CN113899728B - 双波长光源拉曼光谱仪系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双波长光源拉曼光谱仪系统，包括：激光光源组，其具有两种波长的激光光源，该两种波长的光源分别激发两种不同性状的物料样品；体全息透射光栅组，其包括两个独立的体全息透射光栅，分别接收两种波长的光源激发两种样品后的拉曼散射光；CCD探测器，其不同区域接收来自两个体全息透射光栅的所述拉曼散射光经分光后的平行光束。本发明的检测两种波长激光光源的多通道拉曼光谱仪，通过双波长光源用同一台设备可检测两种不同种类、性状的样品，且通过多通道的设置，同一类样品还可以同时检测多个，方便快捷。

Description

双波长光源拉曼光谱仪系统

技术领域

本发明涉及光学检测技术领域，特别涉及一种双波长光源拉曼光谱仪系统。

背景技术

拉曼光谱是当一定频率的激光照射到样品时，物质的分子与光子发生能量转换，使得分子中原子间化学键的振动发生不同方式和程度的改变，然后散射出不同频率的光，频率的变化决定于散射物质的特性，不同种类的原子间化学键振动的方式是独一的，因此可以产生与入射光频率有特定差值的散射光，差值光谱就称为“拉曼光谱”。拉曼光谱仪是采用激光照射样品，并收集拉曼散射光进行信号分析，得到拉曼光谱的仪器。

拉曼光谱仪由于其具有检测范围广(可检测透光的气体、液体和固体)、检测时间短(几秒至几分钟)、样品用量少、对样品无损、光谱信息量丰富且特征性强、体积小、可远程检测、系统易维护等优点，目前被广泛应用在过程分析中。多物料、多通道同时检测可以大大提高检测效率，不同状态的物料有时需要使用不同波长的激光光源。而现有技术中虽然存在多通道的拉曼光谱仪，可同时进行多个物料的样品检测，但针对不同性状的物料，例如一种液体和一种气体，很难使用一种波长的光源进行检测，因此在这种情况下，往往需要两台不同的拉曼光谱仪分别进行检测。

中国专利申请CN109085152A公开了一种多通道光纤式气体拉曼散射测量系统，该方案中激光器系统、拉曼光谱成像系统、10通道光纤耦合系统、测控系统、45度激光反射镜、激光聚焦镜和激光收集器置于同一光学平台，该方案可实现动态燃烧场气态物种的激光自发振动拉曼光谱线成像，可实现动态燃烧场气态物种的摩尔分数和区域温度的高精度定量测量。该现有技术通过一个多通道光纤传感器收集经过样品的拉曼散射光，但只能用于单波长光源的检测。

在过程分析中，如炼油过程中控物料的分析，既涉及气体，又涉及液体，目前针对不同物料或不同形状物料，往往采用不同的仪器进行分析，如液相物料采用近红外光谱、核磁共振等，气相物料采用气相色谱等。因此，亟需一种能同时对两种不同性状物料同时检测的仪器，基于双波长激光光源的多通道拉曼光谱仪，可实现同一台设备检测不同性状的样品，且同一性状的样品还可以同时检测多个，方便快捷。

公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能检测两种波长激光光源的多通道拉曼光谱仪系统，通过双波长光源用同一台设备可检测两种不同种类、性状的样品，且通过多通道的设置，同一类样品还可以同时检测多个，方便快捷。

为实现上述目的，本发明提供了一种双波长光源拉曼光谱仪系统，包括：激光光源组，其具有两种波长的激光光源，该两种波长的光源分别激发两种不同性状的物料样品；体全息透射光栅组，其包括两个独立的体全息透射光栅，分别接收两种波长的光源激发两种样品后的拉曼散射光；CCD探测器，其不同区域接收来自两个体全息透射光栅的所述拉曼散射光经分光后的平行光束。

进一步，上述技术方案中，在同一拉曼光谱仪中，两种波长的激光光源可分别设置多个光源，每个光源对应不同的采样点，形成多通道检测。

进一步，上述技术方案中，多通道中的每一通道单向串行连接入射光纤、探头、样品池以及收集光纤。

进一步，上述技术方案中，拉曼光谱仪还可包括：入口狭缝，其接收来自所述收集光纤的多路拉曼散射光；中继透镜，其接收通过入口狭缝的多路拉曼散射光，并根据不同的激发波长将拉曼散射光进行排序。

