双波长激光拉曼光谱仪的制作方法

本发明涉及拉曼光谱技术领域，具体地，涉及一种双波长激光拉曼光谱仪。

背景技术：

随着激光拉曼技术应用研究的不断深入，以及激光技术和ccd技术的不断发展，便携式拉曼光谱仪的性能得到不断提升，应用范围也越来越广。由于实际应用中的检测对象多种多样，很多样品对于激发波长具有特定的选择性，还有些样品具有很强的荧光特性，这就使得传统单一波长的便携式拉曼光谱仪在实际应用中产生了较大的局限性，有时候必须准备两台甚至更多台仪器，不仅成本成倍的增加，而且应用起来也较为麻烦。

考虑到大部分的情况下，两个波长能够涵盖非常多的应用场景，所以市场上开始出现双波长拉曼测量的需求，采用独立的单波长拉曼探头进行叠加组合，虽然能够完成两个波长的测试，但使用效率低；如何能够高效率的实现双波长检测，成为一个切实需要解决的难题。

现有的一种便携式双波长拉曼光谱仪系统采用的两个独立的激光器，然后配合两台独立的光谱仪，分别针对两个波长激发的拉曼信号进行光谱探测和分析。该技术方案本质上是将传统的两个单通道拉曼光谱仪进行简单的整合，理论上还可以增加到三通道、四通道，但从硬件成本上来说，每增加一个通道，则成本至少对应增加一倍。而且光纤传导光路存在耦合效率较低的问题，相比较于空间光路来说，系统耦合效率会低50%以上。

技术实现要素：

本发明实施例的主要目的在于提供一种双波长激光拉曼光谱仪，以有效实现双波长的自动切换测量，提升了检测效率、耦合效率、核心性能及其应用范围，控制了硬件成本，有利于提升其应用领域的经济效益。

为了实现上述目的，本发明实施例提供一种双波长激光拉曼光谱仪，包括：

双光栅光谱仪、激光发射收集装置和控制器；

双光栅光谱仪包括双光栅台、第一光学元件和探测器；激光发射收集装置包括双波长激光模块和双滤光片组；双波长激光模块用于发射第一波长激光或第二波长激光；

双光栅台包括两个分别与第一波长激光和第二波长激光一一对应的光栅；双滤光片组包括两个分别与第一波长激光和第二波长激光一一对应的滤光片组；

控制器分别与双光栅台、双波长激光模块和滤光片组连接，用于控制双波长激光模块发射第一波长激光或第二波长激光，并将发射激光对应的滤光片组移动到双波长激光模块的发射光路，将波长对应的光栅旋转到测量光路；

双波长激光模块发射的激光经激光对应的滤光片组反射到被测目标物，被测目标物受激辐射生成的拉曼信号经该滤光片组透射进入双光栅光谱仪；

拉曼信号经波长对应的光栅衍射后，再经第一光学元件会聚到探测器以得到拉曼光谱图谱信息。

本发明实施例的双波长激光拉曼光谱仪包括双光栅光谱仪、激光发射收集装置和控制器，双光栅光谱仪包括双光栅台、第一光学元件和探测器；激光发射收集装置包括双波长激光模块和双滤光片组，双光栅台包括两个光栅，双滤光片组包括两个滤光片组，控制器分别与双光栅台、双波长激光模块和滤光片组连接，可以有效实现双波长的自动切换测量，提升了检测效率、耦合效率、核心性能及其应用范围，控制了硬件成本，有利于提升其应用领域的经济效益。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例中双波长激光拉曼光谱仪的示意图；

图2是本发明实施例中双滤光片组的示意图；

图3是本发明实施例中双光栅台的示意图；

图4是本发明实施例中光学元件组的示意图；

图5是本发明实施例中测量第一波长激光的示意图；

图6是本发明实施例中测量第二波长激光的示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本领域技术人员知道，本发明的实施方式可以实现为一种系统、装置、设备、方法或计算机程序产品。因此，本公开可以具体实现为以下形式，即：完全的硬件、完全的软件（包括固件、驻留软件、微代码等），或者硬件和软件结合的形式。

鉴于现有技术的使用效率低，在实际应用中产生了较大的局限性，增加了成本，本发明实施例提供了一种双波长激光拉曼光谱仪，以有效实现双波长的自动切换测量，提升了检测效率、耦合效率、核心性能及其应用范围，控制了硬件成本，有利于提升其应用领域的经济效益。以下结合附图对本发明进行详细说明。

图1是本发明实施例中双波长激光拉曼光谱仪的示意图。如图1所示，双波长激光拉曼光谱仪包括：

双光栅光谱仪16、激光发射收集装置17和控制器12。

双光栅光谱仪16包括双光栅台15、第一光学元件14和探测器1；激光发射收集装置17包括双波长激光模块13和双滤光片组5；双波长激光模块13用于发射第一波长激光或第二波长激光。

双光栅台15包括两个分别与第一波长激光和第二波长激光一一对应的光栅；双滤光片组5包括两个分别与第一波长激光和第二波长激光一一对应的滤光片组；第一光学元件14为会聚镜，探测器1为ccd（chargecoupleddevice，电荷耦合器件）探测器。

