一种基于卡塞格林结构和双光学探头的拉曼光谱系统的制作方法

本发明属于激光光谱测量，具体涉及一种基于卡塞格林结构和双光学探头的拉曼光谱系统。

背景技术：

1、拉曼光谱技术是一种非侵入性的光学分析方法，通过测量散射光的频率变化来获取分子振动和转动信息，从而实现对物质的成分和结构分析。随着科学技术的发展，拉曼光谱系统在各个领域得到了广泛应用，尤其在化学、材料科学和生物医学等领域。

2、目前拉曼光谱存在亟待解决的一些问题。首先，拉曼光谱的信号强度通常比较弱，因此需要进行长时间的积分测量，导致其灵敏度较低。由于拉曼散射信号较弱，为了提高信噪比，需要使用高功率激光，但高功率激光可能对待测样品产生破坏。其次，拉曼光谱容易受外界环境干扰，由于样品的周围环境的成分也会产生拉曼散射，因此需要采取一些措施来消除这些干扰。这些干扰可能会影响光谱的准确性和可靠性。最后，现有拉曼光谱的仪器通常比较复杂，并且无法满足对不同类型样本的测量，样品放置与检测操作复杂，检测效率较低，限制了拉曼光谱的应用范围。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明提供了一种基于卡塞格林结构和双光学探头的拉曼光谱系统，能够解决对光谱进行高灵敏度检测的问题，提升检测限等技术指标，提高检测效率。

2、本发明是通过下述技术方案实现的：

3、一种基于卡塞格林结构和双光学探头的拉曼光谱系统，包括：激光器、光学探头一、光学探头二、二向色镜、副镜一、副镜二、主镜、样品腔室、光谱仪主机及计算机；

4、激光器发射的激发光经过分束后分为两束光，两束光分别进入光学探头一与光学探头二，经光学探头一与光学探头二出射的光经过二向色镜透射后，分别入射到副镜一和副镜二进行反射，由副镜一和副镜二反射的光再经过主镜反射后，焦点聚焦到样品腔室中的待测样品上；待测样品被激发产生拉曼散射光；拉曼散射光沿原光路返回到光学探头一与光学探头二中，光学探头一与光学探头二对拉曼散射光进行收集，并传输给光谱仪主机；光谱仪主机将拉曼散射光的光谱信息原始数据传输给计算机，计算机根据该数据对待测样品进行分析，得到待测样品的浓度信息，完成对待测样品的检测；

5、光学探头一与光学探头二组成的双光学探头能够实现激发光的出射与拉曼散射光的收集；副镜一和副镜二及主镜组成的卡塞格林光学结构能够同时实现聚焦与成像功能。

6、进一步的，所述拉曼光谱系统还包括：聚焦物镜、ccd、位移台及位移台控制器；

7、所述位移台安装在样品腔室底部，能够带动样品腔室转动和沿垂直于主镜的光轴的方向上下移动；

8、所述位移台控制器用于控制位移台、副镜一和副镜二的运动；

9、利用卡塞格林光学结构的成像功能时，待测样品被激发产生的拉曼散射光沿原光路返回到光学探头一与光学探头二的过程中，经过二向色镜，被二向色镜反射到聚焦物镜中，聚焦物镜将拉曼散射光聚焦后，入射到ccd中，ccd实现对待测样品的位置的成像，并生成待测样品的图像信息，ccd将图像信息反馈给计算机，计算机对图像信息进行识别从而实现对待测样品的位置的判别，将判别后的信息反馈给位移台控制器，进而控制位移台实现带样品腔室的转动与沿垂直于主镜的光轴方向的上下移动；

10、利用卡塞格林光学结构的聚焦功能时，通过位移台控制器调节副镜一与副镜二，可以实现聚焦到样品腔室中的待测样品上的焦点的位置的变化，对待测样品进行精确聚焦，同时配合位移台的位置调节功能，实现待测样品的多点位置的检测。

11、进一步的，所述样品腔室为多边形的柱体结构，样品腔室内设有与多边形的每条边一一对应的多个样品收纳腔，样品收纳腔的顶部开口，样品收纳腔内储存有待测样品，待测样品为固体、液体或气体；样品腔室的侧面设有多个检测窗口，多个检测窗口分别与多个样品收纳腔一一对应相通，经过主镜反射的激光从检测窗口进入，焦点聚焦到待测样品上；

12、每个样品收纳腔均包括圆柱腔和矩形板腔，所述圆柱腔的长度方向、矩形板腔的长度方向均与样品腔室的长度方向一致；矩形板腔的板面位于圆柱腔的侧面，且矩形板腔与圆柱腔相通；圆柱腔相比于矩形板腔更靠近样品腔室的轴线，矩形板腔相比于圆柱腔更靠近检测窗口；

13、当待测样品为固体时，固体样品放置于微流控芯片内，微流控芯片安装于矩形板腔中；

14、当待测样品为液体或气体时，液体/气体样品放置于圆形玻璃瓶内，圆形玻璃瓶安装于圆柱腔中。

15、进一步的，圆柱腔上、靠近样品腔室的轴线的内壁面胶合有聚焦反射镜，聚焦反射镜用于实现拉曼散射光的聚焦反射。

16、进一步的，同一个样品收纳腔内不能同时存在微流控芯片和圆形玻璃瓶；不同的样品收纳腔可储存不同的待测样品；当完成一个待测样品的检测时，通过位移台自动旋转控制样品腔室旋转，转到下一个待测样品处，实现样品腔室内待测样品的连续自动测量。

