一种拉曼光谱仪的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种拉曼光谱仪，可以对样品进行准确的定性和半定量的分析。拉曼光谱仪包括激光器，拉曼信号采集装置，透射型光栅光谱仪，等离子滤光片，激光衰减片，底板，所有部件均固定于底板上。激光器，拉曼信号采集装置和透射型光栅光谱仪固定在地板上，拉曼光谱仪采用透射式共轴光路设计，可以实现共聚焦测量。具有通光效率高，光谱分辨率好，稳定性好等优点。本发明可以适用于多种激发光源，包括紫外、可见、近红外等。
【专利说明】一种拉曼光谱仪
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种拉曼光谱仪，作为一种分析仪器，可以通过采集样品的拉曼光谱对物质的成份进行分析。
【背景技术】
[0002]拉曼光谱被称为分子指纹谱，可以对样品进行快速、准确的分析。拉曼光谱应用广泛，可以应用于食品，安全，物证，矿物，环境，化学，材料，生物，海洋等多个领域。样品种类包括固体、粉末、液体、气体、界面、胶体等多种形态。当前，拉曼光谱的重要性逐渐被大家认识，其应用也越来越广泛。
[0003]拉曼光谱的原理是:一个光子与一个分子发生相互作用，如果分子吸收光子的能量从振动或者转动状态的低能级跃迁到高能级，那么根据能量守恒定律，光子损失的能量和分子的振动或者转动的能级跃迁需要的能量相等，光子损失能量后振动频率发生变化，通过拉曼光谱仪记录光子频率发生的变化规律，即为拉曼光谱。
[0004]拉曼光谱是一种非常弱的信号，其强度小于激发光源强度的10_8，为了得到质量好的拉曼光谱，要求拉曼光谱仪收集拉曼光谱效率和传输拉曼光谱效率高，背景噪音低和干扰信号少。
[0005]目前市场上有三种类型的拉曼光谱仪:一种是三级拉曼光谱仪(专利号98113710.5)，使用反射椭球镜或者透镜采集拉曼信号，前两级光谱仪采用相加或者相减模式滤除瑞利散射等产生的杂散光的干扰，最后一级光谱仪进行拉曼光谱的记录和输出。三级拉曼光谱仪适用范围广，可以使用多种激发光源进行激发而不需要更换光学元件，适用于深紫外，紫外，可见，近红外等多种波段的激发光源，尤其在紫外区采用反射椭球镜(专利号98113709.1)收集拉曼信号，可以提高采集效率，消除色差的影响。但是三光栅拉曼光谱仪也具有体积大，拉曼信号传输效率低，调试和维护困难等缺点。第二种是实验室用的共聚焦拉曼光谱仪，采用显微镜采集拉曼信号，用滤光片滤除杂散光的干扰，可以实现共聚焦测量，具有体积较小，采集和传输效率高等优点，但是采集用的显微镜体积较大，成本高，共聚焦拉曼光谱仪重量较大，对环境要求高，不方便携带。第三种是光纤拉曼光谱仪，采用光纤来收集拉曼信号，采用拉曼滤光片滤除杂散光，具有体积小，便于携带，可远程测量等优点。但是光纤传输效率低，不适用于紫外波段，无法实现共聚焦功能。
【发明内容】
[0006]本发明提供一种拉曼光谱仪，包括激光器，固定底板、拉曼信号采集装置和透射式光栅光谱仪，拉曼信号采集装置和透射式光栅光谱仪均固定于底板上；
[0007]拉曼信号采集装置包括二端开口的中空筒状容器，于筒状容器的二个开口端分别设有物镜、聚焦透镜，物镜和聚焦透镜同光轴设置，于物镜和聚焦透镜间的筒状容器内设有滤光片；于筒状容器的侧壁面上开设有通孔，作为入光孔，激光器发出的激发光通过入光孔进入筒状容器内，经设有于筒状容器内的反射镜反射至滤光片表面，再由滤光片反射至物镜，由物镜聚焦到待测样品上，由待测样品散射的拉曼信号、瑞利信号和反射的激发光均经过物镜收集和滤光片滤光，反射的光和散射的瑞利信号被滤除，拉曼信号透过滤光片到达聚焦透镜聚焦；
