CN117881957A - 拉曼分光装置 - Google Patents
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Abstract
一种拉曼分光装置(1)，包括：第一分光器(44)、第二分光器(46)、以及光检测器(50)。第一分光器(44)对第一拉曼散射光(31)进行分光。第二分光器(46)对具有比第一拉曼散射光(31)短的波长的第二拉曼散射光(33)进行分光。光检测器(50)接收第一拉曼散射光(31)及第二拉曼散射光(33)。第二分光器(46)包括数量比第一分光器(44)多的分光光学元件。
Description
技术领域
本公开涉及一种拉曼分光装置。
背景技术
美国专利第8873041号说明书(专利文献1)公开了使用两个激发波长的拉曼分光装置。
[现有技术文献]
[专利文献]
专利文献1：美国专利第8873041号说明书
发明内容
[发明所要解决的问题]
本公开的目的在于提供一种拉曼分光装置，其可扩大相对于通过利用具有多个激发波长中更短的波长的激发光束照射试样而从试样放射的拉曼散射光而言的拉曼光谱的测定波数范围，并且具有降低的成本。
[解决问题的技术手段]
本公开的拉曼分光装置包括分光光学系统及光检测器。分光光学系统包含第一分光器及第二分光器。第一分光器对通过利用第一激发光束照射试样而从试样放射的第一拉曼散射光进行分光。第二分光器对第二拉曼散射光进行分光，所述第二拉曼散射光是通过利用具有比第一激发光束短的波长的第二激发光束照射试样而从试样放射，且具有比第一拉曼散射光短的波长。光检测器接收从分光光学系统输出的第一拉曼散射光及第二拉曼散射光。第二拉曼散射光向分光光学系统内的第二分光器的第二入射光路与第一拉曼散射光向分光光学系统内的第一分光器的第一入射光路不同。第二分光器包括数量比第一分光器多的分光光学元件。
[发明的效果]
本公开的拉曼分光装置可扩大相对于通过利用具有比第一激发光束短的波长的第二激发光束照射试样而从试样放射的第二拉曼散射光而言的拉曼光谱的测定波数范围，并且具有降低的成本。
附图说明
图1是实施方式的拉曼分光装置的概略图。
图2是实施方式的拉曼分光装置所包括的光检测器的概略局部放大图。
具体实施方式
以下，对本公开的实施方式进行说明。此外，对相同的结构标注相同的参照编号，不重复其说明。
参照图1及图2，对实施方式的拉曼分光装置1进行说明。拉曼分光装置1包括：第一激发光源10、第二激发光源12、试样支撑部25a、分光光学系统40、光检测器50、信号处理器55、反射镜15、反射镜16、反射镜19、反射镜21、反射镜22、反射镜26、低通滤波器17、低通滤波器18、双色镜20、聚光透镜27、聚光透镜28、以及狭缝29、狭缝30。拉曼分光装置1也可还包括照明光源60、物镜24、半反射镜23、成像透镜62、以及照相机63。
第一激发光源10输出第一激发光束11。第二激发光源12输出具有比第一激发光束11短的波长的第二激发光束13。第一激发光束11的第一波长可与第二激发光束13的第二波长相差40nm以上，也可相差100nm以上，也可相差200nm以上。在一例中，第一激发光束11的第一波长为785nm，第二激发光束13的第二波长为532nm。在另一例中，第一激发光束11的第一波长为1064nm，第二激发光束13的第二波长为532nm。第一激发光源10及第二激发光源12例如为激光光源，第一激发光束11及第二激发光束13例如为激光束。第一激发光源10及第二激发光源12例如为二极管激光激发的固体激光、氦氖激光、钛蓝宝石激光或掺钕钇铝石榴石(Neodymium-doped Yttrium Aluminum Garnet，Nd：YAG)激光。
试样25由如试样平台那样的试样支撑部25a支撑。根据试样25，将第一激发光束11与第二激发光束13中的任一个照射至试样25。激发波长越短，拉曼散射的效率越高。因此，在提高拉曼散射光的强度的情况下，试样25不是由第一激发光束11，而是由第二激发光束13照射。在利用第二激发光束13照射试样25时，在试样25放射强荧光的情况下，试样25不是由第二激发光束13，而是由第一激发光束11照射。因此，可在不受荧光的影响的情况下获得试样25的拉曼光谱。