控制器12分别与双光栅台15、双波长激光模块13和滤光片组连接，用于控制双波长激光模块13发射第一波长激光或第二波长激光，并将发射激光对应的滤光片组移动到双波长激光模块13的发射光路，将波长对应的光栅旋转到测量光路。其中，第一波长激光或第二波长激光可以分别为532nm/785nm、532nm/830nm或785nm/830nm等常用的拉曼双波长。本发明还可以在图1结构的基础上进行简化，实现784nm/785nm的差分拉曼光谱仪的设计。

图2是本发明实施例中双滤光片组的示意图。如图2所示，滤光片组包括（激光窄带）干涉滤光片（5-4和5-7）、二向色镜（5-3和5-8）、（激光波长）截止滤光片（5-2和5-9）和滤光片固定框（5-1和5-6）。干涉滤光片、二向色镜和截止滤光片均位于滤光片固定框中。干涉滤光片用于将激光进行纯化从而得到纯净的激光信号，二向色镜用于将激光反射到被测目标物10，同时让受激辐射生成的拉曼散射信号透过进入双光栅光谱仪。截止滤光片用于滤除混入拉曼散射信号中的瑞利散射信号。

如图2所示，双滤光片组还包括滤光片组移动台5-5，两个滤光片组安装在滤光片组移动台上；控制器12根据发射激光的波长控制滤光片组移动台5-5将波长对应的滤光片组移动到双波长激光模块13的发射光路。

图3是本发明实施例中双光栅台的示意图。如图3所示，双光栅台15包括两个光栅（15-2和15-3）；一实施例中，双光栅台15还包括移动式光栅台支架15-1，两个光栅相背安装在光栅台支架上；控制器12根据发射激光的波长控制光栅台支架15-1将波长对应的光栅旋转到测量光路。

双波长激光模块13发射的激光经激光对应的滤光片组反射到被测目标物10，被测目标物10受激辐射生成的拉曼信号经该滤光片组透射进入双光栅光谱仪16；

具体实施时，双波长激光模块13发射的激光经激光对应的滤光片组的干涉滤光片纯化后经二向色镜反射到被测目标物10，被测目标物10受激辐射生成的拉曼信号经二向色镜透射到截止滤光片，经截止滤光片过滤后进入双光栅光谱仪16。

一实施例中，激光发射收集装置17还包括：第六光学元件4；其中，第六光学元件4为耦合透镜。

被测目标物10受激辐射生成的拉曼信号经该滤光片组透射到第六光学元件4，再经第六光学元件4会聚进入双光栅光谱仪16的入射口。

一实施例中，双光栅光谱仪16还包括：第七光学元件2和第八光学元件3；其中，第七光学元件2为准直镜，第八光学元件3为平面镜。

拉曼散射信号经第七光学元件2准直后传播至第八光学元件3，经第八光学元件3反射至波长对应的光栅。拉曼散射信号经波长对应的光栅衍射后，再经第一光学元件14会聚到探测器1以得到拉曼光谱图谱信息。

一实施例中，还包括：与控制器12连接的光学元件组8。图4是本发明实施例中光学元件组的示意图。图5是本发明实施例中测量第一波长激光的示意图。图6是本发明实施例中测量第二波长激光的示意图。如图5-图6所示，在样品测量状态时，控制器在开启双波长激光模块前将光学元件组8移出观察光路。

一实施例中，还包括：第二光学元件7、成像采集装置6和与控制器12连接的光源11；光学元件组8包括第三光学元件8-1和第四光学元件8-3。成像采集装置6为监视成像相机，第二光学元件7为平面镜，光源11为白光led照明器，光学元件组8为半透半反镜组，第三光学元件8-1和第四光学元件8-3均为半透半反镜。

如图4所示，光学元件组8还包括和半透半反镜组移动台8-2和平移支架（图4中未示），第三光学元件8-1和第四光学元件8-3位于光学元件移动台8-2上。具体实施时，两个半透半反镜与光学元件移动台8-2成90°角安装在平移支架上，控制器在开启双波长激光模块前通过平移支架移动光学元件移动台8-2以将光学元件组8移入或移出观察光路。当光学元件组8移入观察光路时启动样品观察（监视）状态（图1），当光学元件组8移出观察光路时启动样品测量状态（图5和图6）。

在样品观察（监视）状态时，如图1所示，控制器开启光源11，将光学元件组8移入观察光路；光源11发出的光经第三光学元件8-1反射到第四光学元件8-3，再经第四光学元件8-3透射至被测目标物10；被测目标物10的反射光经第四光学元件8-3反射到第二光学元件7，再经二光学元件7反射到成像采集装置6以得到被测目标物10的成像。

一实施例中，还包括：第五光学元件9；其中，第五光学元件9为耦合透镜。

在样品测量状态时，光学元件组8被移出观察光路，此时双波长激光模块13发射的激光经激光对应的滤光片组反射到第五光学元件9，再经第五光学元件9会聚到被测目标物10；被测目标物10受激辐射生成的拉曼散射信号经第五光学元件9准直后传播至该滤光片组。

