專利名稱：擴(kuò)展截止濾光片工作波長的結(jié)構(gòu)及其使用方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光譜分析技術(shù)領(lǐng)域，特別提供了一種可以擴(kuò)展截止濾光片工作波長的結(jié)構(gòu)，以及這種結(jié)構(gòu)的使用方法。
背景技術(shù)：
拉曼散射是光與物質(zhì)非彈性散射的一種現(xiàn)象，基于這一現(xiàn)象的拉曼光譜儀是現(xiàn)代重要的光譜分析技術(shù)，已經(jīng)在固體物理、半導(dǎo)體物理、催化、表面、生物化學(xué)、材料表征和寶石鑒定等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用，憑借它可獲得許多有關(guān)物質(zhì)結(jié)構(gòu)的重要信息。與中子散射等其它實驗手段相比較，拉曼散射具有諸多優(yōu)點(diǎn)，例如，對樣品無損傷，所需樣品極少，并可以利用顯微光路系統(tǒng)對樣品進(jìn)行微區(qū)檢測，實驗裝置簡便等，因而日益受到科研工作者的重視。
傳統(tǒng)的大型拉曼譜儀主要用相當(dāng)于兩個或三個單色儀串聯(lián)，通過多次分光作用，以達(dá)到最大的光譜分辨率。但是，這種拉曼譜儀的體積龐大，操作非常不方便，不僅光譜透過率較低，而且價格昂貴。由于這個原因，很多科研單位也采用單聯(lián)單色儀的小型微區(qū)拉曼光譜儀。該譜儀可以用陷波濾波器或截止濾光片濾掉強(qiáng)的瑞利信號。這種小型譜儀結(jié)構(gòu)緊湊，操作簡單，價格相對較低，因而在科研工作中得到很大的推廣。對于這樣的小型譜儀，陷波濾波器或截止濾光片是最關(guān)鍵的部件之一。陷波濾波器能濾掉其工作波長附近的瑞利散射信號，而在Stokes和anti-Stokes兩側(cè)的信號都具有很高的透過率。但是，陷波濾波器的工作波長會隨著時間的延長而向長波方向移動，這使得陷波濾波器的使用壽命相對比較短，只能使用數(shù)年。與陷波濾波器不同的是，截止濾光片能濾掉比其工作波長短的所有光學(xué)信號，而在Stokes一側(cè)的信號卻具有很高的透過率。相對于陷波濾波器來說，截止濾光片的光學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，其工作波長不隨時間的改變而改變，非常穩(wěn)定。這使得截止濾光片在小型微區(qū)拉曼光譜儀中越來越得到廣泛的使用。
截止濾光片都有特定的工作波長。如果為小型微區(qū)拉曼光譜儀配備的激光器具有數(shù)條激光線，要利用這些激光線激發(fā)材料的拉曼譜，原則上需要相應(yīng)數(shù)目的不同工作波長的截止濾光片。目前截止濾光片的價格還比較昂貴，使得截止濾光片的使用成本比較高。如何改變截止濾光片的工作波長來降低截止濾光片的使用成本，是目前推廣小型微區(qū)拉曼光譜儀待解決的最關(guān)鍵問題之一。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種擴(kuò)展截止濾光片工作波長的結(jié)構(gòu)，并介紹了此結(jié)構(gòu)的使用方法。利用此結(jié)構(gòu)，截止濾光片的工作波長能向短波方向擴(kuò)展40到70納米，大大降低了截止濾光片的使用成本。
本發(fā)明一種擴(kuò)展截止濾光片工作波長的結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)包括底板、截止濾光片、光學(xué)晶片組、晶片固定器和它們的轉(zhuǎn)動裝置。截止濾光片和光學(xué)晶片組固定在晶片固定器上，并安裝在轉(zhuǎn)動裝置上，通過轉(zhuǎn)動裝置調(diào)節(jié)截止濾光片和光學(xué)晶片組的工作角度，使得截止濾光片和光學(xué)晶片組按相反方向轉(zhuǎn)動一定的角度，而又不使得信號光沿傳播方向穿過這種擴(kuò)展截止濾光片工作波長的結(jié)構(gòu)后發(fā)生任何改變。
