一种拉曼光谱测量实验装置的制造方法
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及一种拉曼光谱测量装置，特别涉及一种教学实验用的拉曼光谱测量装置。
【背景技术】
[0002]拉曼效应由印度物理学家拉曼发现，指光波在被散射后频率发生变化的现象。光照射到物质上发生弹性散射和非弹性散射，弹性散射的散射光是与激发光波长相同的成分(瑞利散射光)，非弹性散射的散射光有比激发光波长长的和短的成分(拉曼散射光)，拉曼光谱分析方法是对与激发光频率不同的散射光谱进行分析以得到分子振动、转动方面的信息，并应用于分子结构研究的一种分析方法，散射光频率的变化取决于散射物质的特性，不同原子团振动的方式是唯一的，因此可以产生特定频率的散射光，其光谱就称为“指纹光谱”，可以照此原理鉴别出组成物质的分子种类。
[0003]拉曼散射属于微光探测，在测量时需要注意避免信号的背景噪声，由激光引起的荧光往往是最普遍遇到的背景光来源，荧光背景强度与激发光频率即物质分子的选择性吸收有关，荧光光谱一般从外观上要比拉曼峰宽很多，看起来就像拉曼光谱缓慢变化的基线，对于有些物质，即使浓度很低，其产生的荧光背景也会比整体材料产生的拉曼光谱还要强，通过采用较长波长的近红外激光可以将荧光背景相对降低，有利于拉曼特征信号的提取，但是由于拉曼信号的强度与激发波长的4次方成反比，拉曼信号也会相应变弱，因此在实际测量中必须结合检测对象来选取激光光源的波长。
[0004]目前，拉曼光谱分析由于具备检测速度快、无损检测等突出的优势，已被广泛应用于食品安全、生物医药、公共安全、材料科学、珠宝鉴定、地质探矿、环境检测等领域。近来，国内不少院校开始开设光谱检测的相关课程以满足光谱产业化发展的人才需求，而拉曼光谱作为光谱检测的一种方法，其过程涵盖了激光器原理、光谱测量及分析方法、光谱仪工作原理及使用方法等知识点，对光电领域的学生是一个极好的实践机会，然而市场上的拉曼检测设备集成度太高，不利于学生认知和提高操作能力，真正适合实验教学的产品仍然是一个市场空白。
【发明内容】
[0005]针对上述问题，本实用新型的目的是提供一种拉曼光谱测量实验装置，该装置具有很好的可操作性，并且配置了多波长输出的激光光源，利于学生全面认知拉曼光谱测量的原理及方法。
[0006]为了实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案:一种拉曼光谱测量实验装置，其特征在于:包括控制模块、多波长激光器、拉曼探头、光谱仪和频谱观测装置;控制模块与多波长激光器相连用于提供驱动电流并切换输出波长，多波长激光器与拉曼探头的激发端光纤连接，拉曼探头用于传输激光聚焦照射到待测样品上并反向收集和过滤样品产生的拉曼散射光，拉曼探头的接收端光纤与光谱仪连接，光谱仪用于采集拉曼散射信号，频谱观测装置与光谱仪相连用于拉曼光谱的显示。
[0007]其中，所述多波长激光器为可以输出至少两个固定波长的窄线宽半导体激光器，它包括至少两个波长的激光器芯片，其前端安装有快轴准直镜和慢轴准直镜，激光器芯片发出的光经过快慢轴准直后入射到透射式体布拉格光栅上，形成反射光部分和透射光部分，反射光部分沿原路返回到激光器芯片腔内形成外腔反馈，透射光部分的谱线宽度被压窄并入射到对应光路上的反射镜上，反射镜的位置可调，使各光路的透射光部分均能同时进入聚焦透镜，最终耦合进入光纤中输出。
[0008]上述的控制模块通过多波长激光器内部安装的热敏电阻监控激光器芯片的温度，并通过制冷器对激光器芯片进行加热或制冷。
[0009]上述的拉曼探头的激发端光纤和接收端光纤均安装有光纤接头，光纤接头通过适配器与多波长激光器和光谱仪进行连接。