从第一激发光源10输出的第一激发光束11被反射镜15、反射镜16反射，并入射至低通滤波器17。低通滤波器17对第一激发光束11进行反射，并且使第一拉曼散射光31透过。第一激发光束11被低通滤波器17反射，并入射至双色镜20。双色镜20使第一激发光束11及第一拉曼散射光31透过，并且对第二激发光束13及第二拉曼散射光33进行反射。第一激发光束11透过双色镜20。第一激发光束11被反射镜21、反射镜22反射。第一激发光束11穿过半反射镜23及物镜24而照射至试样25。
从第二激发光源12输出的第二激发光束13被反射镜15、反射镜16反射，并入射至低通滤波器18。低通滤波器18对第二激发光束13进行反射，并且使第二拉曼散射光33透过。第二激发光束13被低通滤波器18、反射镜19及双色镜20反射。第二激发光束13被反射镜21、反射镜22反射。第二激发光束13穿过半反射镜23及物镜24而照射至试样25。
通过利用第一激发光束11照射试样25，从试样25放射第一拉曼散射光31。第一拉曼散射光31具有比第一激发光束11长的波长。第一拉曼散射光31穿过物镜24及半反射镜23并被反射镜21、反射镜22反射。第一拉曼散射光31透过双色镜20及低通滤波器17，并被反射镜26反射。第一拉曼散射光31由聚光透镜27聚集，通过狭缝29而入射至分光光学系统40。
通过利用第二激发光束13照射试样25，从试样25放射第二拉曼散射光33。第二拉曼散射光33具有比第二激发光束13长的波长。第二拉曼散射光33具有比第一拉曼散射光31短的波长。即，第一拉曼散射光31是长波长拉曼散射光，第二拉曼散射光33是短波长拉曼散射光。第二拉曼散射光33穿过物镜24及半反射镜23并被反射镜21、反射镜22反射。第二拉曼散射光33被双色镜20及反射镜19反射。第二拉曼散射光33透过低通滤波器18，并被反射镜26反射。第二拉曼散射光33由聚光透镜28聚集，通过狭缝30而入射至分光光学系统40。狭缝30的开口的位置与狭缝29的开口的位置不同。
分光光学系统40包含准直透镜42、准直透镜43、第一分光器44、第二分光器46、以及聚光光学元件49。分光光学系统40也可还包含反射镜41。
第一拉曼散射光31被反射镜41反射，并入射至准直透镜42。准直透镜42使第一拉曼散射光31准直。第一拉曼散射光31穿过准直透镜42而入射至第一分光器44。第一分光器44对第一拉曼散射光31进行分光。由第一分光器44分光的第一拉曼散射光31穿过聚光光学元件49而入射至光检测器50。聚光光学元件49例如为聚光透镜。聚光光学元件49将由第一分光器44分光的第一拉曼散射光31作为多个第一束斑32(参照图2)聚集至光检测器50的受光面51。
第二拉曼散射光33被反射镜41反射，并入射至准直透镜43。准直透镜43使第二拉曼散射光33准直。第二拉曼散射光33穿过准直透镜43而入射至第二分光器46。第二拉曼散射光33向分光光学系统40内的第二分光器46的第二入射光路33i与第一拉曼散射光31向分光光学系统40内的第一分光器44的第一入射光路31i不同。第二分光器46对第二拉曼散射光33进行分光。由第二分光器46分光的第二拉曼散射光33穿过聚光光学元件49而入射至光检测器50。聚光光学元件49将由第二分光器46分光的第二拉曼散射光33作为多个第二束斑34(参照图2)聚集至光检测器50的受光面51。
第二分光器46包括数量比第一分光器44多的分光光学元件。分光光学元件例如为光栅或棱镜。第一分光器44由一个第一分光光学元件45构成。第二分光器46由两个第二分光光学元件47、48构成。