所述的擴(kuò)展截止濾光片工作波長的結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)動裝置安放在底板上，截止濾光片和光學(xué)晶片組用晶片固定器固定并安裝在轉(zhuǎn)動裝置上。
所述的擴(kuò)展截止濾光片工作波長的結(jié)構(gòu)，光學(xué)晶片組是根據(jù)截止濾光片的光學(xué)性質(zhì)所設(shè)計的在折射率和厚度上與截止濾光片不一定相同，但要與截止濾光片的光學(xué)性質(zhì)相匹配，利用轉(zhuǎn)動裝置把截止濾光片和光學(xué)晶片組按相反方向轉(zhuǎn)動一定的角度后，入射激光入射到截止濾光片，經(jīng)截止濾光片折射后穿過光學(xué)晶片組，由截止濾光片折射導(dǎo)致的側(cè)向平移得到光學(xué)晶片組折射的補(bǔ)償，使得出射光線的方向與入射光線一致。
所述的擴(kuò)展截止濾光片工作波長的結(jié)構(gòu)，光學(xué)晶片組可以由不同的光學(xué)材料組合而成的晶片組，也可以是單一的光學(xué)晶片。
所述的擴(kuò)展截止濾光片工作波長的結(jié)構(gòu)，截止濾光片和光學(xué)晶片組初始時平行排列，所述轉(zhuǎn)動裝置可以使截止濾光片和光學(xué)晶片組按相反方向轉(zhuǎn)動一定的工作角度。
所述的擴(kuò)展截止濾光片工作波長的結(jié)構(gòu)，如果對出射光的側(cè)向平移沒有要求，該裝置將不包括光學(xué)晶片組。
本發(fā)明一種擴(kuò)展截止濾光片工作波長的結(jié)構(gòu)的使用方法，通過轉(zhuǎn)動裝置調(diào)節(jié)截止濾光片和光學(xué)晶片組的工作角度，截止濾光片的工作波長能向短波方向移動，從而擴(kuò)展了截止濾光片的工作波長。
所述的擴(kuò)展截止濾光片工作波長的結(jié)構(gòu)的使用方法，通過轉(zhuǎn)動裝置調(diào)節(jié)截止濾光片的工作角度，來擴(kuò)展調(diào)節(jié)截止濾光片的工作波長。
本發(fā)明可應(yīng)用于激光拉曼光譜及熒光光譜等光譜技術(shù)中。
下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明的技術(shù)方案做進(jìn)一步的詳細(xì)說明如后，其中


圖1是利用工作波長為514.5nm的截止濾光片所測得的晶體硅的拉曼光譜。
圖2是我們設(shè)計的擴(kuò)展截止濾光片工作波長的結(jié)構(gòu)簡圖。
圖3是光學(xué)晶片組的設(shè)計要求圖。
圖4是將工作波長為514.5nm的截止濾光片安裝在本發(fā)明結(jié)構(gòu)上，調(diào)節(jié)其工作角度后，分別用氬離子激光器的497.5nm、488.0nm、476.5nm和457.9nm等激光激發(fā)晶體硅所測得的拉曼光譜。
具體實施例方式
截止濾光片作為小型微區(qū)拉曼譜儀最關(guān)鍵的部件之一，為小型微區(qū)拉曼譜儀的推廣使用起到了決定性作用。沒有截止濾光片等光學(xué)元件濾除掉信號光中的瑞利散射信號，利用微區(qū)拉曼譜儀就不能測得樣品的拉曼光譜。例如，圖1就給出了利用工作波長為514.5nm的截止濾光片和514.5nm的激光激發(fā)晶體硅所測得的拉曼光譜。通常情況下，為了獲取更多波長激光激發(fā)的拉曼譜，為每一條激光線配備相應(yīng)工作波長的截止濾光片是必不可少的。目前截止濾光片昂貴的價格又使得科研工作者沒有足夠經(jīng)費(fèi)購買各種工作波長的截止濾光片而嚴(yán)重影響了他們的科研工作。
