CN211504404U - 应用于光谱仪的双波长激发采集系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种应用于光谱仪的双波长激发采集系统，包括光衰减单元、共焦扩束单元、分光单元和聚焦单元，由光谱仪的光源发射的激发光依次通过光衰减单元、共焦扩束单元、分光单元后，再经第一物镜或者透镜聚焦至样品上并产生信号光，所述信号光通过所述第一物镜或者透镜返回至分光单元，之后进入聚焦单元；其中，所述光衰减单元包括第一光衰减模组和第二光衰减模组，所述共焦扩束单元包括第一共焦扩束模组和第二共焦扩束模组，所述分光单元包括第一分光模组和第二分光模组，所述聚焦单元包括第一聚焦透镜和第二聚焦透镜。籍由本实用新型，可以实现两种光谱仪的有效集成，结构简单，使用成本低廉，在多个领域有广阔的应用前景。

Description

应用于光谱仪的双波长激发采集系统

技术领域

本实用新型涉及一种光谱分析设备，特别涉及一种应用于光谱仪的双波长激发采集系统，属于仪器测试技术领域。

背景技术

光谱分析技术已经在多个领域广泛应用。但是传统的光谱分析设备通常只具有单一检测功能。以拉曼光谱仪和荧光光谱仪为例，其两者工作原理不同，导致两者内部结构存在明显差异，故而难以将其集成使用，着也导致使用者若要对样品进行拉曼光谱分析和荧光光谱分析，必须分别配置拉曼光谱仪和荧光光谱仪，带来使用成本上的大幅增加。

尽管近年来也有有研究人员尝试利用不同光谱仪的共通光学元件，以将不同光谱仪相结合组合成联合光谱仪，但往往不能克服下列的一些技术问题，例如：以拉曼和荧光光谱为例，该两者的获得过程均需要把激发光与产生的信号光分开，但是这两个光谱技术的分光方式有所区别，另外在光谱信号收集后，由于拉曼和荧光的光谱范围不一样，使得光谱分光有迥异。

发明内容

本实用新型的主要目的在于提供一种应用于光谱仪的双波长激发采集系统，以克服现有技术中的不足。

为实现前述发明目的，本实用新型采用的技术方案包括：

本实用新型实施例提供了一种应用于光谱仪的双波长激发采集系统，其包括光衰减单元、共焦扩束单元、分光单元和聚焦单元，由光谱仪的光源发射的激发光依次通过光衰减单元、共焦扩束单元、分光单元后，再经第一物镜或者透镜聚焦至样品上并产生信号光，所述信号光通过所述第一物镜或者透镜返回至分光单元，之后进入聚焦单元；其中，所述光衰减单元包括第一光衰减模组和第二光衰减模组，所述共焦扩束单元包括第一共焦扩束模组和第二共焦扩束模组，所述分光单元包括第一分光模组和第二分光模组，所述聚焦单元包括第一聚焦透镜和第二聚焦透镜；当光谱仪的光源发射第一波长的激发光时，主要由所述第一光衰减模组、第一共焦扩束模组、第一分光模组和第一聚焦透镜组成的第一工作组被驱动机构切换至工作光路上，而当光谱仪的光源发射不同于第一波长的第二波长的激发光时，主要由所述第二光衰减模组、第二共焦扩束模组、第二分光模组和第二聚焦透镜组成的第二工作组被驱动机构切换至工作光路上。

在一些实施方式中，进入所述聚焦单元的信号光被聚焦至狭缝，之后经单色仪进入所述光谱仪的探测器。

在一些实施方式中，所述第一光衰减模组和第二光衰减模组具有相同结构，其中所述第一光衰减模组包括可以调节的衰减片。

在一些实施方式中，所述第一共焦扩束模组和第二共焦扩束模组具有相同结构，其中所述第一共焦扩束模组包括相互配合的第二透镜和第三透镜，所述第二透镜与第三透镜之间设置有针孔，所述针孔位于所述第二透镜和第三透镜的焦点处，且由所述第三透镜输出的光束为平行光。

在一些实施方式中，所述第一分光模组和第二分光模组具有相同结构，其中所述第一分光模组包括：

第一反射镜，用于将入射所述分光模组的激发光反射至第一物镜或者透镜，以及将由样品输出的信号光与由样品反射的激发光分开，以及

陷波滤光片，用于滤除由样品输出的信号光中的散射激发光。

在一些实施方式中，所述第一反射镜和陷波滤光片均与固定机构连接，

在一些实施方式中，所述第一分光模组与第一位移机构连接，所述第一位移机构用于将所述第一分光模组移入或移出设定的工作光路，所述第一位移机构包括与第一分光模组传动连接的驱动机构以及与驱动机构连接的位置传感器和/或位置限制器。

