显微激光拉曼光谱仪及其工作方法与流程

本发明属于拉曼光谱仪技术领域，具体涉及一种显微激光拉曼光谱仪及其工作方法。

背景技术：

显微激光拉曼光谱仪是一个集合了激光光谱学、精密机械和微电子系统的综合测量体系。其最终结果是获得散射介质在一定方向上具有一定偏振态的散射光强随频率分布的谱图。

显微激光拉曼光谱仪分析是一种非破坏性的微区分析手段，液体、粉末及各种固体样品均不需特殊处理即可用于拉曼光谱的测定。拉曼光谱可以单独，或与其他技术(如x衍射谱、红外吸收光谱、中子散射等)结合起来应用，方便地确定离子、分子种类和物质结构。其应用主要是对各种固态、液态、气态物质的分子组成、结构及相对含量等进行分析，实现对物质的鉴别与定性。

目前国内基于小型光纤光谱仪的显微激光拉曼光谱仪，通常采用光纤耦合的方式进行光信号的采集，通过光纤把激光光源导入到显微镜物镜中，然后通过显微物镜采集样品的拉曼光谱信号，通过拉曼光谱再用光纤耦合到光纤光谱仪中，这个过程由于都是采用商业化低成本的光纤耦合器(一般采用sma950)，倒置每次光信号进出光纤都会损失50％以上。而拉曼散射信号只相当于瑞利散射信号的百万分之一，对于显微光路的信号就更加的微弱，导致拉曼光谱仪的灵敏度低。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种显微激光拉曼光谱仪及其工作方法，该显微激光拉曼光谱仪可有效降低信号损失，有利于提高灵敏度。

其技术方案如下：

显微激光拉曼光谱仪，包括光谱仪主体，所述光谱仪主体上设有可见光光路结构、激光光路结构以及样品信号光路结构；

可见光光路结构包括可见光光源、第一半反半透镜、第二半反半透镜、第一反射镜、显微物镜、第一聚焦透镜、光学镜头以及成像相机，所述可见光光源、第二半反半透镜、第一半反半透镜、第一反射镜以及显微物镜之间形成可见光输出路径，所述显微物镜、第一反射镜、第一半反半透镜、第二半反半透镜、第一聚焦透镜、光学镜头以及成像相机之间形成可见光信号输入路径，所述显微物镜位于第一反射镜的下方；

所述激光光路结构包括激光器以及拉曼滤光片，所述激光器、拉曼滤光片、第一半反半透镜、第一反射镜以及显微物镜之间形成激光输出路径；

所述样品信号光路结构包括信号检测仪以及聚焦透镜组，所述显微物镜、第一反射镜、第一半反半透镜、拉曼滤光片、聚焦透镜组以及信号检测仪形成样品信号输入路径；

所述可见光光路结构、激光光路结构以及样品信号光路结构均共用所述第一半反半透镜。

可见光光源发射出可见光光束，可见光光束依次沿可见光输出路径传输至显微物镜，显微物镜将可见光光束聚焦在样品上；可见光信号通过显微物镜依次沿可见光信号输入路径传输进入成像相机里进行可见光信号成像，便于观察、确定待测样品的微区目标位置；激光光束发射出激光光束，并依次沿激光输出路径传输至显微物镜，显微物镜将激光光束聚焦在样品上；样品的拉曼光谱信号通过显微物镜依次沿样品信号输入路径传输进入信号检测仪，在信号检测仪内部分光，获取不同波长位置的拉曼光谱信息。可见光光路结构、激光光路结构以及样品信号光路结构均采用无光纤耦合，避免了光纤耦合导致光信号损失，从而实现提高设备的灵敏度，同时提高检测效率；且可见光光路结构、激光光路结构以及样品信号光路结构均共用第一半反半透镜，可同时实现样品的可见光观测以及拉曼光谱信号的采集，还可实施观测激光光束照射在样品的具体位置，利于采集样品的拉曼光谱信号，提高设备灵敏度。

在其中一个实施例中，所述可见光光路结构还包括第二反射镜，所述第一半反半透镜、第二半反半透镜以及第二反射镜均与可见光光源发出的可见光束呈第一预设角度设置，所述第一半反半透镜、第二半反半透镜以及第二反射镜间间隔设置，所述第二反射镜位于可见光信号输入路径上,且所述第一聚焦透镜位于第二半反半透镜以及第二反射镜之间，所述可见光信号通过第二反射镜反射传输至光学镜头。可见光信号经第一聚焦透镜聚焦后，通过第二反射镜改变可见光信号的传输方向，将可见光信号传输至光学镜头，可合理布置设备内可见光光路结构的安装位置，节省设备空间，降低成本。