光检测器50接收从分光光学系统40输出的第一拉曼散射光31及第二拉曼散射光33。光检测器50例如为电荷耦合器件(Charge Coupled Device，CCD)检测器。如图2所示，光检测器50具有沿第一方向(x方向)及与第一方向交叉的第二方向(y方向)延伸的受光面51。光检测器50包含多个光检测元件52。多个光检测元件52例如为多个CCD芯片。多个光检测元件52二维地排列。具体而言，多个光检测元件52在受光面51上沿着第一方向(x方向)及第二方向(y方向)排列。第二方向是受光面51上的基于第一分光器44的第一拉曼散射光31的波数分解方向，且是受光面51上的基于第二分光器46的第二拉曼散射光33的波数分解方向。多个第一束斑32在第一方向(x方向)上相互分离。多个第二束斑34在第一方向(x方向)上相互分离。
若第二拉曼散射光33的光路偏移，则光检测器50的受光面51上的多个第二束斑34的位置有时会从多个第一束斑32的位置偏移(例如，参照图2的多个第二束斑34b、第二束斑34c)。但是，由于多个光检测元件52二维地排列，因此即使第二拉曼散射光33的光路偏移而多个第二束斑34的位置偏移，光检测器50也可更可靠地接收第二拉曼散射光33(多个第二束斑34)。同样地，即使第一拉曼散射光31的光路偏移而光检测器50的受光面51上的多个第一束斑32的位置偏移，光检测器50也可更可靠地接收第一拉曼散射光31(多个第一束斑32)。
参照图1，信号处理器55与光检测器50连接。对从多个光检测元件52输出的多个电信号进行处理。信号处理器55例如为包含处理器、随机存取存储器(Random AccessMemory，RAM)、以及只读存储器(Read Only Memory，ROM)之类的存储装置的微型计算机。作为处理器，例如可采用中央处理器(Central Processing Unit，CPU)。RAM作为临时存储由处理器处理的数据的工作用存储器发挥功能。在存储装置中例如存储有由处理器执行的程序等。通过处理器执行存储于存储装置中的程序，信号处理器55对从多个光检测元件52输出的多个电信号进行处理。信号处理器55中的各种处理不限于由软件执行，也可由专用的硬件(电子电路)执行。
信号处理器55例如对从多个光检测元件52输出的多个电信号进行合并处理。合并处理是指针对多个光检测元件52中的多个光检测元件群组53a-53k(参照图2)的每个，一并对从光检测元件52输出的电信号进行处理。例如，多个光检测元件群组53a-53k的各者包含多个光检测元件52中的两行的光检测元件52。信号处理器55例如可针对多个光检测元件群组53a-53k的每个算出从光检测元件52输出的电信号的和，也可针对多个光检测元件群组53a-53k的每个算出从光检测元件52输出的电信号的平均值。
即使第一拉曼散射光31及第二拉曼散射光33微弱，也可通过合并处理可靠地获得关于第一拉曼散射光31及第二拉曼散射光33的电信号。另外，即使第二拉曼散射光33的光路偏移而光检测器50的受光面51上的多个第二束斑34的位置偏移(例如，参照图2的多个第二束斑34b、第二束斑34c)，合并处理也可能获得多个第二束斑34各自的准确的光强度。通过合并处理，可获得更准确的第二拉曼散射光33的拉曼光谱。同样地，即使第一拉曼散射光31的光路偏移而光检测器50的受光面51上的多个第一束斑32的位置偏移，也可通过合并处理获得更准确的第一拉曼散射光31的拉曼光谱。
拉曼分光装置1可还包括照明光源60、物镜24、照相机63、以及成像透镜62，也可为拉曼分光显微镜。
照明光源60放射照射试样25的照明光61。照明光源60例如为发光二极管(LightEmitting Diode，LED)。照明光61例如为可见光。照射至试样25的照明光61穿过物镜24并被半反射镜23反射。照明光61穿过成像透镜62而入射至照相机63。成像透镜62将试样25的像成像于照相机63的受光面64。照相机63例如包含互补金属氧化物半导体(ComplementaryMetal Oxide Semiconductor，CMOS)传感器。
在与第一比较例至第三比较例的拉曼分光装置进行对比的同时对本实施方式的拉曼分光装置1的作用进行说明。
第一比较例的拉曼分光装置包括第一拉曼散射光31用的第一聚光光学元件及第一光检测器、以及第二拉曼散射光33用的第二聚光光学元件及第二光检测器。与此相对，在本实施方式的拉曼分光装置1中，聚光光学元件49及光检测器50用于第一拉曼散射光31及第二拉曼散射光33此两者。本实施方式的拉曼分光装置1与第一比较例的拉曼分光装置相比，包括数量少的聚光光学元件及数量少的光检测器。因此，本实施方式的拉曼分光装置1的成本与第一比较例的拉曼分光装置相比降低。