在一些实施方式中，所述第一反射镜采用微型反射镜，且大小与光源所发出的激发光相匹配。

在一些实施方式中，所述聚焦单元包含第二位移机构，所述第二位移机构用于将第一聚焦透镜或第二聚焦透镜移入或移出工作光路，所述第二位移机构包括与所述第一聚焦透镜或第二聚焦透镜传动连接的驱动机构以及与驱动机构连接的位置传感器和/或位置限制器。

在一些实施方式中，所述光谱仪的光源包括两个发射波长不同的激光器。

与现有技术相比，利用本实用新型提供的双波长激发采集系统可以实现两种不同光谱仪(例如拉曼光谱仪与荧光光谱仪)的有效集成，具备双波长切换功能，同时适用于两种光谱检测，且结构简单，使用成本低廉，在多个领域有广阔的应用前景。

附图说明

图1是本实用新型一实施例中一种双波长拉曼-荧光联合光谱仪的一种工作状态示意图；

图2是本实用新型一实施例中一种分光模组的结构示意图；

图3是本实用新型一实施例中一种双波长拉曼-荧光联合光谱仪的另一种工作状态示意图；

附图标记说明：激光器1、激光器2、光衰减模组3、光衰减模组4、共焦扩束模组5、共焦扩束模组6、分光模组7、分光模组8、陷波滤光片9、聚焦模组10、狭缝11、光栅塔轮12、单色仪13、探测器14、透镜或者物镜15、样品16、控制单元17、位移机构18、内置反射镜19、位移机构20、位移机构21、反射镜22、凹面反射镜23、光栅24、光栅25、光栅26、凹面反射镜27、内置反射镜28、陷波滤光片29、透镜30、透镜31、固定机构32、固定机构33、透镜34、透镜35、针孔36、透镜37、透镜38、多波长激发采集单元39。

具体实施方式

鉴于现有技术中的不足，本案发明人经长期研究和大量实践，得以提出本实用新型的技术方案。如下将对该技术方案、其实施过程及原理等作进一步地解释说明。但是，应当理解，在本实用新型范围内，本实用新型的上述各技术特征和在下文(如实施例)中具体描述的各技术特征之间都可以互相组合，从而构成新的或优选的技术方案。限于篇幅，在此不再一一累述。

本实用新型的一个典型实施例提供了一种双波长激发采集系统，其可以应用于构建双波长拉曼-荧光联合光谱仪，用以在两个波长下激发和采集拉曼以及荧光光谱。

进一步的，该光谱仪包括主控制器、两个不同波长的激光器(即前述的光源)、双波长激发采集系统、单色仪、探测器(即前述的探测单元)等。

进一步的，所述双波长激发采集系统主要由结构相同的第一光衰减模组及第二光衰减模组、结构相同的第一共焦扩束模组及第二共焦扩束模组、结构相同的第一分光模组及第二分光模组组成。

进一步的，所述的两个光衰减模组用于控制激光功率。

进一步的，所述的两个共焦扩束模组可以包括两个透镜和小孔。

进一步的，所述的两个分光模组可以采用内部微型反射镜设计，利用激光直径很小的特征，反射镜采用仅与激光相匹配的大小，用于反射激光，这样就把激光和光谱信号区分开，从而避免二向色镜的限制。具体来说，所述分光模组内置微型反射镜以及滤光片，微型反射镜直接反射激光，对拉曼以及荧光信号的遮挡较小。采用这样的设计，只需一种分光模组可以同时应用于拉曼以及荧光光谱采集，可以有效地避免二向色镜的限制，而且可以同时适用于拉曼以及荧光检测，并可以避开了其他二向色镜的其他缺点，例如价格昂贵、无法通用、效率低、自身容易被激光激发出信号干扰测试等。

其中，所述的两个光衰减模组可以通过控制单元(即前述的主控制器，其可以采用计算机)控制达到激光功率的控制。

请参阅图1所示，该典型实施例中涉及的一种双波长拉曼-荧光联合光谱仪包括：两个激光器1、2，两个光衰减模组3、4，两组共焦扩束模组5、6，两组分光模组7、8，透镜或者物镜15(即第一物镜或者透镜)，聚焦模组10，狭缝11，单色仪13，探测器14，以及，控制单元17(亦称主控器)。