[0008]透射式光栅光谱仪包括入射狭缝，准直透镜，光栅，聚焦透镜，反射镜，光电转换装置，壳体，其特征是:于壳体的侧壁上设有贯通侧壁面的狭缝，作为入射狭缝，光经过入射狭缝进入光谱仪的壳体内，成为以入射狭缝为辐射中心的发散光，发散光经过焦平面在狭缝处的准直透镜成为平行光到达光栅衍射面，经过光栅衍射，不同波长的光衍射向不同的方向，衍射光经过聚焦透镜聚焦后再经反射镜调整光路反射聚焦至光电转换装置的光感元件上，形成拉曼光谱进行记录和/或输出。
[0009]技术方案:激光器和拉曼信号采集装置之间可以安装等离子滤光片、激光衰减片且激光器、等离子滤光片和激光衰减片均安装于固定底板上；
[0010]激光器发出的光通过拉曼信号采集装置的入光孔进入拉曼信号采集装置的筒状容器内；
[0011]拉曼信号采集装置的滤光片的几何中心处于物镜和聚焦透镜的光轴；
[0012]拉曼信号采集装置中，滤光片的光轴与物镜和聚焦透镜的光轴间的夹角小于10度；
[0013]拉曼信号采集装置的反射镜将激发光反射到滤光片的中心，且反射镜不在物镜和聚焦透镜的光轴上，不影响物镜和滤光片之间光的传输；
[0014]拉曼信号采集装置的滤光片将反射镜反射来的激光沿物镜的光轴反射到物镜；
[0015]拉曼信号采集装置中，可在滤光片和聚焦透镜之间增加设置有第二滤光片来优化瑞利信号和反射光的滤除效果，滤光片光轴角度与聚焦透镜的光轴夹角小于度。
[0016]透射式光栅光谱仪的准直透镜放置在以入射狭缝为焦平面的位置且入射狭缝中心在准直透镜的光轴上；
[0017]透射式光栅光谱仪的光栅放置位置应使其刻线方向与入射平行光的光轴垂直，且与入射狭缝的狭缝方向平行，且放置的角度应使入射平行光的衍射效率达到最佳；
[0018]透射式光栅光谱仪，聚焦透镜放置的位置应使其光轴与光栅刻线方向垂直，且其焦点与被衍射光在光栅衍射面的中心重合；
[0019]透射式光栅光谱仪，反射镜和光电转换装置放置的位置和角度，应使经过聚焦透镜聚焦的不同波长的光均聚焦在光电转换装置的光电感应元件表面；
[0020]透射式光栅光谱仪，光电转换装置固定于壳体的侧壁上保持稳定；透射式光栅光谱仪使用密闭的避光外壳来阻止杂散光进入；准直透镜放置在以入射狭缝为焦平面的位置；
[0021 ] 透射式光栅光谱仪，光电转换装置为电荷耦合器件或光电倍增管。若为电荷耦合器件，则光电转换装置的放置方向应使光电感应元件的像素排列方向与光栅刻线方向垂直或平行。
[0022]拉曼信号采集装置的物镜和聚焦透镜与所述的透射式光栅光谱仪的准直透镜的光轴重合。
[0023]有益效果:采用背散射方式采集拉曼信号，采集效率高；激光器，小型多功能拉曼信号采集装置，透射式光栅光谱仪，等离子滤光片，激光衰减片固定于同一个底板上，稳定性好；小型多功能拉曼信号采集装置和透射式光栅光谱仪固定在一起，采用透射式共轴光路设计，达到共聚焦的效果；透镜采用消色差透镜组，减少色差和像散的影响，提高光谱分辨率；适用于固定激发波长的拉曼光谱测试，包括紫外，可见，近红外波段的拉曼光谱的测试。
【专利附图】
【附图说明】
[0024]下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
