，光经第二反射镜反射，进入第一棱镜和第二棱镜消除杂散光，进入第二镜头聚焦打入光电检测器上检测。

进一步地，所述第一光纤端面为聚合的圆柱状光纤柱，所述第二光纤端面和第三光纤端面为一字紧密排列的光纤束。

进一步地，所述Y字光纤器由1-50光导纤维组成，所述Y字光纤器由1-50光导纤维组成Y字型结构。其能够接收两个光组产生的信号由圆柱聚合状改为一字线性排列光纤，能更好的读取并处理拉曼信号。

进一步地，所述全息光栅包括多个光栅刻线总数，用于将色散率，分辨率大幅度提高。

本发明的优点及积极效果是：

1、本发明的双波长高精度拉曼光谱仪采用拉曼光谱，相对于荧光检测等手段具有不伤害样品，无需标记，高效检测等优点，借助双工质激光器，使拉曼光谱技术能大大精进，可以更方便，更快速，更高精度的去检测微生物和病毒因素。而且本发明通过采用双波长激光器进行拉曼光谱检测，在减小体积的同时提高了检测效果的精度与效率；而且小型化的拉曼光谱仪，可以促进整个行业的民用普及与发展。

2、本发明采用棱镜进行准直，镜头进行聚焦，小体积的光电接收器作为信号接收屏，实现了双波长高精度拉曼光谱仪体积的进一步缩小。采用标准平晶，将反射光移出视场，进一步提高拉曼信号检测，同时采用全息光栅，使光栅刻线总数大幅度增加，因此色散率、分辨率也大幅度得到提高，且工作时不会产生鬼线和伴线。将拉曼信号提高至多倍。

3、本发明采用增反减透的二项色镜增加拉曼信号的同时提高了样品检测的精度。采用Y字点转线的光纤束接收拉曼光，提升了系统灵敏度。采用标准平晶，将反射光移出视场，进一步提升拉曼信号的准确性，有效提高光谱分辨率。此外采用全息光栅，使光栅刻线总数大幅度增加，因此色散率、分辨率也大幅度得到提高。

4、本发明采用棱镜针对拉曼光进行二次分离并利用全反射进一步滤除激光瑞利干扰；采用镜头对拉曼光进行准直和聚焦，有效提升了光谱分辨率。

附图说明

通过参考以下结合附图的说明，并且随着对本发明的更全面理解，本发明的其它目的及结果将更加明白及易于理解。在附图中：

图1本发明实施例中一种双波长高精度拉曼光谱仪的系统流程图。

图2本发明实施例中一种双波长高精度拉曼光谱仪的整体结构示意图。

图3本发明实施例中一种双波长高精度拉曼光谱仪的样品分析装置结构示意图。

图4本发明实施例中一种双波长高精度拉曼光谱仪的拉曼光谱分析装置结构示意图。

图5本发明实施例中一种双波长高精度拉曼光谱仪的Y字光纤器结构示意图。

图6本发明实施例中一种双波长高精度拉曼光谱仪的增反减透二向色镜结构示意图。附图标记：双波长激光器1、样品池2、样品分析装置3、增反减透二向色镜301、第一透镜302、基底303、样品304、凹面反射镜305、滤光片306、第二透镜307、光纤传输系统4、Y字光纤器401、第一光纤端面402、第二光纤端面403、第三光纤端面404、拉曼光谱装置5、第一镜头501、501′、全息光栅502、502、标准平晶503、503′、第二反射镜504、504′、第一棱镜505、505′、第二棱镜506、506′、第二镜头507、507′、光电接收器508、508′、结果分析系统6。

具体实施方式

在下面的描述中，出于说明的目的，为了提供对一个或多个实施例的全面理解，阐述了许多具体细节。然而，很明显，也可以在没有这些具体细节的情况下实现这些实施例。在其它例子中，为了便于描述一个或多个实施例，公知的结构和设备以方框图的形式示出。

实施例1

图1-6示出了根据本发明实施例的整体结构示意图。

如图1-6所示，本发明实施例提供的一种双波长高精度拉曼光谱仪，包括：依次连接的双波长激光器1、样品池2、样品分析装置3、光纤传输系统4、拉曼光谱装置5和结果分析系统6。

