基于转动滤光片波长连续可调的显微拉曼系统

技术领域

本发明涉及共振拉曼领域，尤其是涉及一种新型的激发波长连续可调的基于转动滤光片波长连续可调的显微拉曼系统。

背景技术

由于大多数样品拉曼散射的发生概率小且信号弱，通常是瑞利散射的10

对于前一类采用光学滤光片方式的光谱仪，滤光片在光路中有两个重要的作用：一是衰减信号光中瑞利光强的作用；二是在激光的引入和拉曼信号光的引出上起到二向色镜的作用。滤光片的二向色镜功能使得光谱仪在应用到180度拉曼信号采集方式的显微拉曼系统时，对激光和拉曼信号光的光强度均损失较小，因而检测灵敏度相对较高。而该类光谱仪的缺点是在改变激发波长时需要更换对应的滤光片模块，因此无法适用于激发波长连续可调的情况。

对于后一类多级联式的光谱仪，是目前可适用于激发波长连续可调的光谱仪系统,然而多级光谱仪存在光路系统庞大造价高、光路复杂信号光损耗显著等问题，而导致检测灵敏度低的缺点，另外，在应用到180度拉曼信号采集方式的显微拉曼系统时，激光的引入和拉曼信号光的引出需要使用半透半反分光镜来实现，从而造成激光和拉曼信号光强度各损失一半，因此，检测灵敏度进一步严重衰减。

虽然早在多年前，美国Semrock公司就已经研发出了截止波长可连续调谐的滤光片，国内也有科研课题组将此滤光片应用于他们的波长可调谐系统中(Liu,X.-L.；Tan,P.-H.,Rev.Sci.Instrum.2017,88(8),083114.)，然而，该系统的设计无法将滤光片应到激光光路中，来实现低损耗的激光的引入和拉曼信号光的引出，采用一个额外的半透半反分光镜来替代二向色镜，这样势必造成信号光强度衰减到四分之一的情况。造成这种可调谐滤光片无法运用于激光的引入和拉曼信号光的引出的原因是：滤光片在改变截止波长时需要转动滤光片的入射角度，导致激光在滤光片上的反射方向也相应改变，而拉曼显微镜要求激光光束的方向和位置都是沿光轴恒定不变的，因此，传统的滤光片型拉曼显微镜无法使用需要转动的可调谐滤光片来获得适用于激发波长连续可调的功能。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术存在的上述问题，提供运用反射镜和滤光片一体联动的独特光路系统，使得在转动滤光片角度改变滤光波长的同时，激光光束和散射信号光束的方向和位置均保持不变，从而获得适用于激发波长连续可调且光损耗极低的基于转动滤光片波长连续可调的显微拉曼系统。

本发明设有：

一台波长连续可调激光器，用于输出不同波长的单色激光；

一片反射镜，用于联动滤光片，在滤光片转动的同时，不改变光路原有的方向和位置；

一片滤光片，为波长可调谐长波通滤光片，通过转动滤光片改变其与入射光之间的夹角，截止透射不同波长的激光；

一个转台，用于将反射镜和滤光片以固定夹角垂直固定在转台上一同转动，当反射镜和滤光片所在平面的相交线与转台的转轴相重合时，入射面垂直于转轴的光线将有恒定不变的出射光线；

一个消色差聚光透镜，用于聚焦拉曼散射光并引入光谱仪。

一台光谱仪，用于将拉曼散射光分光记录并转换成电子数字信号得出拉曼光谱图。

波长连续可调激光器发射的激光依次入射经过转台上的反射镜和滤光片，再引入到显微镜中的物镜，经物镜聚焦到待测样品上；待测样品上的散射光经物镜收集后呈准直光束原路返回，经过滤光片滤除激光瑞利线，再通过消色差聚光透镜聚焦到光谱仪中。

所述消色差聚光透镜可替换为凹面反射镜。

所述反射镜和滤光片固定在转台上一体转动，转台的转轴与反射镜和滤光片所处两平面的相交线重合。

所述转台的转轴与激光光束在反射镜和滤光片上的入射面均垂直。

所述一体转动是指转动转台时滤光片反射出的激光光束的方向和位置不发生改变。

所述滤光片的截止波长略大于激发波长。

波长连续可调，可以任意选择波长连续可调激光器输出的一条拉曼测试激发波长，选用截止波长可调范围涵盖该波长的滤光片，转动转台使得滤光片截止波长略大于该激发波长进行拉曼测试。

本发明具有以下突出的优点和技术效果：

1、本发明利用一片反射镜跟随滤光片一体联动的特殊光路系统，达到转动光学元件而光路不动的效果，在滤光片转动时，引入的激光和引出的信号光两光束的方向恒定不变，从而实现拉曼信号光通量损耗极低的波长可调谐拉曼系统。波长可调谐长波通滤光片可同时应用于激光的引入和拉曼信号光的引出，且在转动调节滤光片时光路保持不动，从而获得适用于激发波长连续可调且光损耗极低的显微拉曼光路系统。

2、本发明的光路结构使得滤光片在激光的引入上起到二向色镜的作用，使得在180度拉曼信号采集方式的显微拉曼系统中，不需要额外加入一个分光镜来实现激光的引入和信号的引出，从而避免激光和拉曼信号光强度平均各损失一倍，因此在激光功率和光谱仪参数同等水平的条件下本发明的拉曼光谱仪系统可将检测灵敏度提高4倍。

附图说明

图1为本发明实施例的基于转动滤光片波长连续可调的显微拉曼系统结构组成示意图。

图2为图1的等效光路图。

具体实施方式

以下实例将结合附图对本发明作进一步的说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，不用于限定本发明。

参见图1，图中标记1是波长连续可调激光器，2是转台，3是反射镜，4是波长可调谐长波通滤光片，5是显微镜，6是物镜，7是消色差聚光透镜，8是光谱仪；

本发明实施例设有：

一台波长连续可调激光器1，输出不同波长的单色激光。

一个转台2，将反射镜和滤光片以固定夹角垂直固定在转台上一同转动，可用几何证明，当二者所在平面的相交线与转台的转轴相重合时，入射面垂直于转轴的光线将有恒定不变的出射光线。

一片反射镜3，联动滤光片，在滤光片转动的同时，不改变光路原有的方向和位置。

一片波长可调谐长波通滤光片4，通过转动滤光片改变其与入射光之间的夹角，截止透射不同波长的激光。

一个消色差聚光透镜7，用于聚焦拉曼散射光并引入光谱仪。

一台光谱仪8，将拉曼散射光分光记录，转换成电子数字信号得出拉曼光谱图。

反射镜3和滤光片4以固定夹角垂直固定在转台2上，并确保反射镜3和滤光片4二者所在平面的相交线与转台2的转轴相重合。波长连续可调激光器1发射出的激光光束，被反射镜3反射后，入射到滤光片4上，适当转动转台使得滤光片截止波长略大于激光波长，从而激光被反射引入到显微镜5中的物镜6里，经物镜6聚焦到待测样品上，样品散射光经物镜6收集后呈准直光束，通过滤光片4滤除散射光中的激光瑞利线后，经消色差聚光透镜7聚焦到光谱仪8中，经光电转化输出拉曼光谱数据。

参见图2，当改变激光器1输出的激发波长时，相应转动转台2，使得滤光片4的截止波长略大于激发波长，由于转动过程滤光片4所反射的激光的位置与方向保持不变。因此聚焦在样品上的光斑位置始终保持不变，从而实现对待测样品激发波长连续可调的拉曼检测。