在其中一个实施例中，所述激光光路结构还包括第三反射镜以及第四反射镜，所述第三反射镜与第四反射镜均与激光器发出的激光光束呈第一预设角度设置，所述第三反射镜以及第四反射镜均位于激光输出路径上，所述激光光束依次通过第三反射镜以及第四反射镜反射传输至拉曼滤光片。激光光束通过第三反射镜以及第四反射镜两次改变传输方向后传输至拉曼滤光片，合理布置设备内激光光路结构的安装位置，节省设备空间，降低成本。

在其中一个实施例中，所述样品信号光路结构还包括第五反射镜，所述第五反射镜与样品信号呈第二预设角度设置，所述第五反射镜位于样品信号输入路径上聚焦透镜组的后方，所述样品信号通过第五反射镜反射传输至信号检测仪。样品拉曼光谱信号经聚焦透镜组聚焦后，通过第五反射镜改变传输方向，将样品拉曼光谱信号传输至信号检测仪，合理布置设备内样品信号光路结构的安装位置，节省设备空间，降低成本。

在其中一个实施例中，所述聚焦透镜组位于拉曼滤光片与第五反射镜之间，所述聚焦透镜组至少包括第二聚焦透镜以及第三聚焦透镜，所述第二聚焦透镜以及第三聚焦透镜齐平设置，且所述第二聚焦透镜以及第三聚焦透镜之间间隔设置。样品信号通过第二聚焦透镜以及第三聚焦透镜两次聚焦，保证样品信号聚焦耦合成功。

在其中一个实施例中，所述光谱仪主体上还设有载物平台以及升降机构，所述载物平台与升降机构连接，所述载物平台位于显微物镜的下方。样品放置于载物平台上，通过升降机构调节载物平台，以调整样品至最佳焦点位置，便于观察样品的微区目标位置以及激光最佳聚焦点，利于提高灵敏度，提高检测效率。

在其中一个实施例中，所述载物平台包括平台底座以及载物台主体，所述平台底座上设有第一活动槽，所述第一活动槽沿光谱仪主体的x轴方向设置，所述载物台主体与第一活动槽间活动连接。所述平台底座上设有第二活动槽，所述第二活动槽沿光谱仪主体的y轴方向设置，所述载物平台与升降机构之间设有连接杆，且所述载物平台通过连接杆与升降机构连接，所述连接杆的其中一端与升降机构固定连接，另一端与第二活动槽活动连接。通过以上设置，可沿xy轴方向移动载物平台，将样品调整至最佳焦点位置。

在其中一个实施例中，所述光谱仪主体的外壳上设有第一遮光门以及第二遮光门，所述第一遮光门以及第二遮光门均弯曲设置，当关闭所述第一遮光门以及第二遮光门时，所述第一遮光门、第二遮光门以及光谱仪主体的外壳间形成腔体，所述载物平台、升降机构以及显微物镜均位于所述腔体内。第一遮光门以及第二遮光门的设置可有效遮挡外界光线，避免外界光线干扰，影响检测的正常进行，提高检测准确度。

在其中一个实施例中，显微激光拉曼光谱仪的工作方法，包括以下步骤：

开启可见光光源，可见光光源发射出可见光光束；

可见光光束照射至第二半反半透镜上，并反射传输至第一半反半透镜，通过第一半反半透镜反射传输至第一反射镜，第一反射镜将可见光光束反射传输至显微物镜上，显微物镜将可见光光束聚焦至样品上；

可见光信号通过显微物镜传输至第一反射镜，经第一反射镜反射传输至第一半反半透镜，一半的可见光信号通过第一半反半透镜反射传输至第二半反半透镜上，并透过第二半反半透镜经第一聚焦透镜聚焦后传输至光学镜头，进入成像相机内进行白光信号成像；

开启激光器，激光器发射出激光光束；

激光光束传输至拉曼滤光片，经过拉曼滤光片反射至第一半反半透镜，透过第一反半透镜传输至第一反射镜，第一反射镜将激光光束反射传输至显微物镜上，显微物镜将激光光束聚焦至样品上；

