一種拉曼光譜儀的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種拉曼光譜儀，可以對樣品進行準確的定性和半定量的分析。拉曼光譜儀包括激光器，拉曼信號采集裝置，透射型光柵光譜儀，等離子濾光片，激光衰減片，底板，所有部件均固定于底板上。激光器，拉曼信號采集裝置和透射型光柵光譜儀固定在地板上，拉曼光譜儀采用透射式共軸光路設計，可以實現(xiàn)共聚焦測量。具有通光效率高，光譜分辨率好，穩(wěn)定性好等優(yōu)點。本發(fā)明可以適用于多種激發(fā)光源，包括紫外、可見、近紅外等。
【專利說明】一種拉曼光譜儀

【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種拉曼光譜儀，作為一種分析儀器，可以通過采集樣品的拉曼光譜對物質(zhì)的成份進行分析。

【背景技術】
[0002]拉曼光譜被稱為分子指紋譜，可以對樣品進行快速、準確的分析。拉曼光譜應用廣泛，可以應用于食品，安全，物證，礦物，環(huán)境，化學，材料，生物，海洋等多個領域。樣品種類包括固體、粉末、液體、氣體、界面、膠體等多種形態(tài)。當前，拉曼光譜的重要性逐漸被大家認識，其應用也越來越廣泛。
[0003]拉曼光譜的原理是:一個光子與一個分子發(fā)生相互作用，如果分子吸收光子的能量從振動或者轉動狀態(tài)的低能級躍遷到高能級，那么根據(jù)能量守恒定律，光子損失的能量和分子的振動或者轉動的能級躍遷需要的能量相等，光子損失能量后振動頻率發(fā)生變化，通過拉曼光譜儀記錄光子頻率發(fā)生的變化規(guī)律，即為拉曼光譜。
[0004]拉曼光譜是一種非常弱的信號，其強度小于激發(fā)光源強度的10_8，為了得到質(zhì)量好的拉曼光譜，要求拉曼光譜儀收集拉曼光譜效率和傳輸拉曼光譜效率高，背景噪音低和干擾信號少。
[0005]目前市場上有三種類型的拉曼光譜儀:一種是三級拉曼光譜儀(專利號98113710.5)，使用反射橢球鏡或者透鏡采集拉曼信號，前兩級光譜儀采用相加或者相減模式濾除瑞利散射等產(chǎn)生的雜散光的干擾，最后一級光譜儀進行拉曼光譜的記錄和輸出。三級拉曼光譜儀適用范圍廣，可以使用多種激發(fā)光源進行激發(fā)而不需要更換光學元件，適用于深紫外，紫外，可見，近紅外等多種波段的激發(fā)光源，尤其在紫外區(qū)采用反射橢球鏡(專利號98113709.1)收集拉曼信號，可以提高采集效率，消除色差的影響。但是三光柵拉曼光譜儀也具有體積大，拉曼信號傳輸效率低，調(diào)試和維護困難等缺點。第二種是實驗室用的共聚焦拉曼光譜儀，采用顯微鏡采集拉曼信號，用濾光片濾除雜散光的干擾，可以實現(xiàn)共聚焦測量，具有體積較小，采集和傳輸效率高等優(yōu)點，但是采集用的顯微鏡體積較大，成本高，共聚焦拉曼光譜儀重量較大，對環(huán)境要求高，不方便攜帶。第三種是光纖拉曼光譜儀，采用光纖來收集拉曼信號，采用拉曼濾光片濾除雜散光，具有體積小，便于攜帶，可遠程測量等優(yōu)點。但是光纖傳輸效率低，不適用于紫外波段，無法實現(xiàn)共聚焦功能。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明提供一種拉曼光譜儀，包括激光器，固定底板、拉曼信號采集裝置和透射式光柵光譜儀，拉曼信號采集裝置和透射式光柵光譜儀均固定于底板上；