进一步，上述技术方案中，排序后不同激发波长的拉曼散射光可分别进入对应的体全息透射光栅。

进一步，上述技术方案中，两个体全息透射光栅可对应单独一个CCD探测器。

进一步，上述技术方案中，在体全息透射光栅和CCD探测器之间设有与光源数量相对应的准直透镜，该准直透镜接收来自体全息透射光栅分光后的拉曼散射光并平行照射至CCD探测器的不同探测区域。

进一步，上述技术方案中，两种波长的激光光源可以分别为532nm激光和785nm激光；两种不同性状的物料可以分别为气体和液体。

进一步，上述技术方案中，两个体全息透射光栅的狭缝方向与来自前端准直器的拉曼散射光方向垂直，并且，两个体全息透射光栅的狭缝平行。这样可有效防止光束交叉。

进一步，上述技术方案中，CCD探测器可连接信号处理系统，用于将光电信号转换为数字信号并获取拉曼散射光的光谱谱图。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

1)采用本发明双波长光源的拉曼光谱仪系统，利用两种波长的光源在同一台设备中可分别对两种性状的物料样品进行同时检测，采用双光栅分光对应双波长光源，扩展了拉曼光谱仪的检测对象范围，实用性更强，可应用在化工、石油炼制、生物医药、环境监测等领域中需要同时检测气相和液相物料的场景；

2)采用本发明的多通道系统，每一个采样点可选用一个光源进行激发，光源强度可根据每个采样点的需要进行调整，从而提高检测灵敏度和检测精度；

3)本发明的多通道系统共用一个CCD探测器，使得拉曼光谱仪系统更加紧凑，仪器体积更小，更有利于便携化和应用现场摆放位置的选择；

4)通过将两个独立的体全息透射光栅的狭缝保持为平行状态，且两个体全息透射光栅的狭缝方向均与经前端准直器进入的拉曼散射光方向保持垂直状态，可有效保证不同的光源照射所得拉曼散射光经分光后的光束可平行照射在CCD探测器的不同探测区域，避免光束交叉，使得多通道可同时检测，增加了检测效率；

5)本发明的光源放置位置可灵活选择，因光纤越长光的衰减越严重，光源放置位置可选有利于控制光纤的使用长度，从而增加检测能力。

上述说明仅为本发明技术方案的概述，为了能够更清楚地了解本发明的技术手段并可依据说明书的内容予以实施，同时为了使本发明的上述和其他目的、技术特征以及优点更加易懂，以下列举一个或多个优选实施例，并配合附图详细说明如下。

附图说明

图1是本发明双波长光源拉曼光谱仪系统的结构示意图(为多通道设置)。

图2是本发明双波长光源拉曼光谱仪系统实施例1(四通道)的分光原理图。

主要附图标记说明：

1-激光光源，2-入射光纤，3-探头，4-样品池，5-收集光纤，6-入口狭缝，7-中继透镜，8-准直器，9-体全息透射光栅，9A-第一体全息透射光栅，9B-第二体全息透射光栅，10-准直透镜，11-CCD探测器，12-信号处理系统。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细描述，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。

除非另有其他明确表示，否则在整个说明书和权利要求书中，术语“包括”或其变换如“包含”或“包括有”等等将被理解为包括所陈述的元件或组成部分，而并未排除其他元件或其他组成部分。

在本文中，为了描述的方便，可以使用空间相对术语，诸如“下面”、“下方”、“下”、“上面”、“上方”、“上”等，来描述一个元件或特征与另一元件或特征在附图中的关系。应理解的是，空间相对术语旨在包含除了在图中所绘的方向之外物件在使用或操作中的不同方向。例如，如果在图中的物件被翻转，则被描述为在其他元件或特征“下方”或“下”的元件将取向在所述元件或特征的“上方”。因此，示范性术语“下方”可以包含下方和上方两个方向。物件也可以有其他取向(旋转90度或其他取向)且应对本文使用的空间相对术语作出相应的解释。

在本文中，术语“第一”、“第二”等是用以区别两个不同的元件或部位，并不是用以限定特定的位置或相对关系。换言之，在一些实施例中，术语“第一”、“第二”等也可以彼此互换。

本发明的双波长光源拉曼光谱仪系统采用两种波长的光源且一种波长的光源采用多个光源，进行多通道检测。即为了确保检测精度，一个光源检测一个采样点，而一台设备使用多个光源检测多个采样点，在以上条件满足的情况下，在光谱仪内设置双光栅，用于两种光源激发样品后拉曼散射光的分光，每一种光源可以设置多个光源，一个光栅可以支持同波长的多个光源的分光，且通过同一个CCD探测器根据不同光源选择不同的像素位置。