样品信号通过显微物镜传输至第一反射镜，经第一反射镜反射传输至第一半反半透镜，一半样品信号透过第一半反半透镜传输至拉曼滤光片，透过拉曼滤光片并经聚焦透镜组聚焦后传输至信号检测仪，样品信号在信号检测仪内部分光，信号检测仪获取不同波长位置的拉曼光谱信息；

可见光光束与激光光束通过同一第一半反半透镜传输信号。

本发明所提供的显微激光拉曼光谱仪及其工作方法，通过采用无光纤耦合，避免了光纤耦合导致光信号损失，从而实现提高设备的灵敏度，同时提高检测效率；可见光光束与激光光束通过同一第一半反半透镜传输信号，可同时实现样品的可见光观测以及拉曼光谱信号的采集，还可实施观测激光光束照射在样品的具体位置，利于采集样品的拉曼光谱信号，提高设备灵敏度。

附图说明

此处的附图，示出了本发明所述技术方案的具体实例，并与具体实施方式构成说明书的一部分，用于解释本发明的技术方案、原理及效果。

除非特别说明或另有定义，不同附图中，相同的附图标记代表相同或相似的技术特征，对于相同或相似的技术特征，也可能会采用不同的附图标记进行表示。

图1是本发明实施例显微激光拉曼光谱仪中光路结构示意图。

图2是本发明实施例显微激光拉曼光谱仪的整体结构示意图。

图3是本发明实施例显微激光拉曼光谱仪的内部结构示意图。

附图标记说明：

10、可见光光源；11、第二半反半透镜；12、第一聚焦透镜；13、第二反射镜；14、光学镜头；15、成像相机；20、第一半反半透镜；30、第一反射镜；40、显微物镜；50、激光器；51、第三反射镜；52、第四反射镜；60、拉曼滤光片；70、信号检测仪；71、第二聚焦透镜；72、第三聚焦透镜；73、第五反射镜；80、载物平台；81、平台底座；82、载物台主体；83、升降机构；90、第一遮光门；91、第二遮光门。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面将参照说明书附图对本发明的具体实施例进行更详细的描述。

除非特别说明或另有定义，本文所使用的所有技术和科学术语与所属技术领域的技术人员通常理解的含义相同。在结合本发明的技术方案以现实的场景的情况下，本文所使用的所有技术和科学术语也可以具有与实现本发明的技术方案的目的相对应的含义。

除非特别说明或另有定义，本文所使用的“第一、第二…”仅仅是用于对名称的区分，不代表具体的数量或顺序。

除非特别说明或另有定义，本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

需要说明的是，当元件被认为“固定于”另一个元件，它可以是直接固定在另一个元件上，也可以是存在居中的元件；当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件，也可以是同时存在居中元件；当一个元件被认为是“安装在”另一个元件，它可以是直接安装在另一个元件，也可以是同时存在居中元件。当一个元件被认为是“设在”另一个元件，它可以是直接设在另一个元件，也可以是同时存在居中元件。

除非特别说明或另有定义，本文所使用的“所述”、“该”为相应位置之前所提及或描述的技术特征或技术内容，该技术特征或技术内容与其所提及的技术特征或技术内容可以是相同的，也可以是相似的。

毫无疑义，与本发明的目的相违背，或者明显矛盾的技术内容或技术特征，应被排除在外。

如图1所示，显微激光拉曼光谱仪，包括光谱仪主体，所述光谱仪主体顶部内设有可见光光路结构、激光光路结构以及样品信号光路结构；

可见光光路结构包括可见光光源10、第一半反半透镜20、第二半反半透镜11、第一反射镜30、显微物镜40、第一聚焦透镜12、第二反射镜13、光学镜头14以及成像相机15，其中，所述可见光光源10、第二半反半透镜11、第一半反半透镜20、第一反射镜30以及显微物镜40之间形成可见光输出路径，所述显微物镜40、第一反射镜30、第一半反半透镜20、第二半反半透镜11、第一聚焦透镜12、第二反射镜13、光学镜头14以及成像相机15之间形成可见光信号输入路径，所述显微物镜40位于第一反射镜30的下方；可见光光源10发射出可见光光束，可见光光束依次沿可见光输出路径传输至显微物镜40，显微物镜40将可见光光束聚焦在样品上；可见光信号通过显微物镜40依次沿可见光信号输入路径传输进入成像相机15里进行可见光信号成像，便于观察、确定待测样品的微区目标位置。