[0025]图1是本发明的结构原理图。
[0026]图2是本发明的结构示意图。
[0027]图3是本发明中的拉曼信号采集装置的结构示意图。
[0028]图4是本发明中的透射式光栅光谱仪的结构示意图
[0029]图5是本发明的具体应用实例:金刚石的拉曼光谱图。
[0030]图中1.激光器，2.等离子滤光片，3.激光功率衰减片，4.入光孔，5.拉曼信号采集装置，6.物镜，7.样品，8.入射狭缝，9.透射式光栅光谱仪，10.(XD，11.固定底板。
[0031]图3中4.入光孔，5-2.小反射镜，5-3.滤光片，6.物镜，5-5.聚焦透镜，5-6.装置外壳，7.样品。
[0032]图4中8.入射狭缝，9-2.准直透镜，9_3.光栅，9_4.聚焦透镜，9_5.反射镜，9_6.光电转换装置，9-7.光电转换装置感应芯片，9-8.狭缝固定立板，10.(XD，9-10.壳体。
【具体实施方式】
[0033]在图1中，一种拉曼光谱仪，包括激光器1，等离子滤光片2，激光功率衰减片3，入光孔4，拉曼信号采集装置5，物镜6，样品7，入射狭缝8，透射式光栅光谱仪9，CCD10，固定底板11。激光器I，等离子滤光片2，激光功率衰减片3，拉曼信号采集装置5，透射式光栅光谱仪9均固定在底板上。
[0034]在图3中，拉曼信号采集装置5，包括二端开口的中空筒状容器5-6，于筒状容器5-6的二个开口端分别设有物镜6、聚焦透镜5-5，物镜6和聚焦透镜5-5同光轴设置，于物镜6和聚焦透镜5-5间的筒状容器内设有滤光片5-3 ;于筒状容器5-6的侧壁面上开设有通孔，作为入光孔4 (处于物镜4和滤光片3之间)，激光器发出的激光通过入光孔4进入筒状容器5-6内，经设有于筒状容器5-6内的反射镜5 (处于物镜4和滤光片3之间)_2反射至滤光片5-3表面，再由滤光片5-3反射至物镜6，由物镜6聚焦到待测样品7上，由待测样品7散射的拉曼信号、瑞利信号和反射的激发光均经过物镜6收集和滤光片5-3滤光，反射的光和散射的瑞利信号被滤除，拉曼信号透过滤光片5-3到达聚焦透镜5-5聚焦到透射式光栅光谱仪9的入射狭缝8上。
[0035]在图4中，一种透射式光栅光谱仪9，包括入射狭缝8，准直透镜9-2，光栅9-3，聚焦透镜9-4，反射镜9-5，(XD10，壳体9-10，于壳体9_10的侧壁上设有贯通侧壁面的狭缝，作为入射狭缝9-1，拉曼信号经过入射狭缝8进入光谱仪的壳体9-10内，成为以狭缝8为辐射中心的发散光，发散光经过焦平面在狭缝8处的准直透镜9-2成为平行光到达光栅9-3衍射面，经过光栅9-3衍射，不同波长的光衍射向不同的方向，衍射光经过聚焦透镜9-4聚焦后再经反射镜9-5调整光路反射聚焦至CCDlO的光感元件9-7上，形成拉曼光谱进行记录和/或输出。
[0036]拉曼信号采集装置5的滤光片5-3的几何中心处于物镜6和聚焦透镜5_5的光轴；
[0037]拉曼信号采集装置5的滤光片5-3的光轴与物镜6和聚焦透镜5_5的光轴间的夹角小于10度，滤光片5-3反射激光的效率大于90%，滤除干扰信号的效率大约99.99%，拉曼信号透过率大于80% ；
[0038]拉曼信号采集装置5的反射镜5-2将激光反射到滤光片5-3的中心，且反射镜不在物镜6和聚焦透镜5-5的光轴上,不影响物镜6和滤光片5-3之间光的传输。
[0039]拉曼信号采集装置5的滤光片5-3将反射镜5-2反射来的激光沿物镜6的光轴反射到物镜6，使物镜6的使用达到共光轴效果。