[0007]拉曼信號采集裝置包括二端開口的中空筒狀容器，于筒狀容器的二個開口端分別設有物鏡、聚焦透鏡，物鏡和聚焦透鏡同光軸設置，于物鏡和聚焦透鏡間的筒狀容器內(nèi)設有濾光片；于筒狀容器的側壁面上開設有通孔，作為入光孔，激光器發(fā)出的激發(fā)光通過入光孔進入筒狀容器內(nèi)，經(jīng)設有于筒狀容器內(nèi)的反射鏡反射至濾光片表面，再由濾光片反射至物鏡，由物鏡聚焦到待測樣品上，由待測樣品散射的拉曼信號、瑞利信號和反射的激發(fā)光均經(jīng)過物鏡收集和濾光片濾光，反射的光和散射的瑞利信號被濾除，拉曼信號透過濾光片到達聚焦透鏡聚焦；
[0008]透射式光柵光譜儀包括入射狹縫，準直透鏡，光柵，聚焦透鏡，反射鏡，光電轉換裝置，殼體，其特征是:于殼體的側壁上設有貫通側壁面的狹縫，作為入射狹縫，光經(jīng)過入射狹縫進入光譜儀的殼體內(nèi)，成為以入射狹縫為輻射中心的發(fā)散光，發(fā)散光經(jīng)過焦平面在狹縫處的準直透鏡成為平行光到達光柵衍射面，經(jīng)過光柵衍射，不同波長的光衍射向不同的方向，衍射光經(jīng)過聚焦透鏡聚焦后再經(jīng)反射鏡調(diào)整光路反射聚焦至光電轉換裝置的光感元件上，形成拉曼光譜進行記錄和/或輸出。
[0009]技術方案:激光器和拉曼信號采集裝置之間可以安裝等離子濾光片、激光衰減片且激光器、等離子濾光片和激光衰減片均安裝于固定底板上；
[0010]激光器發(fā)出的光通過拉曼信號采集裝置的入光孔進入拉曼信號采集裝置的筒狀容器內(nèi)；
[0011]拉曼信號采集裝置的濾光片的幾何中心處于物鏡和聚焦透鏡的光軸；
[0012]拉曼信號采集裝置中，濾光片的光軸與物鏡和聚焦透鏡的光軸間的夾角小于10度；
[0013]拉曼信號采集裝置的反射鏡將激發(fā)光反射到濾光片的中心，且反射鏡不在物鏡和聚焦透鏡的光軸上，不影響物鏡和濾光片之間光的傳輸；
[0014]拉曼信號采集裝置的濾光片將反射鏡反射來的激光沿物鏡的光軸反射到物鏡；
[0015]拉曼信號采集裝置中，可在濾光片和聚焦透鏡之間增加設置有第二濾光片來優(yōu)化瑞利信號和反射光的濾除效果，濾光片光軸角度與聚焦透鏡的光軸夾角小于度。
[0016]透射式光柵光譜儀的準直透鏡放置在以入射狹縫為焦平面的位置且入射狹縫中心在準直透鏡的光軸上；
[0017]透射式光柵光譜儀的光柵放置位置應使其刻線方向與入射平行光的光軸垂直，且與入射狹縫的狹縫方向平行，且放置的角度應使入射平行光的衍射效率達到最佳；
[0018]透射式光柵光譜儀，聚焦透鏡放置的位置應使其光軸與光柵刻線方向垂直，且其焦點與被衍射光在光柵衍射面的中心重合；
[0019]透射式光柵光譜儀，反射鏡和光電轉換裝置放置的位置和角度，應使經(jīng)過聚焦透鏡聚焦的不同波長的光均聚焦在光電轉換裝置的光電感應元件表面；
[0020]透射式光柵光譜儀，光電轉換裝置固定于殼體的側壁上保持穩(wěn)定；透射式光柵光譜儀使用密閉的避光外殼來阻止雜散光進入；準直透鏡放置在以入射狹縫為焦平面的位置；
[0021 ] 透射式光柵光譜儀，光電轉換裝置為電荷耦合器件或光電倍增管。若為電荷耦合器件，則光電轉換裝置的放置方向應使光電感應元件的像素排列方向與光柵刻線方向垂直或平行。
[0022]拉曼信號采集裝置的物鏡和聚焦透鏡與所述的透射式光柵光譜儀的準直透鏡的光軸重合。
[0023]有益效果:采用背散射方式采集拉曼信號，采集效率高；激光器，小型多功能拉曼信號采集裝置，透射式光柵光譜儀，等離子濾光片，激光衰減片固定于同一個底板上，穩(wěn)定性好；小型多功能拉曼信號采集裝置和透射式光柵光譜儀固定在一起，采用透射式共軸光路設計，達到共聚焦的效果；透鏡采用消色差透鏡組，減少色差和像散的影響，提高光譜分辨率；適用于固定激發(fā)波長的拉曼光譜測試，包括紫外，可見，近紅外波段的拉曼光譜的測試。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0024]下面結合附圖和實施例對本發(fā)明進一步說明。