17、进一步的，所述激光器采用功率与波长均可同时调节的激光器。

18、有益效果：

19、(1)本发明提供了一种基于卡塞格林结构和双光学探头的拉曼光谱系统，能够有效提高光谱信号的收集效率和强度，卡塞格林结构是一种经典的光学系统结构，具有大视场、高集光能力和优良的成像质量等特点，在拉曼光谱系统中，引入卡塞格林结构可以有效地收集散射光，提高光谱信号的强度、信噪比和收集效率，使得拉曼光谱的测量更为准确和可靠，尤其适用于对微弱信号的分析，进一步扩展了测量范围和灵活性；双光学探头的设计使得系统能够同时收集不同区域或不同角度的拉曼散射光，不仅扩大了测量范围，使得对复杂样品或不同部位的分析成为可能，提高测量准确性和可靠性；由于双光学探头能够同时收集多个位置的光谱数据，因此这种方法可以显著减少测量所需的时间，从而缩短实验周期。最终，本发明基于卡塞格林结构和双光学探头的拉曼光谱系统结合了这两种技术的优势，通过优化光学系统设计和信号处理算法，实现了对待测样品的高精度、高灵敏度的拉曼光谱测量，使得本发明在物质成分分析、结构表征以及化学反应监测等方面具有广泛的应用前景。同时，高效的光谱收集和处理也提高了整体测量效率，使得本发明在科研和工业生产中具有更高的实用价值。

20、(2)本发明的固体样品放置于微流控芯片内微流控芯片具有动力上样功能，可以防止微重力环境下，固体样品漂浮在空气中。

21、(3)本发明的拉曼光谱系统完成一个待测样品的检测时，通过位移台自动旋转控制样品腔室旋转，转到下一个待测样品处，实现样品腔室内待测样品的连续自动测量，避免了重复安装待测样品等操作；同时，样品腔室的位置可以自动调节(即带样品腔室的转动与沿垂直于主镜的光轴方向的上下移动)，避免了微重力环境下样品分布不均匀导致测试不准确问题的产生，可以实现在轨条件下的检测使用。

技术特征：

1.一种基于卡塞格林结构和双光学探头的拉曼光谱系统，其特征在于，包括：激光器、光学探头一、光学探头二、二向色镜、副镜一、副镜二、主镜、样品腔室、光谱仪主机及计算机；

2.如权利要求1所述的一种基于卡塞格林结构和双光学探头的拉曼光谱系统，其特征在于，所述拉曼光谱系统还包括：聚焦物镜、ccd、位移台及位移台控制器；

3.如权利要求2所述的一种基于卡塞格林结构和双光学探头的拉曼光谱系统，其特征在于，所述样品腔室为多边形的柱体结构，样品腔室内设有与多边形的每条边一一对应的多个样品收纳腔，样品收纳腔的顶部开口，样品收纳腔内储存有待测样品，待测样品为固体、液体或气体；样品腔室的侧面设有多个检测窗口，多个检测窗口分别与多个样品收纳腔一一对应相通，经过主镜反射的激光从检测窗口进入，焦点聚焦到待测样品上；

4.如权利要求3所述的一种基于卡塞格林结构和双光学探头的拉曼光谱系统，其特征在于，圆柱腔上、靠近样品腔室的轴线的内壁面胶合有聚焦反射镜，聚焦反射镜用于实现拉曼散射光的聚焦反射。

5.如权利要求3所述的一种基于卡塞格林结构和双光学探头的拉曼光谱系统，其特征在于，同一个样品收纳腔内不能同时存在微流控芯片和圆形玻璃瓶；不同的样品收纳腔可储存不同的待测样品；当完成一个待测样品的检测时，通过位移台自动旋转控制样品腔室旋转，转到下一个待测样品处，实现样品腔室内待测样品的连续自动测量。

6.如权利要求1-5任一项所述的一种基于卡塞格林结构和双光学探头的拉曼光谱系统，其特征在于，所述激光器采用功率与波长均可同时调节的激光器。

技术总结
本发明公开了一种基于卡塞格林结构和双光学探头的拉曼光谱系统，包括激光器、光学探头一和二、二向色镜、副镜一和二、主镜、样品腔室、光谱仪主机及计算机；激光器发射的光分束后分为两束光，分别进入光学探头一与光学探头二，出射光经过二向色镜透射分别入射到副镜一和副镜二进行反射，再经过主镜反射后聚焦到样品腔室中待测样品上；待测样品被激发产生拉曼散射光；拉曼散射光沿原光路返回到光学探头一与光学探头二中，光学探头一与光学探头二对拉曼散射光进行收集并传给光谱仪主机；光谱仪主机将光谱数据传给计算机，计算机根据该数据分析得到待测样品的浓度信息。本发明能够对光谱进行高灵敏度检测，提升检测限等技术指标，提高检测效率。

技术研发人员：张永超,缪寅宵,张铁犁,王宗军,张志涛,刘浩,葛萌,徐永垚,高小强
受保护的技术使用者：北京航天计量测试技术研究所
技术研发日：
技术公布日：2024/12/2