拉曼光谱装置的制作方法

本发明涉及光谱分析领域，具体涉及一种拉曼光谱装置。

背景技术：

由于物质的拉曼散射信号很弱，其信号强度是瑞利散射信号强度的百万分之一。因此，为提高拉曼光谱检测的精度和灵敏度，拉曼光谱装置一方面需要尽可能减少瑞利散射光进入光谱仪，另一方面需要尽可能的提高拉曼散射信号的收集、利用效率。通常采用高品质的滤光片减小瑞利散射光，但是高品质的滤光片的成本过高，无法进行大规模推广；或者在输出端用由多根光纤捆绑组成的光纤束代替单根光纤来增大拉曼散射光的收集面积，或是采用多个收集通道，通过多角度、多通道来提高拉曼散射的收集效率，但是想要获得较大的收集面积，需要将被测样品的激发区域放大，与之相应的会聚透镜和耦合透镜的焦距都要随之增大，必将会增大整个拉曼装置的体积，而多通道多角度的收集方式明显也不利于系统的小型化，其装配调试也更加复杂。

技术实现要素：

因此，为了克服上述现有技术的缺点，本发明提供了一种结构简单、设计合理、使用方便的拉曼光谱装置。

为了实现上述目的，本发明提供一种拉曼光谱装置，包括激光器、扩束准直镜头、第一带通滤光片、汇聚镜头、第二带通滤光片、可调谐滤波器以及光谱仪，所述激光器发出激光；所述扩束准直镜头对所述激光进行准直；所述第一带通滤光片位于所述激光的光路上，纯化所述激光；所述汇聚镜头将激光聚焦到待测样品激发拉曼散射光，并将所述拉曼散射光进行准直；所述第一带通滤光片对所述汇聚镜头准直后的所述拉曼散射光进行过滤，去除所述拉曼散射光中的瑞利散射光；所述第二带通滤光片对所述拉曼散射光中的瑞利散射光进行二次去除，并将所述拉曼散射光进行传输；所述可调谐滤波器对传输的所述拉曼散射光进行调谐，所述可调谐滤波器具有可旋转的旋转滤光片，旋转滤光片的旋转角度范围为0～70°，所述可调谐滤波器的波长调谐公式为m是干涉维次，n是滤光片间隔层的折射率，d是滤光片间隔层的物理厚度，n0是透明液体折射率，θ0是在透明液体中的入射角；所述光谱仪收集调谐后的所述拉曼散射光，生成拉曼信号。

在一个实施例中，所述可调谐滤波器包括：壳体，具有容纳腔，两端设置有用于让所述入射光通过的透明部分；透明液体，填充在所述壳体内的容纳腔内，折射率大于1，用于调整对所述入射光的波长变化范围；以及旋转滤光片，设置在所述容纳腔内，通过转轴固定在所述壳体上并由其带动旋转的，用于对分光后的入射光进行调谐得到调谐光。

在一个实施例中，所述透明液体为水或硅油。

在一个实施例中，所述光谱仪包括：光谱调制板，对光学系统传输后的光进行调制；阵列传感器，对调制后的所述光进行响应，生成光电响应，对所述光电响应进行数据处理，获得所述光的光谱分布信息。

在一个实施例中，所述阵列探测器的像元的光电响应受到调制，使得所述阵列探测器的不同的像元对于所研究的光谱范围内的光具有不同的光电响应曲线。

在一个实施例中，所述像元上设置有透射率响应连续变化的膜层，使得不同像元具有一一对应的光谱透射率。

在一个实施例中，所述膜层采用镀膜的方式形成。

在一个实施例中，所述光谱调制板是采用离子注入、离子交换或者印刷中的任意一种方式形成的。

在一个实施例中，所述光谱仪包括：阵列传感器，对光学系统传输后的光进行响应，生成光电响应，对所述光电响应进行数据处理，获得所述光的光谱分布信息，其中，所述阵列传感器上设置有像元，所述阵列传感器上设置有膜层，使得所述阵列探测器的不同的像元具有一一对应的光谱透射率，让所述阵列传感器对于所研究的光谱范围内的光具有不同的光电响应曲线。

与现有技术相比，本发明的优点在于：通过第一带通滤光片和第二带通滤光片在保持了拉曼光的基础上，对瑞利散射光进行过滤衰减，使光谱识别灵敏度提高，而且识别设备结构简单、体积小、成本低、便携性提高；并通过可调谐滤波器拓展单一通道的工作波段，使得波长变化范围可以达到在80nm～120nm内的工作范围，进一步使系统结构得到简化，性能得到提高，成本得到降低。