[0040]拉曼信号采集装置5上聚焦透镜5-5 —侧的外部(即远离中空筒状容器5-6的一侦D设有透射式光栅光谱仪9，聚焦透镜5-5将拉曼信号聚焦到透射式光栅光谱仪9的入射狭缝8。
[0041]准直透镜9-2放置在以入射狭缝8为焦平面，且焦点在入射狭缝8的中心位置上，使准直透镜9-2达到共光轴效果，减少色差和像差的影响；
[0042]光栅9-3放置位置使其刻线方向与入射平行光的光轴垂直，并且与入射狭缝8的狭缝方向平行，并且光栅9-3放置的角度使入射平行光的衍射效率达到最佳；
[0043]聚焦透镜9-4放置的位置使其光轴与光栅9-3刻线方向垂直，且其焦点与被衍射光在光栅9-3衍射面的中心重合，使聚焦透镜9-4达到共光轴效果，减少色差和像差的影响，经聚焦透镜9-4后，同一波长衍射光的光聚焦到同一点，拉曼光被分成拉曼光谱；
[0044]反射镜9-5和CXDlO放置的位置和角度，使经过聚焦透镜9-4聚焦的不同波长的拉曼光谱均聚焦在CCDlO的光电转换装置感应芯片9-7的表面，对拉曼光谱进行记录和输出；
[0045]在图2所示实施例中，CXDlO的光电转换装置感应芯片9_7的像素为2048X512，光电转换装置感应芯片9-7的宽度方向与光栅3刻线方向平行，长度方向与光栅3刻线方向垂直；
[0046]可在拉曼信号采集装置5的滤光片5-3和聚焦透镜5-5之间增加设置有第二滤光片来优化瑞利信号和反射光的滤除效果，滤光片光轴角度与聚焦透镜5-5的光轴夹角小于10度。
[0047]在图5所示实施例中，记录金刚石的拉曼谱，图中横坐标为拉曼频移，实验条件为:激发波长，355纳米激光，入射狭缝宽度为20微米，光栅为2400刻线/毫米光栅，CCD像素大小为14微米X 14微米。
【权利要求】
1.一种拉曼光谱仪，包括激光器(1),固定底板〔10、拉曼信号采集装置(5)和透射式光栅光谱仪(9 )，其特征是:所述拉曼信号采集装置(5)和透射式光栅光谱仪(9)均固定于固定底板上； 所述拉曼信号采集装置(5 )包括二端开口的中空筒状容器(5-6),于筒状容器(5-6 )的二个开口端分别设有物镜同光轴设置，于物镜(6)和聚焦透镜(5-5)间的筒状容器(5-6)内设有滤光片(5-3)；于筒状容器(5-6)的侧壁面上开设有通孔，作为入光孔(4),激光器(1)发出的激发光通过入光孔(4)进入筒状容器(5-6)内，经设有于筒状容器(5-6)内的反射镜(5-2)反射至滤光片(5-3)表面，再由滤光片(5-3)反射至物镜(6),由物镜(6)聚焦到待测样品(7)上，由待测样品(7)散射的拉曼信号、瑞利信号和反射的激发光均经过物镜(6)收集和滤光片(5-3)滤光，反射的光和散射的瑞利信号被滤除，拉曼信号透过滤光片(5-3)到达聚焦透镜(5-5)聚焦； 所述透射式光栅光谱仪(9)包括入射狭缝(8),准直透镜(9-2),光栅(9-3),聚焦透镜(9-4),反射镜(9-5),光电转换装置(9-6),壳体(9-10)；于壳体(9-10)的侧壁上设有贯通侧壁面的狭缝，作为入射狭缝(8),拉曼信号采集装置(5)上聚焦透镜(5-5)—侧的外部设有透射式光栅光谱仪(9 )，聚焦透镜(5-5 )将拉曼信号聚焦的光经过入射狭缝(8 )进入光谱仪的壳体(9-10)内，成为以入射狭缝(8)为辐射中心的发散光，发散光经过焦平面在入射狭缝(8)处的准直透镜(9-2)成为平行光到达光栅(9-3)衍射面，经过光栅(9-3)衍射，不同波长的光衍射向不同的方向，衍射光经过聚焦透镜(9-4)聚焦后再经反射镜(9-5)调整光路反射聚焦至光电转换装置(9-6)的光感元件(9-7)上，形成拉曼光谱进行记录和/或输出。