本发明实施例中的双波长激光器1具有两种波长(532nm，785nm)的激光光源，这两种波长的光源可以分别激发同一物质的两种不同性状。由于采用一个激光器发出双波长激光的双波长激光器1进行拉曼光谱检测，减小体积的同时提高了检测效果的精度与效率。

本发明实施例中的样品池2内的样品可以是气体、液体、固体。

本发明实施例中的光纤传输系统4包括：Y字光纤器401、第一光纤端面402、第二光纤端面403和第三光纤端面404，第一光纤端面402与Y字光纤器401的输入端连接，第二光纤端面403、第三光纤端面404与Y字光纤器401的两个输入端连接；Y字光纤器(Y字面转线光纤)401由1-50光导纤维组成。第一光纤端面402为聚合的圆柱状光纤柱，第二光纤端面403和第三光纤端面404为一字紧密排列的光纤束。其能够接收两个光组产生的信号由圆柱聚合状改为一字线性排列光纤，能更好的读取并处理拉曼信号。

本发明实施例中的样品分析装置3包括：增反减透二向色镜301、第一透镜302、基底303、样品304、凹面反射镜305、滤光片306、第二透镜307；从左到右依次排布的凹面反射镜305、样品304、基底303和第一透镜302设置在增反减透二向色镜301的左侧，从右到左依次排布的第二透镜307、滤光片306设置在增反减透二向色镜301的右侧；增反减透二向色镜301分为全反532nm的二向色镜3011、全反785nm的二向色镜3012，第二透镜307与第一光纤端面402连接，双波长激光器1设置在增反减透二向色镜301的正上方，双波长激光器1出射激光经增反减透二向色镜301后，由第一透镜302聚焦于探测点，探测点处的样品304受到激光激发后产生拉曼光由凹面反射镜305反射后被第一透镜302收集后准直，由滤光片306滤除激光后，由第二透镜307聚焦于第一光纤端面402；且经过Y字光纤器401后，统一到拉曼光谱分析装置5。使用增反减透二向色镜，增加拉曼信号的同时提高了样品检测的精度。

本发明实施例中的拉曼光谱分析装置5包括：两个第一镜头501、501′、两个全息光栅502、502′、两个标准平晶503、503′、两个第二反射镜504、504′、两个第一棱镜505、505′、两个第二棱镜506、506′、两个第二镜头507、507′和两个光电接收器508、508′；其中，依次连接的第一镜头501、全息光栅502、标准平晶503、第二反射镜504、第一棱镜505、第二棱镜506、第二镜头507和光电接收器508为一组，依次连接的第一镜头501′、全息光栅502′、标准平晶503′、第二反射镜504′、第一棱镜505′、第二棱镜506′、第二镜头507′和光电接收器508′为另一组，第二光纤端面403与第一镜头501连接，激光通过Y字光纤器401进入到第二光纤端面403并出射，再进入第一镜头501进行集中，出射到全息光栅502，全息光栅502透射后，由标准平晶503消除杂质反射光，光经第二反射镜504反射，进入第一棱镜505和第二棱镜506消除杂散光，进入第二镜头507聚焦打入光电检测器508上检测。第三光纤端面404与第一镜头501′连接，拉曼光通过Y字光纤器401进入到第三光纤端面404并出射，再进入第一镜头501′进行集中，出射到全息光栅502′，全息光栅502′透射后，由标准平晶503′消除杂质反射光，光经第二反射镜504′反射，进入第一棱镜505′和第二棱镜506′消除杂散光，进入第二镜头507′聚焦打入光电检测器508′上检测。

本实施例中全息光栅502、502为全息透射光栅，包括多个光栅刻线总数，使光栅刻线总数大幅度增加，因此色散率、分辨率也大幅度得到提高，且工作时不会产生鬼线和伴线。通过采用标准平晶503和503′不仅可以将反射光移出视场，而且能够移除无用的杂散拉曼信号，进一步提高精度。通过采用棱镜针对拉曼光进行二次分离并利用全反射进一步滤除激光瑞利干扰；棱镜相对于光栅可以成特定角度从而激光对应波长被全反射，以避免激光对于拉曼光信号干扰。棱镜不透光面和上下底面均涂有消光漆，用以吸收杂散光。通过采用镜头对拉曼光进行准直和聚焦，有效提升了光谱分辨率。