我們設(shè)計的擴(kuò)展截止濾光片工作波長的結(jié)構(gòu)如圖2所示。該結(jié)構(gòu)包括底板Base、截止濾光片N、光學(xué)晶片組C、晶片固定器CH1和轉(zhuǎn)動裝置。晶片固定器CH1用來固定截止濾光片N和光學(xué)晶片組C，截止濾光片N和光學(xué)晶片組C安裝在晶片固定器CH1的通孔之內(nèi)。
下面詳細(xì)說明光學(xué)晶片組的要求。我們假設(shè)截止濾光片N的有效折射率n1，厚度為d1，截止濾光片N外面介質(zhì)的折射率為n0。當(dāng)信號光穿過截止濾光片N后，由于截止濾光片N內(nèi)外的折射率不一樣，信號光經(jīng)過截止濾光片N后光線將發(fā)生平移，光線偏離小型微區(qū)拉曼譜儀的共焦孔，而使得探測器測不到拉曼信號。為了避免這種情況，我們設(shè)計了一個光學(xué)晶片組C，其厚度d2和有效折射率n2使得信號光再穿過光學(xué)晶片組C后光線又回到原來的方向。光學(xué)晶片組C對信號光經(jīng)過截止濾光片N后因光線折射所產(chǎn)生的平移起到了補(bǔ)償作用，如圖3所示。
上面所示的光學(xué)晶片組C的補(bǔ)償功能是在光學(xué)晶片組C相對于信號光的偏轉(zhuǎn)方向要與截止濾光片N相對于信號光的偏轉(zhuǎn)方向相反來實現(xiàn)的。為此我們設(shè)計了一種簡單的旋轉(zhuǎn)裝置R，如圖2所示。轉(zhuǎn)動裝置包括，三個螺桿L1、L2和L3，兩個齒輪R2和R3，三個螺桿的支撐架H1、H2和H3，以及兩齒輪的支撐架(沒有標(biāo)出)。其中，齒輪L1兩端具有相反的螺紋，可以驅(qū)動兩齒輪R2和R3沿相反方向滾動，兩齒輪再帶動螺桿L2和L3沿相反方向滑動，螺桿L2和L3分別固定在兩晶片固定器CH1上，而兩晶片固定器CH1可以在底板上面旋轉(zhuǎn)，這樣，螺桿L2和L3沿相反方向滑動將使得兩晶片固定器CH1沿相反方向旋轉(zhuǎn)相同的角度。
下面我們具體闡述改變截止濾光片工作波長和延長其使用壽命的結(jié)構(gòu)的使用方法。
將光學(xué)晶片組和工作波長為514.5nm的截止濾光片置于我們設(shè)計的擴(kuò)展截止濾光片工作波長的結(jié)構(gòu)中的兩個晶片固定器CH1上，并將此裝置置于拉曼譜儀的信號光路上。通過轉(zhuǎn)動主動螺旋桿L1，就能使得兩晶片固定器向相反的方向轉(zhuǎn)動，從而使光學(xué)晶片組和截止濾光片沿相反的方向轉(zhuǎn)動相同的角度。利用擴(kuò)展截止濾光片工作波長的結(jié)構(gòu)上的轉(zhuǎn)動裝置把光學(xué)晶片組和截止濾光片按相反方向分別轉(zhuǎn)動一定的角度后，截止濾光片的其工作波長從514.5nm一直能變到457.9nm。利用氬離子激光器的497.5nm、488.0nm、476.5nm和457.9nm等激光作為激發(fā)光，當(dāng)截止濾光片轉(zhuǎn)動到相應(yīng)的工作波長時，我們分別測得了非常漂亮的硅的拉曼光譜，如圖4所示。在圖4中，箭頭所指為氬離子激光器的不同激發(fā)光，每一條譜線的R標(biāo)出了在相應(yīng)激發(fā)光下所測得的晶體硅的拉曼譜。
因此，利用我們設(shè)計的擴(kuò)展截止濾光片工作波長的結(jié)構(gòu)，我們使得原工作波長為514.5nm的截止濾光片目前的工作波長基本上覆蓋了氬離子激光器的所有激光線，如514.5nm、501.7nm、496.5nm、488nm、476.5nm、472.7nm、465.8nm和457.9nm。這就大大擴(kuò)展了截止濾光片的功能，節(jié)約有限的科研經(jīng)費(fèi)，并且十分有利于小型微區(qū)的顯微拉曼光譜儀的推廣。
權(quán)利要求
