一种线聚焦模式的行星激光拉曼光谱采集装置及方法

本发明属于光谱测量，尤其涉及一种线聚焦模式的行星激光拉曼光谱采集装置及方法。

背景技术：

1、获取月球及行星样品的确切矿物学和主要化学信息是深空探测的关键任务之一。拉曼光谱作为一种快速、准确、高效的分子光谱检测工具,已经被搭载在火星车上用于获取火星表面的物质成分,并即将被用于在月球、火卫一、火卫二等天体上进行科学探测活动。拉曼光谱技术能准确识别固态、液态或气态的物质组成，特别是对于岩石或土壤样品，可以提供其矿物含量和结构信息，与其他光谱探测技术相比具有显著的优势；拉曼光谱谱峰尖锐、特征峰位固定，只有特定晶体结构的矿物才会产生特定频率的拉曼散射光，因此也被称为矿物的“指纹”识别技术。此外，拉曼光谱技术还具有操作简单、分析速度快、无需样品预处理等优点，在深空探测领域中具有重要的应用价值和潜力。

2、目前，应用于月球、火星等样品物质成分探测的拉曼光谱仪主要采用点聚焦模式，激光束以圆斑点形式被聚焦于待测样品表面，激发出圆斑处微小区域的拉曼散射信号。但对于月球与类地行星样品来说，其矿物成分分布不均匀，通常是包含有多种矿物的集合体，因此，无论是在实验室研究还是行星就位探测应用中，对待测样品的拉曼探测均偏向于多点扫描法，同一待测样品需要多次照射不同位置才能获取更完整的矿物种类及矿物分布信息。这种探测方法的缺点是耗时长，分析一个待测样品经常需要采集上百条拉曼光谱数据，大大延长了行星表面光谱探测任务的执行时间。同时，由于需要多点精细探测，对改变激光方向的指向机构的指向精度和使用寿命也有一定要求，这些都不利于对探测时长、部组件使用寿命等有严格限制的深空探测任务。此外，月球及行星样品物质成分不均一性很高，微区点探测容易错过待测样品中的感兴趣或成分异常区域，导致研究人员难以真实掌握待测样品的物质成分分布和含量等信息。

技术实现思路

1、本发明的目的在于解决上述技术问题之一，提供一种线聚焦模式的行星激光拉曼光谱采集装置及方法。

2、为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

3、一种线聚焦模式的行星激光拉曼光谱采集装置，包括：

4、激光发射单元：用于输出激光束，并调节激光束的功率；

5、扩束器单元：设置在激光发射单元的出射方向，用于保持激光束准直并改变激光束的直径；

6、线聚焦单元：沿激光束的光路设置在扩束器单元出射方向，线聚焦单元包括柱面镜阵列和聚焦透镜，用于将激光束整形为高纵横比且光强分布均匀的理想焦线；

7、待测样品：设置在聚焦透镜的焦点位置；激光束依次穿过柱面镜阵列和聚焦透镜后照射待测样品，在待测样品表面激发线型拉曼散射光，拉曼散射光反射至聚焦透镜，聚焦透镜还用于准直拉曼散射光；

8、二向分光片：沿激光束的光路设置在柱面镜阵列和聚焦透镜之间，用于将经过柱面镜阵列的激光束反射至聚焦透镜，并透射激光束在待测样品表面激发的拉曼散射光；

9、拉曼光谱信号分离与采集单元：沿聚焦透镜准直后的拉曼散射光的光路设置在二向分光片的透射方向，用于对拉曼散射光进行聚焦并消除激光束在待测样品表面激发的瑞利散射光；

10、光谱仪：设置在拉曼光谱信号分离与采集单元聚焦的拉曼散射光的焦点位置，用于接收聚焦的拉曼散射光，并将拉曼散射光信号转换为拉曼散射电信号；光谱仪内部设置有面阵ccd探测器，聚焦在光谱仪狭缝前端的线型拉曼散射光信号与面阵ccd探测器的各行像素点一一对应，以实现单条线型拉曼散射光光斑上多条点光谱的输出；

11、计算机控制单元：与激光发射单元电连接，用于调整激光发射单元的激光发射参数；与光谱仪电连接，用于调整光谱仪的光谱采集参数及面阵ccd探测器的工作参数，同时，还用于采集光谱仪输出的拉曼散射电信号，并基于采集的拉曼散射电信号绘制待测样品表面单条线型激光束光斑激发出的单条拉曼总光谱图或者多条拉曼点光谱图。

12、本发明一些实施例中，柱面镜阵列包括多个长、宽及曲率半径均相同长条形单元柱面透镜，多个长条形单元柱面透镜平行排列，每一单元柱面透镜均与聚焦透镜配合将入射至该单元柱面透镜上的激光光束聚焦成一条线型光斑，相邻单元柱面透镜产生的焦线光强强弱相反，且相互补偿叠加，所有单元柱面透镜产生的焦线叠加后形成光强分布均匀的理想焦线；

13、理想焦线的焦线长度l符合以下公式：

14、l＝d*f/(n*fc)；

15、其中，d为入射激光光斑的直径，f为聚焦透镜的焦距，n为单元柱面透镜的数目，fc为单元柱面透镜的焦距。

16、本发明一些实施例中，拉曼光谱信号分离与采集单元包括沿二向分光片透射的拉曼散射光的光路依次设置的高通滤波器和消色差三胶合透镜，高通滤波器用于过滤激光束在待测样品表面激发的瑞利散射光，消色差三胶合透镜用于消除高通滤波器透射的拉曼散射光的像差，以及，聚焦高通滤波器透射的拉曼散射光并耦合进光谱仪。