附图说明

图1是本发明的实施例中拉曼光谱装置的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

如图1所示，拉曼光谱装置100包括包括激光器10、扩束准直镜头20、第一带通滤光片30、汇聚镜头40、第二带通滤光片50、可调谐滤波器70以及光谱仪60。

激光器10发出激光。激光器10可以选用光纤输出的窄线宽半导体激光器。

扩束准直镜头20对激光进行准直。扩束准直镜头20可以是单透镜、复合透镜组、消色差物镜、平场物镜、菲涅尔透镜中的一种。在本实施例中，扩束准直镜头20是球面透镜。

第一带通滤光片30位于激光的光路上，可以纯化激光，还可以对汇聚镜头准直后的拉曼散射光进行过滤，去除拉曼散射光中的瑞利散射光。第一带通滤光片30可以是窄带带通滤光片nbpf(narrowbanapassfilter)。第一带通滤光片30采用光波干涉原理制备得到，窄带带通滤光片对中心波长λ0±2δλ0.1附近光谱进行透射。δλ0.1是半宽度，表示是透射峰为峰值10％处通带的波长宽度。δλ0.1/λ0＝0.1。

汇聚镜头40将激光聚焦到待测样品1激发拉曼散射光，并将拉曼散射光进行准直。汇聚镜头40可以是单透镜、复合透镜组、消色差物镜、平场物镜、菲涅尔透镜中的一种。在本实施例中，汇聚镜头40是球面透镜。

第二带通滤光片50对拉曼散射光中的瑞利散射光进行二次去除，并将拉曼散射光进行传输。第二带通滤光片50可以是窄带带通滤光片。在本实施例中，第一带通滤光片30和第二带通滤光片50为同一窄带带通滤光片。

可调谐滤波器70传输的拉曼散射光进行调谐，使调谐后的拉曼散射光的波长变化范围在80nm～120nm内。可调谐滤波器70包括壳体71、透明液体72和旋转滤光片73。旋转滤光片的旋转角度范围为0～70°，调谐滤波器70的波长调谐公式为m是干涉维次，n是滤光片间隔层的折射率，d是滤光片间隔层的物理厚度，n0是透明液体折射率，θ0是在透明液体中的入射角。

壳体71具有容纳腔，两端设置有用于让入射光通过的透明部分。壳体的两端可以全部为透明部分，也可以在与入射光的光路匹配的位置处设置为透明。

透明液体72填充在壳体内的容纳腔内，折射率大于1，用于调整对入射光的波长变化范围。不同液体可以调谐不同波长波段的入射光，通过更换液体可以调整入射光的波长变化范围。透明液体可以为水、硅油等，优选硅油。因为硅油的粘度随温度变化小，所以旋转滤波片的转动受到外界温度等的影响也小，能够适应更多的应用环境。

旋转滤光片73设置在容纳腔内，通过转轴固定在壳体上并由其带动旋转的，用于对分光后的入射光进行调谐得到调谐光。旋转滤光片的旋转角度范围为0～70°，窄带干涉滤光片的透射带中心波长λ0满足ndcosθ＝2mλ0，m＝1,2,···；nsinθ＝n0sinθ0，所以m是干涉维次，n是滤光片间隔层的折射率，d是滤光片间隔层的物理厚度，n0是透明液体折射率，θ0是在透明液体中的入射角。根据可知，随着θ0的增加，中心波长λ0减小，从而实现了中心波长的调节。θ0的变化范围是受限的，0≤θ0≤θ0m，θ0m＜π/2。对应的中心波长λ0的调节范围为在θ0m确定的条件下，可以通过调节可调谐滤波器中的透明液体的折射率拓宽中心波长的范围。

光谱仪60收集拉曼散射光，生成拉曼信号。光谱仪60可以是由阵列探测器构成的。

拉曼光谱装置的工作流程如下：

激光器10发出的激发光通过扩束准直镜头20准直后经过第一带通滤光片30后经汇聚镜头40打在样品上，样品产生拉曼散射，汇聚镜头40接收一部分散射光并准直后射向第一带通滤光片30。第一带通滤光片30将大部分瑞利散射透过，余下约0.1％的瑞利散射能量与拉曼散射一起反射到第二带通滤光片50，第二带通滤光片50反射拉曼光而将余下的瑞利散射损耗掉，两次反射后瑞利光衰减到约10^-6，而拉曼光未受衰减。拉曼散射光打到光谱仪60上产生相应的光电信号，光电信号经过相应计算可以得到光谱信息，从而实现了拉曼信号的获取。

