一種基于棱鏡分光的便攜式激光拉曼光譜儀的制作方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種拉曼光譜測量儀器，尤其涉及一種基于棱鏡分光的便攜式激光拉曼光譜儀。
【背景技術】
[0002]拉曼散射是介質分子對入射光子非彈性散射的一種，1928年C.V.拉曼首次發(fā)現。由于拉曼光譜特征直接與介質分子振動或轉動能級有關，因此拉曼光譜分析技術已成為研宄物質分子結構和物質的鑒定的有效手段。該方法不需要對樣品進行預處理，用于無損傷的定性定量分析測量，具有操作簡單，測量速度快，靈敏度低等優(yōu)點，目前已廣泛應用于材料、化工、石油、高分子、生物、環(huán)保、地質等領域。
[0003]拉曼光譜儀用于物質的拉曼光譜的高精度測量，是拉曼光譜分析技術的基礎。典型拉曼光譜儀構造包括激光器，入射狹縫，準直透鏡，色散系統(tǒng)，聚焦系統(tǒng)，出射狹縫，光電探測器及信號處理系統(tǒng)組成。由于一般拉曼信號很弱，需要精密復雜的光學裝置進行測量。目前已有的拉曼光譜儀大多采用光柵進行分光，光電倍增管或單光子計數器作為光電探測器，通過長時間的波長掃描測得完整光譜圖，如專利CN201247201Y激光拉曼熒光光譜儀。作為一種分光元件，光柵具有分辨率高，形成勻排光譜便于定標和校正的優(yōu)點，但同時存在光能損失大，光譜級重迭，易出現假譜線等缺點。同時，這類拉曼光譜儀還具有體積龐大、結構復雜且造價昂貴等缺點。

【發(fā)明內容】

[0004]本發(fā)明所要解決的技術問題是克服上述現有技術的不足，提供一種構造合理，體積小、操作便利，系統(tǒng)成本低，能夠實現微弱拉曼光譜信號快速檢測，檢測靈敏度和信噪比高的基于棱鏡分光的便攜式激光拉曼光譜儀。
[0005]本發(fā)明解決上述技術問題采用的技術方案是，一種基于棱鏡分光的便攜式激光拉曼光譜儀，包括激光器、濾光片、棱鏡分光系統(tǒng)、會聚透鏡組、面陣CCD、電控模塊、計算機、電源和殼體，所述激光器通過固定架安裝在殼體前側，所述濾光片、棱鏡分光系統(tǒng)、會聚透鏡組和面陣CCD均置于密封的殼體內，電控模塊固定在殼體后端面板上，其特征是:所述棱鏡分光系統(tǒng)包括狹縫、準直透鏡和分光棱鏡；激光器發(fā)射激光照射固態(tài)或液態(tài)待測物質，待測散射光信號通過濾光片濾除米散射和瑞利散射光后進入棱鏡分光系統(tǒng)的狹縫，經準直透鏡形成平行線光源，經分光棱鏡色散，不同波長單色光對應不同折射方向，經會聚透鏡組聚焦在面陣CCD光敏面，面陣CCD記錄光譜圖像，經電控模塊輸入計算機進行處理生成一維拉曼光譜。
[0006]本發(fā)明采用405nm激光器提高了拉曼散射光激發(fā)效率，同時充分利用了棱鏡分光系統(tǒng)在短波波段的高分辨率特性和高光能利用率，以及面陣CCD的并行分析能力，有效增強了激光拉曼光譜儀的靈敏度和信噪比，能實時測量水、白酒等的微弱拉曼光譜信號。對照現有技術，所述激光拉曼光譜儀不受外界光線影響，可以在正常室內光照下直接測量，并且透明包裝待測物質無需取樣，可以直接無損測量。本發(fā)明結構簡單，易于加工裝調，生產成本低，體積小，攜帶方便，操作便利。
【附圖說明】
[0007]圖1是本發(fā)明組成結構原理示意圖。
[0008]圖2是本發(fā)明在正常室內光照環(huán)境下測量的市售白酒的拉曼光譜圖。
