一种高灵敏度拉曼光谱探测系统

技术领域

本发明涉及光谱仪，特别涉及一种高灵敏度拉曼光谱探测系统。

背景技术

拉曼光谱(Raman spectra)，是一种散射光谱。拉曼光谱分析法是基于印度科学家C.V.拉曼(Raman)所发现的拉曼散射效应，对与入射光波长不同的散射光谱进行分析以得到分子振动、转动方面信息，并应用于分子结构研究的一种分析方法。随着激光技术的发展，拉曼光谱技术越来越多地被用来检测各种物质。由于不同的分子具有特定的的振动和转动能级，当某一波长的激光与某一物质分子发生散射时，一部分激光光子与物质分子发生能量交换。发生能量交换后，激光光子波长改变。由于不同的振动和转动能级与激光光子波长改变一一对应，因而通过分析散射后激光光谱便可以确定分子的振动或转动能级差，并根据这些能级差分析出发生散射的分子是那种物质。正如通过指纹可以确定指纹的主人，通过拉曼光谱便可以确定分子的种类。同时，通过拉曼光谱的强度可以确定该分子的浓度。近年来，随着激光器、探测器、滤光片等光学器件的日趋成熟，拉曼光谱仪在国内外得到飞速发展。

然而，拉曼光谱技术大多只局限于高纯度固体和液体检测。对于少有的用于固体、液体中痕量物质和气体检测的拉曼光谱仪，其感光元器件大多采用价格极其昂贵的ICCD(增强电荷耦合器件)或像增强器，由于其价格高达数十万元，因而应用难以普及。常用的拉曼表面增强技术，通过一片表面周期阵列纳米结构的增强芯片来增强拉曼信号，可以对一些样品进行痕量检测。然而，增强芯片只对与一部分物质有增强效果，并且多为一次性，难以形成稳定的工业产品。

发明内容

本发明提出了一种高灵敏度拉曼光谱探测系统，能够用于固体、液体、气体检测。本装置采用反射镜替代传统的二向色镜，降低成本的同时减少了激光瑞利散射干扰；采用点转线的光纤束接收拉曼光，提升了系统灵敏度；同时，采用镜头对拉曼光进行准直和聚焦，有效提升了光谱分辨率；此外，采用狭缝与光电倍增管相结合的方式进行光谱探测，能够进行气体拉曼光谱分析和痕量物质的拉曼光谱检测。

本发明的技术方案为：一种高灵敏度拉曼光谱探测系统。

本发明的装置包括：激光器、反射镜、第一透镜、探测点、凹面反射镜、滤光片、第二透镜、第一光纤端面、第二光纤端面、第一镜头、光栅、棱镜、第二镜头、狭缝、光电倍增管。激光器出射激光经反射镜反射后，由第一透镜聚焦于探测点，探测点处样品可以是气体、液体、固体，探测点处样品受到激光激发后产生拉曼光被第一透镜收集后准直，由滤光片滤除激光后，由第二透镜聚焦于第一光纤端面。拉曼光从第二光纤端面出射后由第一镜头准直后入射光栅，光栅在水平方向将不同波长拉曼光衍射至不同角度，后由棱镜将不同波长拉曼光进一步分离，由第二镜头将不同波长即不同角度入射的拉曼光聚焦于其焦平面上。特定波长拉曼光透过狭缝后由光电倍增管接收。狭缝位于第二镜头焦平面上，狭缝与光电倍增管组成的模块可沿水平方向移动，以选取不同波长。狭缝与光电倍增管组成的模块也可由高灵敏度探测器，如ICCD、sCOMS等代替。

第一光纤端面为蜂窝状光纤束，而第二光纤端面为一字形紧密排列的光纤束，二者组成的光纤束可以由1-100根光线组成。棱镜相对于光栅可以成特定角度从而激光对应波长被全反射，以避免激光对于拉曼光信号干扰。棱镜不透光面和上下底面均涂有消光漆，用以吸收杂散光。针对气体和液体样品，探测点后方放置凹面反射镜，用以将探测点处产生的拉曼光二次反射至探测点后被第一透镜收集，同时，凹面反射镜反射激光并二次聚焦于探测点从而产生拉曼光，这样，凹面反射镜可以将拉曼信号提升至近四倍。

本发明的有益效果在于：

1.采用点转线的光纤束接收拉曼光，提升了系统灵敏度；

2.采用镜头对拉曼光进行准直和聚焦，有效提升了光谱分辨率；

3.采用凹面反射镜针对激光与拉曼光进行二次反射提升了系统灵敏度；

4.采用棱镜针对拉曼光进行二次分离并利用全反射进一步滤除激光瑞利干扰；

5.采用反射镜替代传统的二向色镜，降低成本的同时减少了激光瑞利散射干扰；

6.采用狭缝与光电倍增管相结合的方式进行光谱探测，能够气体拉曼光谱分析和痕量物质的拉曼光谱检测。

附图说明

图1为本发明的实施方式的装置结构示意图；

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

本发明的实施方式，装置如图1所示：激光器1、反射镜2、第一透镜3、探测点4、凹面反射镜5、滤光片6、第二透镜7、第一光纤端面8、第二光纤端面9、第一镜头10、光栅11、棱镜12、第二镜头13、狭缝14、光电倍增管15。激光器1出射激光经反射镜2反射后，由第一透镜3聚焦于探测点4，探测点4处样品可以是气体、液体、固体，探测点4处样品受到激光激发后产生拉曼光被第一透镜3收集后准直，由滤光片6滤除激光后，由第二透镜7聚焦于第一光纤端面8。拉曼光从第二光纤端面9出射后由第一镜头10准直后入射光栅11，光栅11在水平方向将不同波长拉曼光衍射至不同角度，后由棱镜12将不同波长拉曼光进一步分离，由第二镜头13将不同波长即不同角度入射的拉曼光聚焦于其焦平面上。特定波长拉曼光透过狭缝14后由光电倍增管15接收。狭缝14位于第二镜头13焦平面上，狭缝14与光电倍增管15组成的模块可沿水平方向移动，以选取不同波长。狭缝14与光电倍增管15组成的模块也可由高灵敏度探测器，如ICCD、sCOMS等代替。

如图1所示，第一光纤端面8为蜂窝状光纤束，而第二光纤端面9为一字形紧密排列的光纤束，二者组成的光纤束可以由1-100根光线组成。棱镜12相对于光栅11可以成特定角度从而激光对应波长被全反射，以避免激光对于拉曼光信号干扰。棱镜12不透光面和上下底面均涂有消光漆，用以吸收杂散光。针对气体和液体样品，探测点4后方放置凹面反射镜5，用以将探测点4处产生的拉曼光二次反射至探测点4后被第一透镜3收集，同时，凹面反射镜5反射激光并二次聚焦于探测点4从而产生拉曼光，这样，凹面反射镜5可以将拉曼信号提升至近四倍。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。