[0010]上述的光谱仪通过USB接口与频谱观测装置进行连接。
[0011]上述的频谱观测装置具有存储标准拉曼光谱数据库的存储器，可将获得的拉曼光谱在数据库内进行匹配。
[0012]本实用新型的有益效果是:本实验装置具有很好的可操作性，学生在对设备进行连接、调节及设置测量参数的过程中，能够充分的接受其中的原理知识，同时本实验装置采用了多波长激光器，学生可以针对不同样品选取不同波长进行激发，通过对比得到的拉曼光谱，观测激发波长对荧光背景噪声、光谱激发效率的影响及规律，还可以利用标准数据库对被测样品进行物质鉴别，本实验装置适用于光谱学特别是拉曼光谱学的实验教学，填补了市场空白。
【附图说明】
[0013]图1为本实用新型的拉曼光谱测量实验装置结构组成图。
[0014]图中，丨为控制模块;2为多波长激光器;2-1为激光器芯片；2-2为快轴准直镜;2-3为慢轴准直镜;2-4为体布拉格光栅;2-5为反射镜;2-6为聚焦透镜;2-7为光纤;3为拉曼探头;4为待测样品；5为光谱仪;6为频谱观测装置。
【具体实施方式】
[0015]下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步的说明，以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本实用新型，但不以任何形式限制本实用新型，根据本实用新型的思想，可以做出若干变形和改进，这些都属于本实用新型的保护范围。
[0016]请参照图1，本实用新型的拉曼光谱测量实验装置，包括控制模块1、多波长激光器
2、拉曼探头3、光谱仪5和频谱观测装置6。
[0017]其中，多波长激光器2为可以输出至少两个固定波长的窄线宽半导体激光器，它包含至少两个波长的激光器芯片2-1，每个激光器芯片2-1发射出的激光光束都是非对称的发散光束(快轴发散角30°到40°，慢轴发散角6°到10° )，需要经过安装在其前端的快轴准直镜2-2和慢轴准直镜2-3分别在两个方向上进行准直，准直为平行光束后入射到体布拉格光栅2-4上，形成反射光部分和透射光部分，反射光部分沿原路返回到激光器芯片2-1腔内形成外腔反馈，由于半导体激光器的谱线宽度与半导体激光器有源区的长度成反比，因此腔长是影响线宽的关键因素之一，设置外腔相当于大幅度的增加谐振腔长，因而能有效地压窄激光的谱线宽度，因此，从体布拉格光栅2-4出射的透射光部分的谱线宽度会被明显窄化，并入射到对应光路上的反射镜2-5上，每一路上的反射镜2-5的位置都可以调节，使各光路的透射光部分在此处发生90度折转且各光路的光束互不相档，均能同时进入聚焦透镜2-6，最终耦合进入光纤2-7中输出。
[0018]上述的快轴准直镜2-2和慢轴准直镜2-3需要依据每个激光器芯片2-1的有源区尺寸和发散角大小进行设计，使每路激光光束都能同时达到良好的准直效果。
[0019]上述的体布拉格光栅2-4为透射式的体布拉格光栅，其反射率需要结合激光器芯片2-1的输出功率进行选择，一般在15%_35%范围内。
[0020]本实验装置各部分的连接关系如下:控制模块I与多波长激光器2相连，用于向其内部的激光器芯片2-1提供驱动电流，每个激光器芯片2-1具有其独立的驱动，调节驱动电流值可以改变其输出功率，同时，控制模块I通过多波长激光器2内部安装的热敏电阻监控激光器芯片2-1的温度，并通过制冷器对激光器芯片2-1进行加热或制冷。学生还可以通过控制模块I进行波长切换，针对不同的待测样品4，选取不同的波长进行激发，激发波长的选择是为了避开荧光的干扰，因为拉曼位移与激发光频率无关，不同物质产生荧光的范围不同，只要能避开该物质的荧光带的激发光都是可以的，此外拉曼信号的强度与激发波长的4次方成反比，学生通过对比得到的拉曼光谱，可以观测激发波长对荧光背景噪声、光谱激发效率的影响及规律。