[0009]圖中的標號為:1.激光器，2.待測物質，3.濾光片，4.棱鏡分光系統(tǒng)，5.會聚透鏡組，6.面陣(XD，7.電控模塊，8.計算機，9.電源，10.殼體，11.激光器固定架，12.激光器電源線。
【具體實施方式】
[0010]下面結合附圖對本發(fā)明作進一步的描述。
[0011]如圖1所不，一種基于棱鏡分光的便攜式激光拉曼光譜儀，由激光器(1)，濾光片
(3)，棱鏡分光系統(tǒng)(4)、會聚透鏡組(5)、面陣CCD(6)、電控模塊(7)、計算機(8)、電源(9)和殼體(10)等組成。
[0012]本發(fā)明所述密封的殼體(10)的作用是固定激光器(1)、濾光片(3)、棱鏡分光系統(tǒng)
(4)、聚焦透鏡組(5)和面陣CCD(6)的相對位置，同時降低外界雜散光的干擾。其前端面板上有通光孔徑，內嵌濾光片(3)，其后端面板上固定電控模塊(7)，對應電控模塊的電源開關鍵、電源指示燈、12V電源接口、激光器電源接口和USB接口 ；方便外部控制或與計算機
(8)、12V電源(9)相接。
[0013]本發(fā)明所述激光器電源線(12)由電控模塊(7)的激光器電源接口引出，其作用是為激光器(I)供電。
[0014]本發(fā)明所述激光器(I)發(fā)射激光波長405nm，功率100mW，具有連續(xù)、脈沖兩種工作方式，為通用市售產品。
[0015]本發(fā)明所述濾光片(3)是405nm帯阻濾光片，為通用市售產品，其作用是濾除散射光信號中的米散射和瑞利散射光。
[0016]本發(fā)明所述會聚透鏡組(5)是通用市售鏡頭，在此不再進一步詳細介紹。
[0017]本發(fā)明所述面陣CXD (6)是自帶模數轉換功能的數字式面陣(XD，為通用器件。
[0018]本發(fā)明所述電控模塊(7)上嵌有電源開關鍵、電源指示燈、12V電源接口、激光器電源接口和USB接口。
[0019]本發(fā)明所述計算機(8)安裝有專用數據處理軟件，用于拉曼光譜的處理、顯示和存儲。
[0020]本發(fā)明所述棱鏡分光系統(tǒng)(4 )包括狹縫、準直透鏡和分光棱鏡，其作用是將入射的待測拉曼散射光信號色散為不同波長的單色光。待測散射光信號通過濾光片濾除米散射和瑞利散射光后進入棱鏡分光系統(tǒng)狹縫，后經準直透鏡形成平行線光源，經分光棱鏡色散，不同波長單色光對應不同折射方向，經會聚透鏡組(5 )聚焦在面陣CCD (6 )光敏面上，所述面陣CXD (6)記錄光譜圖像，經電控模塊(7)的USB接口輸入計算機(8)，進行處理生成一維拉曼光譜。本發(fā)明所述棱鏡分光系統(tǒng)(4)，其主要分光元件一一分光棱鏡可以是單棱鏡或多棱鏡組。
[0021]棱鏡分光具有光譜明亮、光強利用率高，光譜級不重疊等優(yōu)點。同時，雖然棱鏡分光光譜存在非線性的問題，但其在短波波段具有很好的波長分辨率。拉曼散射系數與激發(fā)激光波長成反比，因此采用短波波段激光激發(fā)待測物質拉曼散射光可以獲得更高的效率。本發(fā)明采用較短波段的激光作為激發(fā)光，棱鏡進行分光可以充分利用棱鏡分光能量利用率高的優(yōu)點及其在短波段較高的波長分辨率特性，使其特別適用于微弱拉曼光譜信號的檢測。此外，基于棱鏡分光的激光拉曼光譜儀還具有像差校正比較容易，結構簡單、易于制造、維護方便、成本低等優(yōu)點。
