CN104422680A - 一种拉曼信号采集装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种拉曼信号采集装置，可以高效的采集样品被激发出的拉曼信号，同时具有将激光聚焦到样品，滤除杂散光和瑞利线等干扰信号的功能，并且具有体积小、传输效率高等优点。与激光器、光谱仪联用可以组成拉曼光谱仪，采用紫外光学元件，与紫外激光器，紫外光谱仪联用可以组成紫外拉曼光谱仪。
Description
技术领域
本发明涉及一种拉曼信号采集装置，可以高效的采集样品被激发出的拉曼信号，同时具有将激光聚焦到样品，滤除杂散光和瑞利线等干扰信号的功能。与激光器、光谱仪联用可以组成拉曼光谱仪，采用紫外光学元件，与紫外激光器，紫外光谱仪联用可以组成紫外拉曼光谱仪。
背景技术
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，可以应用于检测食品，安检，文检材料，矿物，环境，化学,材料，生物等领域。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。
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。
拉曼散射现象发生的几率很低，108个光子与样品分子发生作用，最多只有一个光子能形成拉曼散射，因此拉曼信号采集装置要具有收集拉曼信号效率高，降低其他未发生拉曼散射光子的影响，并且实现拉曼信号的高效率传输等功能。
目前市场上有三种类型的拉曼光谱仪：一种是三光栅拉曼光谱仪（专利号98113710.5），使用透镜或者反射椭球镜采集拉曼信号，前两级光栅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，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，具有体积小，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，且采集系统和滤光系统是独立的结构，使用中必须与特定厂家的光谱仪配套购买，无法根据用户自己的需要搭建拉曼光谱仪。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
本发明提供一种拉曼信号采集装置，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，激发光源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。
技术方案：滤光片的几何中心处于物镜和聚焦透镜的光轴；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；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；滤光片将反射镜反射来的激发光沿物镜的光轴反射到物镜；于拉曼信号采集装置上聚焦透镜一侧的外部设有光谱仪，聚焦透镜将拉曼信号聚焦到光谱仪的入光孔中；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10度。
有益效果：本发明，一种拉曼信号采集装置，可以高效的采集样品被激发出的拉曼信号，同时具有将激光聚焦到样品，滤除杂散光和瑞利线等干扰信号的功能。采用背散射式采集拉曼信号，采集效率高；滤光片既具有反射镜的作用，又有滤除杂散光的作用，减少了光学元件的使用，提高了通光效率。主要部件固定中空筒状容器，体积小，重量轻，结构稳固，方便与光谱仪进行耦合。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。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1是本发明的结构原理图。
图2是本发明的具体应用实例：金刚石的拉曼光谱图。
图中1.入光孔，2.小反射镜，3.滤光片，4.物镜，5.聚焦透镜，6.装置外壳，7.样品。
具体实施方式
在图1中，一种拉曼信号采集装置，包括二端开口的中空筒状容器6，于筒状容器6的二个开口端分别设有物镜4、聚焦透镜5，物镜4和聚焦透镜5同光轴设置，于物镜4和聚焦透镜5间的筒状容器内设有滤光片3；
于筒状容器6的侧壁面上开设有通孔，作为入光孔1（处于物镜4和滤光片3之间），激发光源发出的激发光通过入光孔1进入筒状容器6内，经设有于筒状容器6内的反射镜2（处于物镜4和滤光片3之间）反射至滤光片3表面，再由滤光片3反射至物镜4，由物镜4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4收集和滤光片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3到达聚焦透镜5聚焦。
滤光片3的几何中心处于物镜4和聚焦透镜5的光轴；
滤光片3的光轴与物镜4和聚焦透镜5的光轴间的夹角小于10度，滤光片3反射激发光的效率大于90%，滤除干扰信号的效率大约99.99%，拉曼信号透过率大于80%；
反射镜2将激发光反射到滤光片3的中心，且反射镜不在物镜4和聚焦透镜5的光轴上，不影响物镜4和滤光片3之间光的传输。
滤光片3将反射镜2反射来的激发光沿物镜4的光轴反射到物镜4，使物镜4的使用达到共光轴效果。
于拉曼信号采集装置上聚焦透镜5一侧的外部（即远离中空筒状容器5-6的一侧）设有光谱仪，聚焦透镜5将拉曼信号聚焦到光谱仪的入光孔中。
可在滤光片3和聚焦透镜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。
在图2所示实施例中，记录金刚石的拉曼谱，激发光源为355纳米固体激光器，图中横坐标为拉曼频移，实验条件为：激发波长，355纳米固体激光器。
Claims (7)
1.一种拉曼信号采集装置，包括二端开口的中空筒状容器（6），其特征在于：于筒状容器（6）的二个开口端分别设有物镜（4）、聚焦透镜（5），物镜（4）和聚焦透镜（5）同光轴设置，于物镜（4）和聚焦透镜（5）间的筒状容器（6）内设有滤光片（3）；
于筒状容器（6）的侧壁面上开设有通孔，作为入光孔（1），激发光源发出的激发光通过入光孔（1）进入筒状容器（6）内，经设有于筒状容器（6）内的反射镜（2）反射至滤光片（3）表面，再由滤光片（3）反射至物镜（4），由物镜（4）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（4）收集和滤光片（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（3）到达聚焦透镜（5）聚焦。
2.根据权利要求1所述的拉曼信号采集装置，其特征是：滤光片（3）的几何中心处于物镜（4）和聚焦透镜（5）的光轴。
3.根据权利要求1或2所述的拉曼信号采集装置，其特征是：滤光片（3）的光轴与物镜（4）和聚焦透镜（5）的光轴间的夹角小于10度。
4.根据权利要求1所述的拉曼信号采集装置，其特征是：反射镜（2）将激光反射到滤光片（3）的中心，且反射镜（2）不在物镜（4）和聚焦透镜（5）的光轴上，不影响物镜（4）和滤光片（3）之间光的传输。
5.根据权利要求1所述的拉曼信号采集装置，其特征是：所述的滤光片（3）将反射镜（2）反射来的激发光沿物镜（4）的光轴反射到物镜（4）。
6.根据权利要求1所述的拉曼信号采集装置，其特征是：于拉曼信号采集装置上聚焦透镜（5）一侧的外部设有光谱仪，聚焦透镜（5）将拉曼信号聚焦到光谱仪的入光孔中。
7.根据权利要求1所述的拉曼信号采集装置，其特征是：可在滤光片（3）和聚焦透镜（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。
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Cited By (3)
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|---|---|---|---|---|
| CN107449767A (zh) * | 2016-06-01 | 2017-12-08 | 中国科学院大连化学物理研究所 | 一种紫外拉曼光纤探头 |
| CN109580494A (zh) * | 2018-11-21 | 2019-04-05 | 深圳达闼科技控股有限公司 | 一种检测方法、相关装置及存储介质 |
| CN111426677A (zh) * | 2020-04-29 | 2020-07-17 | 中国工程物理研究院核物理与化学研究所 | 一种拉曼光谱多位点激发结构及气体分析方法 |
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