如图1所示，图1以双波长光源六通道的拉曼光谱仪为例进行说明。图1中的拉曼光谱仪可包括激光光源1、入射光纤2、探头3、样品池4、收集光纤5、入口狭缝6、中继透镜7、准直器8、第一体全息透射光栅9A、第二体全息透射光栅9B、准直透镜10、CCD探测器11以及信号处理系统12。

进一步如图1所示，六个激光光源1组成激光光源组，激光光源组具有两种波长的激光光源，该两种波长的光源分别激发两种不同性状的物料样品。优选而非限制性地，两种波长的激光光源可分别采用532nm激光和785nm激光；两种不同性状的物料可以分别为气体和液体。在同一台拉曼光谱仪中使用这两种波长的光源分别检测气体和液体，可以使检测精度更高，检测效果更佳。

进一步如图1所示，六个激光光源1组成的激光光源组、六个入射光纤2组成的入射光纤组、六个探头3组成的探头组、六个样品池4组成的样品池组以及六个收集光纤5组成的收集光纤组分别一一对应且采用单向串行连接的方式连接。激光光源1发射的激光通过入射光纤2传输至探头3，探头3将激光光源的光照射在样品池4中的采样点，采样点上相应拉曼散射光被相应的收集光纤5收集。

进一步如图1所示，每路收集光纤5收集的拉曼散射光进入入口狭缝6，经中继透镜7将多路来自收集光纤的拉曼散射光按其对应的激发波长不同，分别进入对应的准直器8。由于本发明在同一拉曼光谱仪中，两种波长的激光光源分别设置多个光源，即图1中六个通道中三个通道使用同一波长(例如532nm)的激光，另外三个通道使用另一波长(例如785nm)的激光，每个光源对应不同的采样点，形成多通道检测。本发明的入口狭缝6接收来自收集光纤组的多路拉曼散射光，中继透镜7用于接收通过入口狭缝6的多路拉曼散射光，并根据不同的激发波长将拉曼散射光进行排序。不同激发波长的光分别按顺序进入对应的体全息透射光栅，例如波长532nm的激光激发样品后形成的拉曼散射光进入第一体全息透射光栅9A，波长785nm的激光激发样品后形成的拉曼散射光进入第二体全息透射光栅9B。第一体全息透射光栅9A和第二体全息透射光栅9B为两个独立的体全息透射光栅，可分别接收两种波长的光源激发两种样品后的拉曼散射光。拉曼散射光经体全息透射光栅分光后进入各自对应的准直透镜10，由同一个CCD探测器11检测，CCD探测器11的不同区域接收来自两个体全息透射光栅的拉曼散射光经分光后的平行光束。进一步地，光电信号由信号处理系统12转换为数字信号即可得到需要的拉曼光谱谱图。

为了保证多通道的拉曼散射光分光后能够按照顺序入射至CCD探测器11，即获得平行光束，避免光束交叉，本发明将第一体全息透射光栅9A和第二体全息透射光栅9B的狭缝设置为平行状态，且两个体全息透射光栅的狭缝方向均与经准直器8进入的拉曼散射光方向处于垂直状态。采用这样的方式可有效避免光束交叉。平行光束进一步进入体全息透射光栅和CCD探测器11之间与光源数量相对应的准直透镜10，该准直透镜10接收来自体全息透射光栅分光后的拉曼散射光并可平行照射至CCD探测器11的不同探测区域(可参考图2)。

采用本发明的拉曼光谱仪，利用两种波长的光源在同一台设备中可分别对两种性状的物料样品进行同时检测，采用双光栅分光对应双波长光源，扩展了拉曼光谱仪的检测对象范围，实用性更强，可应用在化工、石油炼制、生物医药、环境监测等领域中需要同时检测气相和液相物料的场景；多通道中每一个采样点选用一个光源进行激发，光源强度可根据每个采样点的需要进行调整，从而提高检测灵敏度和检测精度；多通道共用一个CCD探测器，使得本发明的拉曼光谱仪系统更加紧凑，仪器体积更小，更有利于便携化和应用现场摆放位置的选择；采用本发明的拉曼光谱仪，不同的光源照射所得拉曼散射光经分光后的光束可平行照射在CCD探测器的不同探测区域，使得多通道可同时检测，增加了检测效率；本发明的光源放置位置可灵活选择，因光纤越长光的衰减越严重，光源放置位置可选有利于控制光纤的使用长度，从而增加检测能力。

实施例1

通过图1的连接方式设置四通道拉曼光谱仪，其中两通道为532nm光源照射获取的拉曼散射光最终投影在CCD探测器11上，对应的像素位分别为[10,45]和[60,95]；另外两通道为785nm光源照射获取的拉曼散射光最终投影在同一CCD探测器11上，对应的像素位分别为[105,140]和[155,190]。