[0025]圖1是本發(fā)明的結構原理圖。
[0026]圖2是本發(fā)明的結構示意圖。
[0027]圖3是本發(fā)明中的拉曼信號采集裝置的結構示意圖。
[0028]圖4是本發(fā)明中的透射式光柵光譜儀的結構示意圖
[0029]圖5是本發(fā)明的具體應用實例:金剛石的拉曼光譜圖。
[0030]圖中1.激光器，2.等離子濾光片，3.激光功率衰減片，4.入光孔，5.拉曼信號采集裝置，6.物鏡，7.樣品，8.入射狹縫，9.透射式光柵光譜儀，10.(XD，11.固定底板。
[0031]圖3中4.入光孔，5-2.小反射鏡，5-3.濾光片，6.物鏡，5-5.聚焦透鏡，5-6.裝置外殼，7.樣品。
[0032]圖4中8.入射狹縫，9-2.準直透鏡，9_3.光柵，9_4.聚焦透鏡，9_5.反射鏡，9_6.光電轉換裝置，9-7.光電轉換裝置感應芯片，9-8.狹縫固定立板，10.(XD，9-10.殼體。

【具體實施方式】
[0033]在圖1中，一種拉曼光譜儀，包括激光器1，等離子濾光片2，激光功率衰減片3，入光孔4，拉曼信號采集裝置5，物鏡6，樣品7，入射狹縫8，透射式光柵光譜儀9，CCD10，固定底板11。激光器I，等離子濾光片2，激光功率衰減片3，拉曼信號采集裝置5，透射式光柵光譜儀9均固定在底板上。
[0034]在圖3中，拉曼信號采集裝置5，包括二端開口的中空筒狀容器5-6，于筒狀容器5-6的二個開口端分別設有物鏡6、聚焦透鏡5-5，物鏡6和聚焦透鏡5-5同光軸設置，于物鏡6和聚焦透鏡5-5間的筒狀容器內(nèi)設有濾光片5-3 ;于筒狀容器5-6的側壁面上開設有通孔，作為入光孔4 (處于物鏡4和濾光片3之間)，激光器發(fā)出的激光通過入光孔4進入筒狀容器5-6內(nèi)，經(jīng)設有于筒狀容器5-6內(nèi)的反射鏡5 (處于物鏡4和濾光片3之間)_2反射至濾光片5-3表面，再由濾光片5-3反射至物鏡6，由物鏡6聚焦到待測樣品7上，由待測樣品7散射的拉曼信號、瑞利信號和反射的激發(fā)光均經(jīng)過物鏡6收集和濾光片5-3濾光，反射的光和散射的瑞利信號被濾除，拉曼信號透過濾光片5-3到達聚焦透鏡5-5聚焦到透射式光柵光譜儀9的入射狹縫8上。
[0035]在圖4中，一種透射式光柵光譜儀9，包括入射狹縫8，準直透鏡9-2，光柵9-3，聚焦透鏡9-4，反射鏡9-5，(XD10，殼體9-10，于殼體9_10的側壁上設有貫通側壁面的狹縫，作為入射狹縫9-1，拉曼信號經(jīng)過入射狹縫8進入光譜儀的殼體9-10內(nèi)，成為以狹縫8為輻射中心的發(fā)散光，發(fā)散光經(jīng)過焦平面在狹縫8處的準直透鏡9-2成為平行光到達光柵9-3衍射面，經(jīng)過光柵9-3衍射，不同波長的光衍射向不同的方向，衍射光經(jīng)過聚焦透鏡9-4聚焦后再經(jīng)反射鏡9-5調(diào)整光路反射聚焦至CCDlO的光感元件9-7上，形成拉曼光譜進行記錄和/或輸出。
[0036]拉曼信號采集裝置5的濾光片5-3的幾何中心處于物鏡6和聚焦透鏡5_5的光軸；
[0037]拉曼信號采集裝置5的濾光片5-3的光軸與物鏡6和聚焦透鏡5_5的光軸間的夾角小于10度，濾光片5-3反射激光的效率大于90%，濾除干擾信號的效率大約99.99%，拉曼信號透過率大于80% ；
[0038]拉曼信號采集裝置5的反射鏡5-2將激光反射到濾光片5-3的中心，且反射鏡不在物鏡6和聚焦透鏡5-5的光軸上,不影響物鏡6和濾光片5-3之間光的傳輸。