17、本发明一些实施例中，光谱仪将聚焦的拉曼散射光准直为平行光，并通过光栅将不同波长的光线分散成不同的角度，聚焦至面阵ccd探测器的不同位置形成多个像点；

18、面阵ccd探测器测量各波长像点的光强度并将拉曼散射光信号转换为拉曼散射电信号输出；拉曼散射电信号包括面阵ccd探测器在不同工作参数下采集的待测样品表面单条线型激光束光斑激发出的单条拉曼总光谱数据或者单条线光斑激发出的多条拉曼点光谱数据。

19、本发明一些实施例中，计算机控制单元包括激光器调节模块、光谱仪调节模块和拉曼光谱绘制模块；

20、激光器调节模块用于调节激光发射单元的激光发射参数；

21、光谱仪调节模块用于调节光谱仪的光谱采集参数以及调节面阵ccd探测器的工作参数；

22、拉曼光谱绘制模块用于采集光谱仪输出的拉曼散射电信号，并基于光谱仪输出的单条拉曼总光谱数据或多条拉曼点光谱数据绘制对应的拉曼光谱图。

23、本发明一些实施例中，激光发射单元包括激光器、光隔离器、激光衰减器和反射镜；光隔离器设置在激光器的出光口，用于阻止反射光返回激光器；激光衰减器设置在光隔离器的出射光路上，用于改变激光束的能量；反射镜设置在激光衰减器的出射光路上，用于改变激光束的传播方向。

24、本发明一些实施例中，扩束器单元包括沿激光束的光路方向依次设置的负透镜和正透镜，通过改变负透镜和正透镜间的相对距离，调节扩束器单元的放大倍率与焦距。

25、本发明一些实施例进一步提供一种线聚焦模式的行星激光拉曼光谱采集方法，包括以下步骤：

26、s1：启动计算机控制单元和激光发射单元，通过计算机控制单元调整激光发射单元的激光发射参数，激光发射单元输出准直激光束，激光束出射后进入扩束器单元；

27、s2：调整扩束器单元，改变扩束器单元的放大倍率与焦距至激光束以合适的光斑大小入射到线聚焦单元；

28、s3：将待测样品放置在线聚焦单元中聚焦透镜的聚焦位置；线聚焦单元将激光束整形为高纵横比且光强分布均匀的聚焦线型光斑照射待测样品，光斑范围内激发出待测样品的瑞利散射光信号和拉曼散射光信号；

29、s4：待测样品的瑞利散射光信号和拉曼散射光信号沿原光路返回，依次透过线聚焦单元的聚焦透镜和二向分光片后进入拉曼光谱信号分离与采集单元；拉曼光谱信号分离与采集单元滤除瑞利散射光信号并消除拉曼散射光信号的像差后对拉曼散射光信号进行聚焦并耦合进光谱仪中；

30、s5：通过计算机控制单元调节光谱仪单元的光谱采集参数和光谱仪中面阵ccd探测器的工作参数，以采集单条线型拉曼散射光光斑对应的单条拉曼总光谱数据或多条拉曼点光谱数据，并基于采集的单条拉曼总光谱数据或多条拉曼点光谱数据绘制对应的拉曼光谱图。

31、本发明一些实施例中，还包括以下步骤：

32、在待测样品表面划分n个测试点；

33、通过计算机控制单元调节光谱仪中面阵ccd探测器的工作参数，面阵ccd探测器基于待测样品表面的n个测试点将单条线光斑划分为n条点光斑，并基于划分后的n条点光谱对采集到的所有拉曼点光谱进行数据合并，以输出n条点光斑对应的n条拉曼点光谱数据。

34、本发明一些实施例中，步骤s2中调整扩束器单元的方法包括：

35、调节扩束器单元中负透镜和正透镜间的相对距离，以改变扩束器单元的放大倍率与焦距。

36、本发明的有益效果在于：

37、1、本发明将光学整形元件柱面镜阵列应用于拉曼光谱探测系统，通过多个单元柱面镜的聚焦线相互叠加补偿，形成光均匀度好的高质量线型光斑，使得在探测过程中，待测样品表面的不同位置在单次分析时都能够获得相似的照射条件，保障了不同采样点样品激光激发条件的一致性和可比性，此外，相比于点光斑，线型的光斑在单次照射中可以覆盖更大的样品区域，同时激发出样品更大范围中更多分子的拉曼散射光信号，减少了单个样品点扫描探测场景的激光辐照射次数，提高了拉曼光谱探测系统的采集效率，避免错过样品中感兴趣区或成分异常区；

38、2、本发明通过在拉曼光谱信号分离与采集单元中设置消色差三胶合透镜消除拉曼散射光的色差、球差等像差，实现聚集至待测样品表面的线光斑与聚焦至光谱仪狭缝的拉曼信号线光斑的一一对应，使得光谱仪不仅可以输出单条线光斑激发出的单条拉曼总光谱，还可以实现线聚焦下多条点光谱的输出，以便更全面的了解不同种类矿物在样品表面的空间分布情况；

39、3、本发明所提供的拉曼光谱采集装置和采集方法不仅能更准确获取待测样品的物质成分信息，还极大地节省了探测时间、提高了探测效率和准确率、缩减了对仪器寿命和工程资源的消耗，能够更好地服务于对探测时长、功耗、寿命等有严格要求的深空探测工程任务，为行星表面物质成分的就位探测提供了一种更加高效、快速的探测方法。