其中，所述激光器1、2可以为任意激光器，即，其发射的激光波长可以是任意的，例如可以选自177nm～1064nm，进一步的，可以选自如下的组：177nm、193nm、224nm、248nm、257nm、266nm、325nm、355nm、405nm、520nm、533nm、785nm、1064nm。

其中，所述光衰减模组3、4为可以调节的衰减片，其镜片直径一般为尺寸为3-100mm，用以进行激光功率的控制(使得激光功率可以在0.01％-100％之间调节)。

其中，所述共焦扩束模组5、6分别包括一对透镜和针孔。以共焦扩束模组5为例，其包括一对透镜34、35(即第二透镜、第三透镜)和针孔36。入射共焦扩束模组5的光束经过透镜34后进行聚焦，针孔36位于透镜34、35的焦点处，针孔为有一定尺寸的小孔，其小孔直径为数十微米到数百微米，其作用为遮挡焦点外的杂散光，提高光学质量。光束经过透镜35后，重新变为平行光。但是其光束直径发生了变化。一般光束直径变为原来的2-10倍。

其中，所述分光模组7、8具有相同的结构。以分光模组7为例，其结构可以参阅图2所示，包括固定机构33、内置反射镜28(即第一反射镜)、陷波滤光片29和位移机构18(即第一位移机构)。所述固定机构33的作用主要在于固定该分光模组7中的各个零件，内置反射镜28的作用为反射激光，引入激光并将激光与信号光分开，陷波滤光片29的作用是过滤除去散射激光信号，位移机构18的作用为在切换波长时，将分光模组移入或者移出光路，从而在选择波长下进行激发和采集信号。

在本申请实施例中，前述内置反射镜28采用内置的平面反射镜，其作用主要是把激光插入反射到物镜或者透镜。因激光的直径很小，照射样品后，由于散射作用，反射的光束变宽，此时该内置反射镜28就能把反射光中的激发激光以及信号光分开。例如，若设置该内置反射镜28的直径为5mm左右，由样品发射后收集的光束直径约为25mm。就收集而言，小型反射镜会阻碍一部分反射的激发光和信号光。它可以将入射激发光和反射信号光分开，其优势在于可以反射任何波长的光。与之相交，现有的光谱仪器中使用的是二向色镜，它的作用是反射激光以及透射信号光。例如，反射532nm的激发光，但是透射波长大于532的信号光。这个是通过二向色镜表面的镀膜达到的。但是，二向色镜只能针对某个特定波长的光发挥功能，而不能反射任何光。尤其是，本申请实施例中采用的内置反射镜28可以在激光波长低于300nm处使用，特别是低于230nm处使用，成本低廉，而工作波长低于230nm的二向色镜极难制作，成本极高。

进一步的，所述位移机构18可以是通过水平位移方式或其它方式进行整个分光模组的切换，例如可以通过伺服、步进电机、直线电机、舵机等驱动。优选的，所述位移机构还可连接有位置传感器和/或位置限制器，用于确保每次都切换到设定位置。参阅图3所示，利用分光模组8的位移机构21，可以将分光模组8切换至工作光路中。

其中，所述物镜或者透镜15可以进行光束的聚焦，从而大大提高激发和采集效率。

其中，所述聚焦模组10用于将采集的信号光聚焦至狭缝，其可以包含两个透镜30、31以及相配合的位移机构20(即第二位移机构)。根据选择激发的波长，可以由位移机构20进行两个透镜30、31的切换。例如选择波长1(对应于激光器1)时，切换透镜30至光路，选择波长2(对应于激光器2)时，切换透镜31至光路。切换过程通过位移机构20进行，位移机构可以通过水平位移的方式进行整个透镜30、31的切换，例如可以通过伺服、步进电机、直线电机、舵机等驱动，优选的，所述位移机构还可连接有位置传感器和/或位置限制器，用于确保每次都切换到设定位置。

其中，所述狭缝的作用是过滤杂散光，提高光谱分辨率，其宽度为大于10μm而小于1000μm，即，在几十微米至数百微米范围内可调。

其中，所述单色仪13包括反射镜22(即前述第二反射镜，为平面反射镜)、凹面反射镜23(即第三反射镜)、光栅塔轮12和凹面反射镜27(即第四反射镜)，所述光栅塔轮上安装有24、25、26三块光栅。请再次参阅图1，信号光进入单色仪后经过反射镜22反射至凹面反射镜23，凹面反射镜的作用为会聚发散的光束为平行光入射至光栅。该三块光栅可以是不同的，其规格可以选自600、1200、1800、2400、3600gr/mm等，并且根据实际需求，可以选择使用该三块光栅中的任一者。例如，在进行拉曼测试时，可以选取较高刻线的光栅，而激发波长较短时，可以选取较高刻线的光栅，采用320nm激发样品采集拉曼时一般采用1800gr/mm。光束入射到光栅上时，由于衍射原理，会把光束中不同的波长分开。这样形成了光谱在空间的分布。再由凹面反射镜27会聚至探测器14。