[0039]拉曼信號采集裝置5的濾光片5-3將反射鏡5-2反射來的激光沿物鏡6的光軸反射到物鏡6，使物鏡6的使用達到共光軸效果。
[0040]拉曼信號采集裝置5上聚焦透鏡5-5 —側的外部(即遠離中空筒狀容器5-6的一偵D設有透射式光柵光譜儀9，聚焦透鏡5-5將拉曼信號聚焦到透射式光柵光譜儀9的入射狹縫8。
[0041]準直透鏡9-2放置在以入射狹縫8為焦平面，且焦點在入射狹縫8的中心位置上，使準直透鏡9-2達到共光軸效果，減少色差和像差的影響；
[0042]光柵9-3放置位置使其刻線方向與入射平行光的光軸垂直，并且與入射狹縫8的狹縫方向平行，并且光柵9-3放置的角度使入射平行光的衍射效率達到最佳；
[0043]聚焦透鏡9-4放置的位置使其光軸與光柵9-3刻線方向垂直，且其焦點與被衍射光在光柵9-3衍射面的中心重合，使聚焦透鏡9-4達到共光軸效果，減少色差和像差的影響，經(jīng)聚焦透鏡9-4后，同一波長衍射光的光聚焦到同一點，拉曼光被分成拉曼光譜；
[0044]反射鏡9-5和CXDlO放置的位置和角度，使經(jīng)過聚焦透鏡9-4聚焦的不同波長的拉曼光譜均聚焦在CCDlO的光電轉換裝置感應芯片9-7的表面，對拉曼光譜進行記錄和輸出；
[0045]在圖2所示實施例中，CXDlO的光電轉換裝置感應芯片9_7的像素為2048X512，光電轉換裝置感應芯片9-7的寬度方向與光柵3刻線方向平行，長度方向與光柵3刻線方向垂直；
[0046]可在拉曼信號采集裝置5的濾光片5-3和聚焦透鏡5-5之間增加設置有第二濾光片來優(yōu)化瑞利信號和反射光的濾除效果，濾光片光軸角度與聚焦透鏡5-5的光軸夾角小于10度。
[0047]在圖5所示實施例中，記錄金剛石的拉曼譜，圖中橫坐標為拉曼頻移，實驗條件為:激發(fā)波長，355納米激光，入射狹縫寬度為20微米，光柵為2400刻線/毫米光柵，CCD像素大小為14微米X 14微米。
【權利要求】
1.一種拉曼光譜儀，包括激光器(1),固定底板〔10、拉曼信號采集裝置(5)和透射式光柵光譜儀(9 )，其特征是:所述拉曼信號采集裝置(5)和透射式光柵光譜儀(9)均固定于固定底板上； 所述拉曼信號采集裝置(5 )包括二端開口的中空筒狀容器(5-6),于筒狀容器(5-6 )的二個開口端分別設有物鏡同光軸設置，于物鏡(6)和聚焦透鏡(5-5)間的筒狀容器(5-6)內(nèi)設有濾光片(5-3)；于筒狀容器(5-6)的側壁面上開設有通孔，作為入光孔(4),激光器(1)發(fā)出的激發(fā)光通過入光孔(4)進入筒狀容器(5-6)內(nèi)，經(jīng)設有于筒狀容器(5-6)內(nèi)的反射鏡(5-2)反射至濾光片(5-3)表面，再由濾光片(5-3)反射至物鏡(6),由物鏡(6)聚焦到待測樣品(7)上，由待測樣品(7)散射的拉曼信號、瑞利信號和反射的激發(fā)光均經(jīng)過物鏡(6)收集和濾光片(5-3)濾光，反射的光和散射的瑞利信號被濾除，拉曼信號透過濾光片(5-3)到達聚焦透鏡(5-5)聚焦； 所述透射式光柵光譜儀(9)包括入射狹縫(8),準直透鏡(9-2),光柵(9-3),聚焦透鏡(9-4),反射鏡(9-5),光電轉換裝置(9-6),殼體(9-10)；于殼體(9-10)的側壁上設有貫通側壁面的狹縫，作為入射狹縫(8),拉曼信號采集裝置(5)上聚焦透鏡(5-5)—側的外部設有透射式光柵光譜儀(9 )，聚焦透鏡(5-5 )將拉曼信號聚焦的光經(jīng)過入射狹縫(8 )進入光譜儀的殼體(9-10)內(nèi)，成為以入射狹縫(8)為輻射中心的發(fā)散光，發(fā)散光經(jīng)過焦平面在入射狹縫(8)處的準直透鏡(9-2)成為平行光到達光柵(9-3)衍射面，經(jīng)過光柵(9-3)衍射，不同波長的光衍射向不同的方向，衍射光經(jīng)過聚焦透鏡(9-4)聚焦后再經(jīng)反射鏡(9-5)調(diào)整光路反射聚焦至光電轉換裝置(9-6)的光感元件(9-7)上，形成拉曼光譜進行記錄和/或輸出。