本实施例中通过拉曼光谱装置5可设置多个光路，同时测量多个物质的多个指标，实现双波长高精度拉曼光谱仪的效率最大化。出射光在被光电检测传感器接收前，可使用MOPA主振荡功率放大技术提高其功率与质量。光电接收器508、508′用的光电检测传感器也可以使用其他高灵敏度探测器，如ICCD,sCOMS等代替，另外，可使用WDM波分复用器，达成高精度，低干扰的分光。结果分析系统6内储存有光谱数据库用于光电接收器508的检测结果比对。

工作原理：双波长激光器1出射激光经二向色镜301增反减透后，由第一透镜302聚焦于探测点，探测点处的样品304可以是气体、液体、固体，探测点处的样品304受到激光激发后产生拉曼光由凹面反射镜305反射后被第一透镜302收集后准直，由滤光片306滤除激光后，由第二透镜307聚焦于第一光纤端面402。通过Y字光纤器401使得激光由第二光纤端面403出射，进入第一镜头501进行集中，出射到全息光栅502，全息光栅502透射后，由标准平晶503消除杂质反射光。光经第二反射镜504反射，进入第一棱镜505和第二棱镜506消除杂散光，进入第二镜头507聚焦打入光电接收器508上检测。检测的结果进入结果分析系统得出所需结果。

以上，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (4)

1.一种双波长高精度拉曼光谱仪，包括：依次连接的激光器、样品池、样品分析装置、光纤传输系统、拉曼光谱装置和结果分析系统，其特征在于，所述激光器为双波长激光器，

其中，所述光纤传输系统包括：Y字光纤器、第一光纤端面、第二光纤端面和第三光纤端面，所述第一光纤端面与Y字光纤器的输入端连接，所述第二光纤端面、第三光纤端面与Y字光纤器的两个输入端连接；

其中，所述样品分析装置包括：从左到右依次排布的凹面反射镜、样品、基底、第一透镜、增反减透二向色镜、滤光片和第二透镜；所述第二透镜与第一光纤端面连接，所述双波长激光器设置在增反减透二向色镜的正上方，所述双波长激光器出射激光经增反减透二向色镜后，由第一透镜聚焦于探测点，探测点处的样品受到激光激发后产生拉曼光由凹面反射镜反射后被第一透镜收集后准直，由滤光片滤除激光后，由第二透镜聚焦于第一光纤端面；且经过Y字光纤器后，统一到拉曼光谱分析装置；

其中，所述拉曼光谱分析装置包括：两组依次连接的第一镜头、全息光栅、标准平晶、第二反射镜、第一棱镜、第二棱镜、第二镜头、光电接收器，其中一组与第二光纤端面连接，另一组与第三光纤端面连接，所述第二光纤端面和第三光纤端面通过Y字光纤器与第一光纤端面连接，激光通过所述Y字光纤器进入到第二光纤端面和第三光纤端面并出射，再进入第一镜头进行集中，出射到全息光栅，全息光栅透射后，由标准平晶消除杂质反射光，光经第二反射镜反射，进入第一棱镜和第二棱镜消除杂散光，进入第二镜头聚焦打入光电检测器上检测。

2.根据权利要求1所述的一种双波长高精度拉曼光谱仪，其特征在于，所述第一光纤端面为聚合的圆柱状光纤柱，所述第二光纤端面和第三光纤端面为一字紧密排列的光纤束。

3.根据权利要求1所述的一种双波长高精度拉曼光谱仪，其特征在于，所述Y字光纤器由1-50光导纤维组成Y字型结构。

4.根据权利要求1所述的一种双波长高精度拉曼光谱仪，其特征在于，所述全息光栅包括多个光栅刻线总数，用于将色散率，分辨率大幅度提高。

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