在本申请实施例中，前述透镜可以为平凸、双凸、非球面镜等，优选为非球面镜。例如，透镜34、35、37、38可以采用平凸透镜。透镜15、30、31可以采用非球透镜。物镜可以采用显微物镜，其放大率从5x至100x可选。

其中，所述探测器14的作用为将光谱信号转换为控制单元可以读出的电信号。探测器可以为线阵探测器或面阵探测器，当为面阵探测器时，可以通过像素合并模式进行光谱的读出。

其中，所述控制单元17至少具有如下功能，包括：用于控制激光器1、2的开关和光衰减模组3、4，用于控制两组分光模组7、8的切换，用于控制聚焦模组10的切换，用于控制狭缝11的宽度，用于控制单色仪13中光栅24、25、26的切换，用于控制探测器14的控制与信号读取，等等。相应的，所述控制单元17可以与激光器1、2，光衰减模组3、4，分光模组7、8，聚焦模组10，狭缝11，单色仪13及探测器14等连接。所述控制单元17可以采用PLC、MCU、PC等，且不限于此。

该实施例的一种双波长拉曼-荧光联合光谱仪可以测试波长1、2激发下的拉曼或者荧光光谱，其工作步骤如下：

(1)波长1的拉曼或者荧光信号获取：

主控制器发出控制指令将对应于波长1使用的分光模组7、聚焦模组10切换到主光轴位置，如图1所示。

主控制器发出控制指令控制光衰减模组3，使得其衰减值与设置值一致。

主控制器发出控制指令控制激光器1打开。

激光器1发出的激光，经由衰减模组衰减一部分能量，使得其能量处于设定值。

激光经共焦扩束模组5后，可以得到理想的激光光斑质量和大小。

激光进入分光模组7，入射到内置小型反射镜28，下行至物镜或者透镜15，并聚焦至样品16产生拉曼或者荧光信号，并原路经过物镜或者透镜15返回，此时由于散射的作用，信号光直径变大。在本申请实施例中，所述样品可以为气体、液体、固体或者任意气-液-固的混合物。

光束返回至分光模组7，被内置小反射镜28仅遮蔽很小一部分，经过陷波滤光片29，滤除反射光束中包含的激光瑞利信号。这样得到的光束中仅包含拉曼或者荧光信号。

光束进入聚焦模组10，被聚焦透镜30聚焦经过狭缝11，狭缝遮挡杂散光，提高光谱质量。

光束经过狭缝11后，进入单色仪13，再依次经过反射镜22、聚焦反射镜23后变成平行光，入射到光栅塔轮12部分。根据测试的是拉曼或者荧光，光栅塔轮12在光栅24、25、26之间选择。光栅24、25、26的光栅刻线和闪耀波长有所区别，根据实际情况选择。光栅的作用是将光束中的光谱信号按照波长顺序分开，分光后，通过反射聚焦镜27光束聚焦至探测器14，并通过控制系统读出，在探测器上读出此时测试结束。

(2)波长2的拉曼、荧光信号测量：

主控制器发出控制指令将波长2使用的分光模组8、聚焦模组10切换到主光轴位置。如图3。

主控制器发出控制指令控制光衰减模组4，使得其衰减值与设置值一致。

主控制器发出控制指令控制激光器2打开。

激光器2发出的激光，经由光衰减模组4衰减一部分能量，使得其能量处于设定值。

激光经共焦扩束模组6后，可以得到理想的激光光斑质量和大小

激光入射分光模组8，入射到内置小型反射镜19，下行至物镜或者透镜15，并聚焦至样品16产生拉曼或者荧光信号，并原路经过物镜或者透镜16返回，此时的信号光直径变大。