由于第二激发光束13的第二波长比第一激发光束11的第一波长短，因此与某测定波数范围对应的第二拉曼散射光33的波长范围比与所述测定波数范围对应的第一拉曼散射光31的波长范围窄。为了将相对于第二拉曼散射光33而言的拉曼光谱的测定波数范围扩大至例如与相对于第一拉曼散射光31而言的拉曼光谱的测定波数范围为相同程度，需要使第二分光器46的角色散比第一分光器44的角色散大。
在第二比较例的拉曼分光装置中，第一分光器44与第二分光器46由相同数量的分光光学元件构成，且构成第二分光器46的分光光学元件具有比构成第一分光器44的分光光学元件大的角分散。但是，随着分光光学元件的波长分辨率变高，分光光学元件的成本急剧增加。因此，在第二比较例的拉曼分光装置中，若要将相对于第二拉曼散射光33而言的拉曼光谱的测定波数范围扩大至例如与相对于第一拉曼散射光31而言的拉曼光谱的测定波数范围为相同程度，则第二比较例的拉曼分光装置的成本上升。
与此相对，在本实施方式的拉曼分光装置1中，第二分光器46由数量比第一分光器44多的分光光学元件构成。因此，可在使用廉价的分光光学元件作为构成第二分光器46的多个分光光学元件的各者的同时，使第二分光器46的角分散比第一分光器44的角分散大。因此，即使将相对于第二拉曼散射光33而言的拉曼光谱的测定波数范围扩大至例如与相对于第一拉曼散射光31而言的拉曼光谱的测定波数范围为相同程度，本实施方式的拉曼分光装置1的成本也与第二比较例的拉曼分光装置的成本相比降低。
在第三比较例的拉曼分光装置中，第二拉曼散射光33向分光光学系统40内的第二分光器46的第二入射光路33i与第一拉曼散射光31向分光光学系统40内的第一分光器44的第一入射光路31i相同。因此，第三比较例的拉曼分光装置需要将第一分光器44与第二分光器46相互切换的移动机构。
与此相对，在本实施方式的拉曼分光装置1中，第二拉曼散射光33向分光光学系统40内的第二分光器46的第二入射光路33i与第一拉曼散射光31向分光光学系统40内的第一分光器44的第一入射光路31i不同。因此，拉曼分光装置1可省略使第一分光器44及第二分光器46移动的移动机构。本实施方式的拉曼分光装置1的成本与第三比较例的拉曼分光装置的成本相比降低。本实施方式的拉曼分光装置1与第三比较例的拉曼分光装置相比，可准确且稳定地获得第一拉曼散射光31的拉曼光谱及第二拉曼散射光33的拉曼光谱。
在本实施方式的变形例的拉曼分光装置1中，激发光源的数量也可为三个以上。
[形态]
本领域技术人员将理解，所述示例性的实施方式为以下形态的具体例。
(第一项)一形态的拉曼分光装置包括分光光学系统及光检测器。分光光学系统包含第一分光器及第二分光器。第一分光器对通过利用第一激发光束照射试样而从试样放射的第一拉曼散射光进行分光。第二分光器对第二拉曼散射光进行分光，所述第二拉曼散射光是通过利用具有比第一激发光束短的波长的第二激发光束照射试样而从试样放射，且具有比第一拉曼散射光短的波长。光检测器接收从分光光学系统输出的第一拉曼散射光及第二拉曼散射光。第二拉曼散射光向分光光学系统内的第二分光器的第二入射光路与第一拉曼散射光向分光光学系统内的第一分光器的第一入射光路不同。第二分光器包括数量比第一分光器多的分光光学元件。
光检测器用于第一拉曼散射光及第二拉曼散射光此两者。因此，拉曼分光装置的成本降低。另外，由于第二分光器包括数量比第一分光器多的分光光学元件，因此可在使用低成本的分光光学元件作为构成第二分光器的分光光学元件的同时增大第二分光器的角分散。因此，可扩大相对于第二拉曼散射光而言的拉曼光谱的测定波数范围，并且拉曼分光装置的成本降低。进而，第二拉曼散射光向分光光学系统内的第二分光器的第二入射光路与第一拉曼散射光向分光光学系统内的第一分光器的第一入射光路不同。因此，拉曼分光装置可省略使第一分光器及第二分光器移动的移动机构。拉曼分光装置的成本降低。