在样品观察（监视）状态时，光学元件组8被移入观察光路，光源11发出的光经第三光学元件8-1反射到第四光学元件8-3，经第四光学元件8-3透射到第五光学元件9，再经第五光学元件9会聚到被测目标物10；被测目标物10的反射光经第五光学元件9准直后传播至第四光学元件8-3。

本发明的具体应用实施例如下：

1、样品观察（监视）状态

现有技术的整体光路采用光纤耦合，难以在光路中增加观察光路以便更好的观测样品的测量点位，实际测试中需要依靠机械结构设计定位或人为操作目视定位，容易带来较大的测量误差。

如图1所示，本发明在样品观察（监视）状态下，由控制器12来控制光源11开启，并将光学元件组8移入光路中，此时光源11发出的光可经第三光学元件8-1反射到第四光学元件8-3，经第四光学元件8-3透射到第五光学元件9，再经第五光学元件9会聚到被测目标物10；被测目标物10的反射光经第五光学元件9准直后传播至第四光学元件8-3，经第四光学元件8-3反射到第二光学元件7，再经二光学元件7反射到成像采集装置6以得到被测目标物10的成像。此时控制器12控制双波长激光模块13发射第一波长激光或第二波长激光，可以观测到激光在被测目标物10上聚焦的位置，该位置也即是实际测量位，移动被测目标物10即可对测量位进行选择，和现有技术相比避免了测量误差。

2、样品测量状态

如图5和图6所示，在样品测量状态下，控制器12将光学元件组8移出光路，将光源11关闭，成像采集装置6处于不工作状态，控制器12控制双波长激光模块发射第一波长激光或第二波长激光。以532nm/785nm双波长为例，双波长激光模块13可通过控制器12来分别输出532nm和785nm激光。双光栅台15中的光栅15-3以及双滤光片组中包括干涉滤光片5-4、二向色镜5-3和截止滤光片5-2的滤光片组对应532nm激光激发的拉曼光谱范围，光栅15-2以及双滤光片组中包括干涉滤光片5-7、二向色镜5-8和截止滤光片5-9的滤光片组对应785nm激光激发的拉曼光谱范围。

当双波长激光模块13输出532nm的激光时，控制器12控制光栅台支架15-1旋转光栅15-3以令光栅15-3正对测量光路，并控制滤光片组移动台5-5移动滤光片组以将包括干涉滤光片5-4、二向色镜5-3和截止滤光片5-2的滤光片组移动到发射光路。或，控制器12也可以移动双滤光片组以将包括干涉滤光片5-4、二向色镜5-3和截止滤光片5-2的滤光片组移动到发射光路。

如图5所示，发射的532nm激光经干涉滤光片5-4纯化后经二向色镜5-3反射到第五光学元件9，再经第五光学元件9会聚到被测目标物10；被测目标物10受激辐射生成的拉曼散射信号经第五光学元件9准直后传播至二向色镜5-3，经二向色镜5-3透射到截止滤光片5-2，经截止滤光片5-2过滤后传播至第六光学元件4，再经第六光学元件4会聚进入双光栅光谱仪16的入射口。

拉曼散射信号经双光栅光谱仪16的第七光学元件2准直后传播至第八光学元件3，经第八光学元件3反射至光栅15-3。拉曼信号经光栅15-3衍射色散后，再经第一光学元件14会聚到探测器1，以得到被测目标物10经由532nm激光激发的拉曼光谱图谱信息。

当双波长激光模块13输出785nm的激光时，控制器12控制光栅台支架15-1旋转光栅15-2以令光栅15-2正对测量光路，并控制滤光片组移动台5-5移动滤光片组以将包括干涉滤光片5-7、二向色镜5-8和截止滤光片5-9的滤光片组移动到发射光路。或，控制器12也可以移动双滤光片组以将包括干涉滤光片5-7、二向色镜5-8和截止滤光片5-9的滤光片组移动到发射光路。

如图6所示，发射的785nm激光经干涉滤光片5-7纯化后经二向色镜5-8反射到第五光学元件9，再经第五光学元件9会聚到被测目标物10；被测目标物10受激辐射生成的拉曼散射信号经第五光学元件9准直后传播至二向色镜5-8，经二向色镜5-8透射到截止滤光片5-9，经截止滤光片5-9过滤后传播至第六光学元件4，再经第六光学元件4会聚进入双光栅光谱仪16的入射口。

拉曼散射信号经双光栅光谱仪16的第七光学元件2准直后传播至第八光学元件3，经第八光学元件3反射至光栅15-2。拉曼信号经光栅15-2衍射色散后，再经第一光学元件14会聚到探测器1，以得到被测目标物10经由785nm激光激发的拉曼光谱图谱信息。

综上，本发明采用了高集成度的空间光路耦合设计，替代了常见的光纤探头的光路设计，因而提升了双波长拉曼光谱仪的耦合效率、核心性能和应用扩展性，同时有效控制了硬件成本，有利于提升检测效率和应用领域的经济效益。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。