2.根据权利要求1所述的拉曼光谱仪，其特征是:激光器(1)和拉曼信号采集装置(5)之间可以依次安装有等离子滤光片口)、激光衰减片(3):且激光器(丨)、等离子滤光片(2)和激光衰减片(3 )均安装于固定底板(11)上。
3.根据权利要求1所述的拉曼光谱仪，其特征是:所述的拉曼信号采集装置(5),滤光片(5-3)的几何中心处于物镜(6)和聚焦透镜(5-5)的光轴； 所述的拉曼信号采集装置(5),滤光片(5-3)将反射镜(5-2)反射来的激光沿物镜(6)的光轴反射到物镜“)。
4.根据权利要求1或3所述的拉曼光谱仪，其特征是:所述的拉曼信号采集装置(5),滤光片(5-3)的光轴与物镜(6)和聚焦透镜(5-5)的光轴间的夹角小于10度。
5.根据权利要求1所述的拉曼光谱仪，其特征是:所述的拉曼信号采集装置(5),反射镜(5-2)将激发光反射到滤光片(5-3)的中心，且反射镜(5-2)不在物镜(6)和聚焦透镜(5-5)的光轴上,不影响物镜(6)和滤光片(5-3)之间光的传输。
6.根据权利要求1所述的拉曼光谱仪，其特征是:所述的拉曼信号采集装置(5),可在滤光片(5-3)和聚焦透镜(5-5)之间增加设置有第二滤光片来优化瑞利信号和反射光的滤除效果，滤光片光轴角度与聚焦透镜(5)的光轴夹角小于10度。
7.根据权利要求1所述的拉曼光谱仪，其特征是:所述的透射式光栅光谱仪(9),准直透镜(9-2)放置在以入射狭缝(9-1)为焦平面的位置且入射狭缝(9-1)中心在准直透镜(9-2)的光轴上； 所述的透射式光栅光谱仪(9),光栅(9-3)放置位置应使其刻线方向与入射平行光的光轴垂直，且与入射狭缝(9-1)的狭缝方向平行，且放置的角度应使入射平行光的衍射效率达到最佳； 所述的透射式光栅光谱仪(9),聚焦透镜(9-4)放置的位置应使其光轴与光栅(9-3)刻线方向垂直，且其焦点与被衍射光在光栅(9-3)衍射面的中心重合； 所述的透射式光栅光谱仪(9),反射镜(9-5)和光电转换装置(9-6)放置的位置和角度，应使经过聚焦透镜(9-4)聚焦的不同波长的光均聚焦在光电转换装置(9-6)的光电感应元件(9-7)表面。
8.根据权利要求1所述的拉曼光谱仪，其特征是:所述的透射式光栅光谱仪(9),光电转换装置(9-6)固定于壳体(9-10)的侧壁上保持稳定；透射式光栅光谱仪(9)使用密闭的避光外壳(9-10)来阻止杂散光进入；准直透镜放置在以入射狭缝为焦平面的位置。
9.根据权利要求1所述的拉曼光谱仪，其特征是:所述的透射式光栅光谱仪(9),光电转换装置(9-6)为电荷耦合器件⑴⑶)或光电倍增管； 若为电荷耦合器件⑴⑶)，则光电转换装置(9-6)的放置方向应使光电感应元件(9-7)的像素排列方向与光栅(9-3)刻线方向垂直或平行。
10.根据权利要求1所述的拉曼光谱仪，其特征是:所述的拉曼信号采集装置(5)的物镜(6),聚焦透镜(5-5)与所述的透射式光栅光谱仪(9)的准直透镜(9-2)的光轴重合。
【文档编号】G01J3/44GK104422681SQ201310393168
【公开日】2015年3月18日 申请日期:2013年9月2日 优先权日:2013年9月2日
【发明者】李 灿, 黄保坤, 冯兆池, 李光亚 申请人:中国科学院大连化学物理研究所