[0021]多波长激光器2的输出光纤2-7与拉曼探头3的激发端光纤连接，拉曼探头3用于传输激光聚焦照射到待测样品4上，被测样品4产生的拉曼散射光会连同瑞利散射光一起反方向进入拉曼探头3，在其内部通过滤光片将瑞利散射光滤除，并将收集到的拉曼散射光通过接收端光纤输出，拉曼探头3的接收端光纤与光谱仪5连接，光谱仪5用于采集拉曼散射信号，测量时，学生需要针对不同的待测样品4对光谱仪5的测量参数进行设置，如积分时间、平均次数、平滑度等，才能得到理想的拉曼谱图。
[0022]拉曼探头3的激发端光纤和接收端光纤均安装有光纤接头，光纤接头通过适配器与多波长激光器2和光谱仪5进行连接。
[0023]频谱观测装置6通过USB接口与光谱仪5相连用于拉曼光谱的显示及后续光谱数据的处理，频谱观测装置6具有存储标准拉曼光谱数据库的存储器，可将获得的拉曼光谱在数据库内进行匹配，对被测样品进行物质鉴别。
【主权项】
1.一种拉曼光谱测量实验装置，其特征在于:包括控制模块、多波长激光器、拉曼探头、光谱仪和频谱观测装置;控制模块与多波长激光器相连用于提供驱动电流并切换输出波长，多波长激光器与拉曼探头的激发端光纤连接，拉曼探头用于传输激光聚焦照射到待测样品上并反向收集和过滤样品产生的拉曼散射光，拉曼探头的接收端光纤与光谱仪连接，光谱仪用于采集拉曼散射信号，频谱观测装置与光谱仪相连用于拉曼光谱的显示； 其中，所述多波长激光器为可以输出至少两个固定波长的窄线宽半导体激光器，它包括至少两个波长的激光器芯片，其前端安装有快轴准直镜和慢轴准直镜，激光器芯片发出的光经过快慢轴准直后入射到透射式体布拉格光栅上，形成反射光部分和透射光部分，反射光部分沿原路返回到激光器芯片腔内形成外腔反馈，透射光部分的谱线宽度被压窄并入射到对应光路上的反射镜上，反射镜的位置可调，使各光路的透射光部分均能同时进入聚焦透镜，最终耦合进入光纤中输出。2.根据权利要求1所述的一种拉曼光谱测量实验装置，其特征在于，所述控制模块通过多波长激光器内部安装的热敏电阻监控激光器芯片的温度，并通过制冷器对激光器芯片进行加热或制冷。3.根据权利要求1所述的一种拉曼光谱测量实验装置，其特征在于，所述拉曼探头的激发端光纤和接收端光纤均安装有光纤接头，光纤接头通过适配器与多波长激光器和光谱仪进行连接。4.根据权利要求1所述的一种拉曼光谱测量实验装置，其特征在于，所述光谱仪通过USB接口与频谱观测装置进行连接。5.根据权利要求1所述的一种拉曼光谱测量实验装置，其特征在于，所述频谱观测装置具有存储标准拉曼光谱数据库的存储器，可将获得的拉曼光谱在数据库内进行匹配。
【专利摘要】本实用新型提供了一种拉曼光谱测量实验装置，其特征在于：包括控制模块、多波长激光器、拉曼探头、光谱仪和频谱观测装置，控制模块与多波长激光器相连用于提供驱动电流并切换输出波长，多波长激光器与拉曼探头的激发端光纤连接，拉曼探头用于传输激光聚焦照射到待测样品上并反向收集和过滤样品产生的拉曼散射光，拉曼探头的接收端光纤与光谱仪连接，光谱仪用于采集拉曼散射信号，频谱观测装置与光谱仪相连用于拉曼光谱的显示，其中，多波长激光器可以输出至少两个固定波长的窄线宽激光，本实验装置具有很好的可操作性，利于学生全面认知拉曼光谱测量的原理及方法，适用于光谱学特别是拉曼光谱学的实验教学。
【IPC分类】G01N21/65
【公开号】CN205384224
【申请号】CN201620180706
【发明人】周颖, 马宁, 刘玉凤, 陆怡思, 周鹏磊, 王瑞松, 郭 东, 郭维振, 刘荣华, 董琳琳
【申请人】北京杏林睿光科技有限公司
【公开日】2016年7月13日
【申请日】2016年3月10日