两个独立的体全息透射光栅的选择：

532nm激光光栅：拉曼位移设为200～4000cm^-1，532nm转换成频率为1/532nm＝18796.99cm^-1，拉曼散射光的范围为[18796.99-4000,18796.99-200]cm^-1，换算成波长为537.7～675.8nm，确定系统的光谱范围为530～670，中心波长为600nm，考虑系统尺寸和色散角大小，选择光栅线密度为600l/mm。

785nm激光光栅：拉曼位移设为250～3000cm^-1，785nm转换成频率为1/785nm＝12738.85cm^-1，拉曼散射光的范围为[12738.85-2800,12738.85-250]cm^-1，换算成波长为800.7～1026.8nm，确定系统的光谱范围为800～1000，中心波长为900nm，考虑系统尺寸和色散角大小，选择光栅线密度为1200l/mm。

CCD探测器的选择：

探测器选择1650×200active pixels(16×16μm pixel size)，光通过狭缝经光学系统成像到探测器上，一个光谱通道的像在探测器上弥散2个像素宽度，两个光谱通道之间隔一个像素，则光谱通道数为1650/3＝550，对于785nm光源，分辨率为(1000-800)/550＝0.36nm，换算成频率为4.44cm^-1；对于532nm光源，分辨率为(670-530)/550＝0.25nm，换算成波数为6.95cm^-1。

本实施例的分光原理如图2所示，本实施例中将两个独立的体全息透射光栅的狭缝设置为平行状态，且两个体全息透射光栅的狭缝方向均与经前端准直器进入的拉曼散射光方向处于垂直状态，从而保证打到CCD探测器上的光束为按照一定顺序的平行光束。

前述对本发明的具体示例性实施方案的描述是为了说明和例证的目的。这些描述并非想将本发明限定为所公开的精确形式，并且很显然，根据上述教导，可以进行很多改变和变化。对示例性实施例进行选择和描述的目的在于解释本发明的特定原理及其实际应用，从而使得本领域的技术人员能够实现并利用本发明的各种不同的示例性实施方案以及各种不同的选择和改变。针对上述示例性实施方案所做的任何简单修改、等同变化与修饰，都应落入本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种双波长光源拉曼光谱仪系统，其特征在于，包括：

激光光源组，其具有两种波长的激光光源，该两种波长的激光光源分别激发两种不同性状的物料样品；在同一所述拉曼光谱仪中，所述两种波长的激光光源分别设置多个光源，每个光源对应不同的采样点，形成多通道检测；所述多通道中的每一通道分别单向串行连接入射光纤、探头、样品池以及收集光纤；

体全息透射光栅组，其包括两个独立的体全息透射光栅，分别接收所述两种波长的激光光源激发所述两种不同性状的物料样品后的拉曼散射光；两个所述体全息透射光栅的狭缝方向与来自前端准直器的拉曼散射光方向垂直，并且，两个所述体全息透射光栅的狭缝平行；

CCD探测器，其不同区域接收来自两个所述体全息透射光栅的所述拉曼散射光经分光后的平行光束。

2.根据权利要求1所述的双波长光源拉曼光谱仪系统，其特征在于，所述拉曼光谱仪还包括：

入口狭缝，其接收来自所述收集光纤的多路拉曼散射光；

中继透镜，其接收通过所述入口狭缝的所述多路拉曼散射光，并根据不同的激发波长将所述拉曼散射光进行排序。

3.根据权利要求2所述的双波长光源拉曼光谱仪系统，其特征在于，所述排序后不同激发波长的拉曼散射光分别进入对应的所述体全息透射光栅。

4.根据权利要求3所述的双波长光源拉曼光谱仪系统，其特征在于，两个所述体全息透射光栅对应一个所述CCD探测器。

5.根据权利要求4所述的双波长光源拉曼光谱仪系统，其特征在于，在所述体全息透射光栅和CCD探测器之间设有与光源数量相对应的准直透镜，该准直透镜接收来自体全息透射光栅分光后的拉曼散射光并平行照射至所述CCD探测器的不同探测区域。

6.根据权利要求1所述的双波长光源拉曼光谱仪系统，其特征在于，所述两种波长的激光光源分别为532nm激光和785nm激光；所述两种不同性状的物料样品分别为气体和液体。

7.根据权利要求1所述的双波长光源拉曼光谱仪系统，其特征在于，所述CCD探测器连接信号处理系统，用于将光电信号转换为数字信号并获取所述拉曼散射光的光谱谱图。