上述拉曼光谱装置中，通过第一带通滤光片和第二带通滤光片在保持了拉曼光的基础上，对瑞利散射光进行过滤衰减，使光谱识别灵敏度提高，而且识别设备结构简单、体积小、成本低、便携性提高；并通过可调谐滤波器拓展单一通道的工作波段，使得波长变化范围可以达到在80nm～120nm内的工作范围，进一步使系统结构得到简化，性能得到提高，成本得到降低。

在另一个实施例中，转轴可以由电机带动连续旋转，或采用手动带动。

通过转轴带动滤光片旋转就可以改变滤光片和光束的夹角，从而改变透射光波长，结构简洁、稳定，且对结构强度要求低。

在另一实施例中，光谱仪60可以是由阵列探测器构成的，其中阵列探测器的像元的光电响应受到调制，使得阵列探测器的不同的像元对于在所研究的光谱范围内的光具有不同的光电响应曲线。

光谱仪60的光电响应可以用表示，e(i)是输出的光电响应，e(i,λ)是第i个像元与入射波长为λ的单色光一一对应的光电响应，i＝1,2,…n，n是像元数，i(λ)为入射光强，λ是入射光的波长，λ1≤λ≤λ2，λ1是输入光的最小波长，λ2是输入光的最大波长。当i1≠i2时，函数e(i1,λ)≠函数e(i2,λ)，i1,i2＝1,2,…n，e(i1,λ)是第i1个像元与入射波长为λ的单位强度的单色光对应的光电响应函数,e(i2,λ)是第i2个像元与入射波长为λ的单位强度的单色光对应的光电响应函数。

光谱仪60可以包括光谱调制板61和阵列传感器62。

光谱调制板61对入射光进行调制。光谱调制板61的透射率不恒为0。光谱调制板61的透射率(或反射率)随空间位置和光的波长按照规定的方式变化。光谱调制板调制的方式可以用镀膜的方式，但不局限于镀膜，还可以采用其他方式如采用离子注入、离子交换或者印刷等中的任意一种方式形成的。

当光谱调制板采用镀膜方式制备时，光谱调制板可以通过调整镀膜的厚度调制光谱调制板的透射率(或反射率)。

阵列传感器62对光谱调制板61调制后的入射光进行响应，生成光电响应。阵列传感器62可以是常见的cmos或ccd芯片。cmos(或ccd)芯片设置有多个相互之间独立产生光电响应的像元621。像元621上也可设置有透射率响应连续变化的膜层，使得不同像元具有一一对应的光谱透射率。其中，光谱探测装置中上各个像元621对接受到的光的光电响应输出为i＝1,2,……n，n为像元数，i(λi)是待测光在波长λj处的强度分布。

光谱调制板和阵列传感器上的膜层均可以采用化学镀膜或物理镀膜等的方式的生成，阵列传感器中各个像元最终测得的光谱分布符合下述公式：

i(λj)＝[e(i,λj)]^-1[e(i)]，

其中，e(i,λj)是第i个像元与入射波长为λj单位强度的单色光对应的光电响应，

[e(i,λj)]^-1是[e(i,λj)]的逆矩阵，

e(i)是输出的光电响应。

在另一实施例中，光谱仪60可以仅包括阵列传感器，该阵列传感器可以在各个像元上设置有涂层，使得各个像元的光电响应满足上述一一对应的光谱响应关系；该传感器也可以在光谱探测装置的窗口上设置涂层，使得窗口下方的像元输出与一一对应的光谱响应对应的光谱信息。可以采用光学镀膜或光刻的方式在像元上生成膜层。

也可以在光谱探测装置的传感器入射光进入的窗口上采用光学镀膜的方式或其他方式涂覆上透射率响应连续变化的膜层，保证其后面的不同像元具有一一对应的光谱透射率。光谱透射率函数与像元本身的光谱响应函数的乘积决定了器件的光谱响应矩阵。

不同像元与不同波长的入射光具有一一对应的光谱透射率，且不同像元对于在所研究的光谱范围内的单色光具有不同的透射率曲线，因而不同像元对于在所研究的光谱范围内的单色光具有不同的光电响应曲线。

上述拉曼光谱装置中，光谱仪的光谱分辨率仅与像元数有关，像元数越高，光谱分辨率也就越高。但是光谱分辨率与像元的体积、探测器的体积关系不大，因而，获取光谱的方式也不需要复杂的光学系统。本实施例的拉曼光谱装置结构简单，且光谱仪中的分光器件仅是一个已对像元的光谱响应调制过的阵列光谱探测器件，体积可以根据需要设置，且没有任何运动部件，结构牢固紧凑，制作过程也很简单。而且，在工作时每个像元都可以接收所有波长的光，并生成光电响应，所以，在同一情况下，拉曼光谱装置可分析的光通量远高于现有设备可分析的光通量，利于对入射光中弱信号的检测分析。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。