[0022]本發(fā)明的具體過程是:激光器(I)發(fā)射405nm激光直接照射固態(tài)或液態(tài)待測物質
(2)激發(fā)產生米散射、瑞利散射和拉曼散射光信號，通光孔接收水平方向的散射光信號并經濾光片(3)濾除其中的米散射和瑞利散射光，允許拉曼散射光信號低損耗透過，入射到棱鏡分光系統(tǒng)(4)色散，不同波長單色光對應不同折射方向，經會聚透鏡組(5)聚焦在面陣CXD (6)光敏面，面陣CXD (6)記錄光譜圖像，經電控模塊(7)的USB接口輸入計算機(8)，進行處理生成一維拉曼光譜，并顯示、存儲，其測量拉曼光譜范圍300-3000(^'光譜分辨率1cm 1O
[0023]圖2是使用本發(fā)明在正常室內光照環(huán)境下直接測量的市售白酒的拉曼光譜圖，可見所述一種基于棱鏡分光的便攜式激光拉曼光譜儀具有很好的分辨率。
[0024]本發(fā)明采用405nm激光器提高了拉曼光激發(fā)效率，同時利用了棱鏡分光的高光能利用率及其在短波波段的高分辨率特性，以及面陣CCD的并行分析能力，有效增強了激光拉曼光譜儀的靈敏度和信噪比，并且采用背景扣除算法使之不受外界雜散光影響，可以在正常室內光照下直接測量，透明包裝待測物質無需取樣，可以直接無損測量。
[0025]盡管結合優(yōu)選實施方案具體展示和介紹了本發(fā)明，但所屬領域的技術人員應該明白，在不脫離所附權利要求書所限定的本發(fā)明的精神和范圍內，在形式上和細節(jié)上可以對本發(fā)明做出各種變化，均為本發(fā)明的保護范圍。
【主權項】
1.一種基于棱鏡分光的便攜式激光拉曼光譜儀，包括激光器、濾光片、棱鏡分光系統(tǒng)、會聚透鏡組、面陣CCD、電控模塊、計算機、電源和殼體，所述激光器通過固定架安裝在殼體前側，所述濾光片、棱鏡分光系統(tǒng)、會聚透鏡組和面陣CCD均置于密封的殼體內，電控模塊固定在殼體后端面板上，其特征是:所述棱鏡分光系統(tǒng)包括狹縫、準直透鏡和分光棱鏡；激光器發(fā)射激光照射固態(tài)或液態(tài)待測物質，待測散射光信號通過濾光片濾除米散射和瑞利散射光后進入棱鏡分光系統(tǒng)的狹縫，經準直透鏡形成平行線光源，經分光棱鏡色散，不同波長單色光對應不同折射方向，經會聚透鏡組聚焦在面陣CCD光敏面，面陣CCD記錄光譜圖像，經電控模塊輸入計算機進行處理生成一維拉曼光譜。
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種基于棱鏡分光的便攜式激光拉曼光譜儀，包括激光器，濾光片，棱鏡分光系統(tǒng)、會聚透鏡組、面陣CCD、電控模塊、計算機、電源和殼體，所述激光器發(fā)出的激光照射待測物質，水平方向散射光經濾光片后進入棱鏡分光系統(tǒng)色散，經會聚透鏡聚組聚焦在面陣CCD光敏面，所述面陣CCD記錄光譜圖像，經電控模塊輸入計算機進行處理生成一維拉曼光譜。本發(fā)明采用405nm激光提高了拉曼散射光激發(fā)效率，同時利用棱鏡分光的高光能利用率及其在短波段的高分辨率特性，以及面陣CCD的并行分析能力，有效增強了激光拉曼光譜儀的靈敏度和信噪比。
【IPC分類】G01N21/65
【公開號】CN104964964
【申請?zhí)枴緾N201510445153
【發(fā)明人】田兆碩, 任秀云, 張延超, 王玲, 付石友
【申請人】哈爾濱工業(yè)大學（威海）
【公開日】2015年10月7日
【申請日】2015年7月27日