所述激光光路结构包括激光器50、第三反射镜51、第四反射镜52以及拉曼滤光片60，所述激光器50、第三反射镜51、第四反射镜52、拉曼滤光片60、第一半反半透镜20、第一反射镜30以及显微物镜40之间形成激光输出路径；激光光束发射出激光光束，并依次沿激光输出路径传输至显微物镜40，显微物镜40将激光光束聚焦在样品上。

所述样品信号光路结构包括第五反射镜73、信号检测仪70以及聚焦透镜组，所述显微物镜40、第一反射镜30、第一半反半透镜20、拉曼滤光片60、聚焦透镜组、第五反射镜73以及信号检测仪70形成样品信号输入路径；样品的拉曼光谱信号通过显微物镜40依次沿样品信号输入路径传输进入信号检测仪70，在信号检测仪70内部分光，获取不同波长位置的拉曼光谱信息。

其中，在本实施例中，可见光光路结构、激光光路结构以及样品信号光路结构均共用所述第一半反半透镜20，且可见光光路结构、激光光路结构以及样品信号光路结构均采用无光纤耦合。可见光光路结构、激光光路结构以及样品信号光路结构通过采用无光纤耦合，避免了光纤耦合导致光信号损失，从而实现提高设备的灵敏度，同时提高检测效率；且可见光光路结构、激光光路结构以及样品信号光路结构均共用第一半反半透镜20，在本实施例中，不需要通过设置拉杆切换半反半透镜以切换可见光光路以及激光光路，该设备可同时实现样品的可见光观测以及拉曼光谱信号的采集，还可实施观测激光光束照射在样品的具体位置，利于采集样品的拉曼光谱信号，提高设备灵敏度，整个光路结构无可移动部件，提高稳定性。

在本实施例中，采用发射785nm激光的激光器50，可以避开大部分样品的荧光信号。荧光是干扰拉曼光谱信号的最大因素，大部分样品的荧光在600-700nm的范围，采用785nm可以有效避开大部分荧光信号干扰，提高检测灵敏度。信号检测仪70采用阵列式ccd探测光谱仪，需说明的是，所述光谱仪主体是指整个显微激光拉曼光谱仪设备，信号检测仪70是用于获取拉曼光谱信息的，整台设备中的一个部件。在其余实施例中，由于灵敏度足够高，因此还可以采用无制冷型光谱仪，大大降低成本，且噪音小、无振动，利于提高光谱稳定性。

所述第一半反半透镜20、第二半反半透镜11以及第二反射镜13均与可见光光源10发出的可见光束呈第一预设角度设置，所述第一半反半透镜20、第二半反半透镜11以及第二反射镜13间间隔设置，所述第一聚焦透镜12位于第二半反半透镜11以及第二反射镜13之间，所述可见光信号通过第二反射镜13反射传输至光学镜头14。所述第三反射镜51与第四反射镜52均与激光器50发出的激光光束呈第一预设角度设置，所述激光光束依次通过第三反射镜51以及第四反射镜52反射传输至拉曼滤光片60。所述第五反射镜73与样品信号呈第二预设角度设置，所述第五反射镜73位于样品信号输入路径上聚焦透镜组的后方，所述样品信号通过第五反射镜73反射传输至信号检测仪70。在本实施例中，第一预设角度的取值范围为30°-35°，第二预设角度的取值范围为45°-50°。通过利用反射镜以及半反半透镜改变光路的传输方向，合理布置设备内可见光光路结构、激光光路结构以及样品信号光路结构的安装位置，节省设备空间，降低成本的同时，可避免信号路径信号传输受阻。

所述聚焦透镜组位于拉曼滤光片60与第五反射镜73之间，在本实施例中，所述聚焦透镜组包括第二聚焦透镜71以及第三聚焦透镜72，所述第二聚焦透镜71以及第三聚焦透镜72齐平设置，且所述第二聚焦透镜71以及第三聚焦透镜72之间间隔设置。样品拉曼光谱信号通过第二聚焦透镜71以及第三聚焦透镜72两次聚焦，保证样品拉曼光谱信号聚焦耦合成功。