光束返回至分光模组8，被内置小反射镜19仅遮蔽很小一部分，经过陷波滤光片，滤除反射光束中包含的激光瑞利信号。这样得到的光束中仅包含拉曼或者荧光信号等信号光。

光束经过聚焦模组10，被聚焦透镜31聚焦经过狭缝11，狭缝遮挡杂散光，提高光谱质量。

光束经过狭缝11后，进入单色仪13，再依次经过反射镜22、聚焦反射镜23后变成平行光，入射到光栅塔轮12部分。根据测试的是拉曼或者荧光，塔轮在光栅24、25、26之间选择。光栅24、25、26的光栅刻线和闪耀波长有所区别，根据实际情况选择。光栅的作用是将光束中光谱信号按照波长顺序分开，分光后，通过反射聚焦镜27将光束聚焦至探测器14，并通过控制系统读出，在探测器上读出此时测试结束。

通过采用本实用新型以上实施例提供的所述双波长激发采集系统，可以仅通过一台仪器即可实现拉曼、荧光光谱的采集，并具备双波长切换功能。大大节约了整体使用成本。

应当理解，以上所述的仅是本实用新型的一些实施方式，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型的创造构思的前提下，还可以做出其它变形和改进，这些都属于本实用新型的保护范围。

Claims (10)

1.一种应用于光谱仪的双波长激发采集系统，其特征在于包括光衰减单元、共焦扩束单元、分光单元和聚焦单元，由光谱仪的光源发射的激发光依次通过光衰减单元、共焦扩束单元、分光单元后，再经第一物镜或者透镜聚焦至样品上并产生信号光，所述信号光通过所述第一物镜或者透镜返回至分光单元，之后进入聚焦单元；其中，所述光衰减单元包括第一光衰减模组和第二光衰减模组，所述共焦扩束单元包括第一共焦扩束模组和第二共焦扩束模组，所述分光单元包括第一分光模组和第二分光模组，所述聚焦单元包括第一聚焦透镜和第二聚焦透镜；当光谱仪的光源发射第一波长的激发光时，由所述第一光衰减模组、第一共焦扩束模组、第一分光模组和第一聚焦透镜组成的第一工作组被驱动机构切换至工作光路上，而当光谱仪的光源发射不同于第一波长的第二波长的激发光时，由所述第二光衰减模组、第二共焦扩束模组、第二分光模组和第二聚焦透镜组成的第二工作组被驱动机构切换至工作光路上。

2.根据权利要求1所述的应用于光谱仪的双波长激发采集系统，其特征在于：进入所述聚焦单元的信号光被聚焦至狭缝，之后经单色仪进入所述光谱仪的探测器。

3.根据权利要求1所述的应用于光谱仪的双波长激发采集系统，其特征在于：所述第一光衰减模组和第二光衰减模组具有相同结构，其中所述第一光衰减模组包括可以调节的衰减片。

4.根据权利要求1所述的应用于光谱仪的双波长激发采集系统，其特征在于：所述第一共焦扩束模组和第二共焦扩束模组具有相同结构，其中所述第一共焦扩束模组包括相互配合的第二透镜和第三透镜，所述第二透镜与第三透镜之间设置有针孔，所述针孔位于所述第二透镜和第三透镜的焦点处，且由所述第三透镜输出的光束为平行光。

5.根据权利要求1所述的应用于光谱仪的双波长激发采集系统，其特征在于：所述第一分光模组和第二分光模组具有相同结构，其中所述第一分光模组包括：

第一反射镜，用于将入射所述分光模组的激发光反射至第一物镜或者透镜，以及将由样品输出的信号光与由样品反射的激发光分开，以及

陷波滤光片，用于滤除由样品输出的信号光中的散射激发光。

6.根据权利要求5所述的应用于光谱仪的双波长激发采集系统，其特征在于：所述第一反射镜和陷波滤光片均与固定机构连接。

7.根据权利要求5所述的应用于光谱仪的双波长激发采集系统，其特征在于：所述第一分光模组与第一位移机构连接，所述第一位移机构用于将所述第一分光模组移入或移出设定的工作光路，所述第一位移机构包括与第一分光模组传动连接的驱动机构以及与驱动机构连接的位置传感器和/或位置限制器。

8.根据权利要求5所述的应用于光谱仪的双波长激发采集系统，其特征在于：所述第一反射镜采用微型反射镜，且大小与光源所发出的激发光相匹配。

9.根据权利要求1所述的应用于光谱仪的双波长激发采集系统，其特征在于：所述聚焦单元包含第二位移机构，所述第二位移机构用于将第一聚焦透镜或第二聚焦透镜移入或移出工作光路，所述第二位移机构包括与所述第一聚焦透镜或第二聚焦透镜传动连接的驱动机构以及与驱动机构连接的位置传感器和/或位置限制器。

10.根据权利要求1所述的应用于光谱仪的双波长激发采集系统，其特征在于：所述光谱仪的光源包括两个发射波长不同的激光器。

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