(第二项)根据第一项所述的拉曼分光装置，其中，第一分光器由一个分光光学元件构成。第二分光器由两个分光光学元件构成。
因此，可使构成第一分光器及第二分光器的分光光学元件的数量为最小限度。拉曼分光装置的成本降低。
(第三项)根据第一项或第二项所述的拉曼分光装置，其中，分光光学系统包含聚光光学元件。聚光光学元件将从第一分光器输出的第一拉曼散射光及从第二分光器输出的第二拉曼散射光聚集至光检测器。
聚光光学元件用于第一拉曼散射光及第二拉曼散射光此两者。因此，拉曼分光装置的成本降低。
(第四项)根据第一至第三项中任一项所述的拉曼分光装置，其中，光检测器包含二维地排列的多个光检测元件。
因此，即使第一拉曼散射光的光路或第二拉曼散射光的光路偏移，光检测器也可更可靠地接收第一拉曼散射光及第二拉曼散射光。拉曼分光装置可更可靠地获得拉曼光谱。拉曼分光装置的光学系统的设计的自由度提高。
(第五项)根据第四项所述的拉曼分光装置，还包括与光检测器连接的信号处理器。信号处理器对从多个光检测元件输出的多个电信号进行合并处理。
因此，即使第一拉曼散射光及第二拉曼散射光微弱，也能够可靠地获得关于第一拉曼散射光及第二拉曼散射光的电信号。即使第一拉曼散射光的光路或第二拉曼散射光的光路偏移，也可更准确地获得第一拉曼散射光的拉曼光谱及第二拉曼散射光的拉曼光谱。
应认为，本次公开的实施方式及其变形例在所有方面均为例示而非限制性者。本公开的范围由权利要求书而非所述说明表示，并意图包含与权利要求书均等的含义及范围内的所有变更。
[符号的说明]
1：拉曼分光装置
10：第一激发光源
11：第一激发光束
12：第二激发光源
13：第二激发光束
15、16、19、21、22、26、41：反射镜
17、18：低通滤波器
20：双色镜
23：半反射镜
24：物镜
25：试样
25a：试样支撑部
27、28：聚光透镜
29、30：狭缝
31：第一拉曼散射光
31i：第一入射光路
32：第一束斑
33：第二拉曼散射光
33i：第二入射光路
34、34b、34c：第二束斑
40：分光光学系统
42、43：准直透镜
44：第一分光器
45：第一分光光学元件
46：第二分光器
47、48：第二分光光学元件
49：聚光光学元件
50：光检测器
51：受光面
52：光检测元件
53a-53k：光检测元件群组
55：信号处理器
60：照明光源
61：照明光
62：成像透镜
63：照相机
64：受光面。
Claims (5)
1.一种拉曼分光装置，包括：分光光学系统；以及
光检测器，
所述分光光学系统包含：第一分光器，对通过利用第一激发光束照射试样而从所述试样放射的第一拉曼散射光进行分光；以及第二分光器，对第二拉曼散射光进行分光，所述第二拉曼散射光是通过利用具有比所述第一激发光束短的波长的第二激发光束照射所述试样而从所述试样放射，且具有比所述第一拉曼散射光短的波长，
所述光检测器接收从所述分光光学系统输出的所述第一拉曼散射光及所述第二拉曼散射光，
所述第二拉曼散射光向所述分光光学系统内的所述第二分光器的第二入射光路与所述第一拉曼散射光向所述分光光学系统内的所述第一分光器的第一入射光路不同，
所述第二分光器包括数量比所述第一分光器多的分光光学元件。
2.根据权利要求1所述的拉曼分光装置，其中，所述第一分光器由一个分光光学元件构成，
所述第二分光器由两个分光光学元件构成。
3.根据权利要求1或2所述的拉曼分光装置，其中，所述分光光学系统包含聚光光学元件，
所述聚光光学元件将从所述第一分光器输出的所述第一拉曼散射光及从所述第二分光器输出的所述第二拉曼散射光聚集至所述光检测器。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的拉曼分光装置，其中，所述光检测器包含二维地排列的多个光检测元件。
5.根据权利要求4所述的拉曼分光装置，还包括与所述光检测器连接的信号处理器，
所述信号处理器对从所述多个光检测元件输出的多个电信号进行合并处理。
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