2.根據(jù)權利要求1所述的拉曼光譜儀，其特征是:激光器(1)和拉曼信號采集裝置(5)之間可以依次安裝有等離子濾光片口)、激光衰減片(3):且激光器(丨)、等離子濾光片(2)和激光衰減片(3 )均安裝于固定底板(11)上。
3.根據(jù)權利要求1所述的拉曼光譜儀，其特征是:所述的拉曼信號采集裝置(5),濾光片(5-3)的幾何中心處于物鏡(6)和聚焦透鏡(5-5)的光軸； 所述的拉曼信號采集裝置(5),濾光片(5-3)將反射鏡(5-2)反射來的激光沿物鏡(6)的光軸反射到物鏡“)。
4.根據(jù)權利要求1或3所述的拉曼光譜儀，其特征是:所述的拉曼信號采集裝置(5),濾光片(5-3)的光軸與物鏡(6)和聚焦透鏡(5-5)的光軸間的夾角小于10度。
5.根據(jù)權利要求1所述的拉曼光譜儀，其特征是:所述的拉曼信號采集裝置(5),反射鏡(5-2)將激發(fā)光反射到濾光片(5-3)的中心，且反射鏡(5-2)不在物鏡(6)和聚焦透鏡(5-5)的光軸上,不影響物鏡(6)和濾光片(5-3)之間光的傳輸。
6.根據(jù)權利要求1所述的拉曼光譜儀，其特征是:所述的拉曼信號采集裝置(5),可在濾光片(5-3)和聚焦透鏡(5-5)之間增加設置有第二濾光片來優(yōu)化瑞利信號和反射光的濾除效果，濾光片光軸角度與聚焦透鏡(5)的光軸夾角小于10度。
7.根據(jù)權利要求1所述的拉曼光譜儀，其特征是:所述的透射式光柵光譜儀(9),準直透鏡(9-2)放置在以入射狹縫(9-1)為焦平面的位置且入射狹縫(9-1)中心在準直透鏡(9-2)的光軸上； 所述的透射式光柵光譜儀(9),光柵(9-3)放置位置應使其刻線方向與入射平行光的光軸垂直，且與入射狹縫(9-1)的狹縫方向平行，且放置的角度應使入射平行光的衍射效率達到最佳； 所述的透射式光柵光譜儀(9),聚焦透鏡(9-4)放置的位置應使其光軸與光柵(9-3)刻線方向垂直，且其焦點與被衍射光在光柵(9-3)衍射面的中心重合； 所述的透射式光柵光譜儀(9),反射鏡(9-5)和光電轉換裝置(9-6)放置的位置和角度，應使經(jīng)過聚焦透鏡(9-4)聚焦的不同波長的光均聚焦在光電轉換裝置(9-6)的光電感應元件(9-7)表面。
8.根據(jù)權利要求1所述的拉曼光譜儀，其特征是:所述的透射式光柵光譜儀(9),光電轉換裝置(9-6)固定于殼體(9-10)的側壁上保持穩(wěn)定；透射式光柵光譜儀(9)使用密閉的避光外殼(9-10)來阻止雜散光進入；準直透鏡放置在以入射狹縫為焦平面的位置。
9.根據(jù)權利要求1所述的拉曼光譜儀，其特征是:所述的透射式光柵光譜儀(9),光電轉換裝置(9-6)為電荷耦合器件⑴⑶)或光電倍增管； 若為電荷耦合器件⑴⑶)，則光電轉換裝置(9-6)的放置方向應使光電感應元件(9-7)的像素排列方向與光柵(9-3)刻線方向垂直或平行。
10.根據(jù)權利要求1所述的拉曼光譜儀，其特征是:所述的拉曼信號采集裝置(5)的物鏡(6),聚焦透鏡(5-5)與所述的透射式光柵光譜儀(9)的準直透鏡(9-2)的光軸重合。
【文檔編號】G01J3/44GK104422681SQ201310393168
【公開日】2015年3月18日 申請日期:2013年9月2日 優(yōu)先權日:2013年9月2日
【發(fā)明者】李 燦, 黃保坤, 馮兆池, 李光亞 申請人:中國科學院大連化學物理研究所