1.一種擴(kuò)展截止濾光片工作波長的結(jié)構(gòu)，其特征在于，該結(jié)構(gòu)包括底板、截止濾光片、光學(xué)晶片組、晶片固定器以及轉(zhuǎn)動裝置。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的擴(kuò)展截止濾光片工作波長的結(jié)構(gòu)，其特征在于，轉(zhuǎn)動裝置安放在底板上，截止濾光片和光學(xué)晶片組用晶片固定器固定并安裝在轉(zhuǎn)動裝置上。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的擴(kuò)展截止濾光片工作波長的結(jié)構(gòu)，其特征在于，光學(xué)晶片組是根據(jù)截止濾光片的光學(xué)性質(zhì)所設(shè)計的在折射率和厚度上與截止濾光片不一定相同，但要與截止濾光片的光學(xué)性質(zhì)相匹配。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的擴(kuò)展截止濾光片工作波長的結(jié)構(gòu)，其特征在于，光學(xué)晶片組可以由不同的光學(xué)材料組合而成的晶片組，也可以是單一的光學(xué)晶片。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的擴(kuò)展截止濾光片工作波長的結(jié)構(gòu)，其特征在于，截止濾光片和光學(xué)晶片組初始時平行排列，所述轉(zhuǎn)動裝置可以使截止濾光片和光學(xué)晶片組按相反方向轉(zhuǎn)動一定的工作角度。
6.根據(jù)權(quán)利要求3、5所述的擴(kuò)展截止濾光片工作波長的結(jié)構(gòu)，其特征在于，利用轉(zhuǎn)動裝置把截止濾光片和光學(xué)晶片組按相反方向轉(zhuǎn)動一定的角度后，入射激光入射到截止濾光片，經(jīng)截止濾光片折射后穿過光學(xué)晶片組，由截止濾光片折射導(dǎo)致的側(cè)向平移得到光學(xué)晶片組折射的補(bǔ)償，使得出射光線的方向與入射光線一致。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的擴(kuò)展截止濾光片工作波長的結(jié)構(gòu)，其特征在于，如果對出射光的側(cè)向平移沒有要求，該裝置將不包括光學(xué)晶片組。
8.一種擴(kuò)展截止濾光片工作波長的結(jié)構(gòu)的使用方法，其特征在于，將根據(jù)權(quán)利要求1所述的擴(kuò)展截止濾光片工作波長的結(jié)構(gòu)置于信號光路中，通過轉(zhuǎn)動裝置調(diào)節(jié)截止濾光片和光學(xué)晶片組的工作角度，來調(diào)節(jié)截止濾光片的工作波長。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的擴(kuò)展截止濾光片工作波長的結(jié)構(gòu)的使用方法，其特征在于，對于根據(jù)權(quán)利要求1和7所述的擴(kuò)展截止濾光片工作波長的結(jié)構(gòu)，通過轉(zhuǎn)動裝置調(diào)節(jié)截止濾光片的工作角度，來擴(kuò)展調(diào)節(jié)截止濾光片的工作波長。
全文摘要
本發(fā)明涉及光譜分析技術(shù)領(lǐng)域，一種擴(kuò)展截止濾光片工作波長的結(jié)構(gòu)及其使用方法，該結(jié)構(gòu)包括底板、截止濾光片、光學(xué)晶片組、晶片固定器和轉(zhuǎn)動裝置。將轉(zhuǎn)動裝置安放在底板上，用晶片固定器固定截止濾光片和與之匹配的光學(xué)晶片組，并將它們安裝在設(shè)計的轉(zhuǎn)動裝置上，通過轉(zhuǎn)動裝置改變截止濾光片和光學(xué)晶片組的角度，可以在很寬范圍內(nèi)擴(kuò)展截止濾光片的工作波長。
文檔編號G02B26/00GK1959446SQ20051011544
公開日2007年5月9日 申請日期2005年11月3日 優(yōu)先權(quán)日2005年11月3日
發(fā)明者譚平恒, 章昊, 甘華東 申請人:中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所