如图2及图3所示，所述光谱仪主体上还设有载物平台80以及升降机构83，所述载物平台80与升降机构83连接，所述载物平台80位于显微物镜40的下方。所述载物平台80包括平台底座81以及载物台主体82，所述平台底座81上设有第一活动槽，所述第一活动槽沿光谱仪主体的x轴方向设置，所述载物台主体82与第一活动槽间活动连接。所述平台底座81上设有第二活动槽，所述第二活动槽沿光谱仪主体的y轴方向设置，所述载物平台80与升降机构83之间设有连接杆，且所述载物平台80通过连接杆与升降机构83连接，所述连接杆的其中一端与升降机构83固定连接，另一端与第二活动槽活动连接。样品放置于载物平台80的载物台主体82上，通过升降机构83调节载物平台80的z轴位置，沿xy轴方向移动载物台主体82，以调整样品至最佳焦点位置，便于观察样品的微区目标位置以及激光最佳聚焦点，利于提高灵敏度，提高检测效率。

所述光谱仪主体的外壳的两侧分别铰接有第一遮光门90以及第二遮光门91，所述第一遮光门90以及第二遮光门91均弯曲设置，当关闭所述第一遮光门90以及第二遮光门91时，所述第一遮光门90、第二遮光门91以及光谱仪主体的外壳间形成腔体，所述载物平台80、升降机构83以及显微物镜40均位于所述腔体内。第一遮光门90以及第二遮光门91的设置可有效遮挡外界光线，避免外界光线干扰，影响检测的正常进行，提高检测准确度。

所述第一遮光门90以及第二遮光门91上均固定有把手，两个所述把手对称齐平设置。把手的设置利于打开及关闭遮光门，将两个把手对称齐平设置有利于两个遮光门受力均匀，同时提高设备的美观程度。

本发明还提供显微激光拉曼光谱仪的工作方法，具体包括以下步骤：

开启可见光光源10，可见光光源10发射出可见光光束；

可见光光束照射至第二半反半透镜11上，并反射传输至第一半反半透镜20，通过第一半反半透镜20反射传输至第一反射镜30，第一反射镜30将可见光光束反射传输至显微物镜40上，显微物镜40将可见光光束聚焦至放置于载物平台80的样品上；

可见光信号通过显微物镜40传输至第一反射镜30，经第一反射镜30反射传输至第一半反半透镜20，一半的可见光信号通过第一半反半透镜20反射传输至第二半反半透镜11上，并透过第二半反半透镜11经第一聚焦透镜12聚焦至第二反射镜13上，经第二反射镜13反射传输至光学镜头14，进入成像相机15内进行白光信号成像；

开启激光器50，激光器50发射出激光光束；

激光光束通过第三反射镜51、第四反射镜52两次反射传输至拉曼滤光片60，经过拉曼滤光片60反射至第一半反半透镜20，透过第一反半透镜传输至第一反射镜30，第一反射镜30将激光光束反射传输至显微物镜40上，显微物镜40将激光光束聚焦至载物平台80的样品上；

控制升降机构83，调节载物平台80的高度，沿xy轴方向调整载物平台80至激光最佳焦点位置；

样品信号通过显微物镜40传输至第一反射镜30，经第一反射镜30反射传输至第一半反半透镜20，一半样品信号透过第一半反半透镜20传输至拉曼滤光片60，透过拉曼滤光片60并经聚焦透镜组聚焦至第五反射镜73，通过第五反射镜73反射传输至信号检测仪70，样品信号在信号检测仪70内部分光，信号检测仪70获取不同波长位置的拉曼光谱信息；

可见光光束与激光光束通过同一第一半反半透镜20传输信号。

本发明所提供的显微激光拉曼光谱仪，包括采用无光纤耦合的可见光光路结构、激光光路结构以及样品信号光路结构，避免了光纤耦合导致光信号损失，从而实现提高设备的灵敏度，同时提高检测效率；且可见光光路结构、激光光路结构以及样品信号光路结构均共用第一半反半透镜20，不需要通过设置拉杆切换半反半透镜以切换可见光光路以及激光光路，该设备可同时实现样品的可见光观测以及拉曼光谱信号的采集，还可实施观测激光光束照射在样品的具体位置，利于采集样品的拉曼光谱信号，提高设备灵敏度，整个光路结构无可移动部件，提高稳定性。

以上实施例的目的，是对本发明的技术方案进行示例性的再现与推导，并以此完整的描述本发明的技术方案、目的及效果，其目的是使公众对本发明的公开内容的理解更加透彻、全面，并不以此限定本发明的保护范围。

以上实施例也并非是基于本发明的穷尽性列举，在此之外，还可以存在多个未列出的其他实施方式。在不违反本发明构思的基础上所作的任何替换与改进，均属本发明的保护范围。