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CN111982884A - 一种紧凑型266nm短波紫外拉曼光谱仪 - Google Patents

一种紧凑型266nm短波紫外拉曼光谱仪 Download PDF

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Abstract

一种紧凑型266nm短波紫外拉曼光谱仪，包括光源、外光路、色散系统、接收系统和信号采集系统。光源为全固态266nm短波紫外激光器，外光路包括准直透镜、第一反射镜、二向色镜、扩束镜、滤光片、中继透镜、耦合光纤和整形光纤束，色散系统包括狭缝、第二反射镜、离轴抛物面反射镜和平面反射式光栅，接收系统为背照式CCD线阵探测器，信号采集系统为计算机。光纤束由若干光纤组成，一端排列为光纤阵列，一端排列为线状，点转线光纤束提高了进入色散系统光通量，增加了系统的信噪比，另外基于Littrow结构的拉曼光谱仪色散方法可以有效减小球差，提高光谱仪分辨率。

Description

一种紧凑型266nm短波紫外拉曼光谱仪
技术领域
本发明涉及光谱分析技术领域，具体涉及一种紧凑型266nm短波紫外拉曼光谱仪。
背景技术
拉曼光谱是分子振动光谱，通过谱图解析可以获取分子结构的信息，任何气态、液态、固态样品均可进行光谱测定。不同的物质的特征峰在谱图上的位置和强度信息都不同。快速、简单、可重复、且更重要的是无损伤的定性定量分析，让拉曼光谱成为了物质鉴定的“指纹”，是有机化合物结构解析的重要手段。
目前便携式拉曼光谱仪大多采用可见光或者近红外激光作为激发光源，拉曼光谱激发效率偏低，且容易产生荧光干扰，导致样品的光谱无法很好地呈现，信息被误判。而短波紫外拉曼有效克服以上缺点，故在研究拉曼光谱仪时将激发光源向紫外波段频移受到了人们的广泛关注。
当拉曼激发波长为短波紫外激光时，需要光谱探测系统分辨率达到0.1nm一下，采用传统紧凑型色散光谱仪光通量低，导致灵敏度下降，影响检测精度。此外，当探测水溶液时，短波紫外激发光源和拉曼光谱信号被水吸收强烈，传统光纤探头收集拉曼信号较弱，影响测试灵敏度。
发明内容
本发明的目的在于提供一种紧凑型266nm短波紫外拉曼光谱仪以克服现有技术存在的问题。通过采用全固态266nm短波紫外激光器作为光源，减少荧光干扰；采用扩束系统来增加输出激光的口径，提高与水溶液的接触面，便于对液体样品进行探测；采用光纤束整形技术增加光通量；采用基于Littrow结构的光栅色散系统提高光谱分辨率。
为实现上述发明目的，本发明的技术方案具体如下：
一种紧凑型266nm短波紫外拉曼光谱仪，包括光源、外光路、色散系统、接收系统和信号采集系统，光源为二极管泵浦全固态266nm短波紫外激光器1；外光路包括准直透镜2、第一反射镜3、二向色镜4、扩束镜5、滤光片6、中继透镜7、耦合光纤8和整形光纤束9，光路走向的空间先后顺序依次为：266nm短波紫外激光器、准直透镜、第一反射镜、二向色镜、扩束镜、样品；短波紫外激光聚焦照射到待测样品上激发出拉曼散射光，拉曼散射光的光路走向空间顺序依次为：样品、扩束镜、二向色镜、滤光片、中继透镜、耦合光纤、整形光纤束；色散系统包括：狭缝10、第二反射镜11、离轴抛物面反射镜12和平面反射式光栅13，进入色散系统的拉曼散射光空间走向顺序为：狭缝、第二反射镜、离轴抛物面反射镜、平面反射式光栅、离轴抛物面反射镜；接收系统为背照式CCD线阵传感器14；信号采集系统为计算机15。
作为优选的技术方案，所述激光器是二极管泵浦全固态266nm短波紫外激光器。
作为优选的技术方案，待测样品激发出的拉曼散射光经过耦合光纤形成圆光斑，在耦合光纤输出端通过法兰进入整形光纤束输入端，将圆光斑进行空间分割，形成多个子光斑，每个子光斑对应一条小孔径的石英紫外光纤，对应形成光纤束，实现大面积圆光斑到长型光斑的光束整形。
作为优选的技术方案，所述整形光纤束的组合方式为下列方式之一：
输入端为3×3×3阵列，输出端为9根光纤组成的一字型排列；
输入端为2×3×2阵列，输出端为7根光纤组成的一字型排列。
作为优选的技术方案，所述滤光片为非平行设置的双片长通滤光片。
作为优选的技术方案，所述整形光纤束线一字段端长度与狭缝长度一致。
本发明的有益效果为：
与现有技术相比较，本发明一种紧凑型266nm短波紫外拉曼光谱仪，可以直接对待测液体样品进行拉曼光谱测量，可用于生物、物理、化学以及医药方面的监测和分析。
其优点在于：
1、将二极管泵浦全固态266nm短波紫外激光器作为激发光源，能够极大地减小荧光，提高灵敏度，激发出更强的拉曼信号，提高信噪比；
2、通过扩束系统来增加输出激光的口径，实现出射光束口径变化，以此来适应液态目标样品探测；
3、整形光纤束一端设计为方形或者圆形样式，另一端设计为线形样式，形成点转线光纤束，线状输出端与色散系统的狭缝端高度匹配，提高了进入色散系统光通量，控制了系统杂散光，从而减少拉曼光的损失，提高外光路与狭缝之间的光传输效率；
4、色散系统采用李特洛(Littrow)光路结构设计，用离轴抛物面反射镜代替球面反射镜可以减小像差，提高光谱仪分辨率。
附图说明
图1为实现本发明紧凑型266nm短波紫外拉曼光谱仪光路结构图；
图2为大尺寸紫外石英耦合光纤通过法兰与整形光纤束连接结构图；
图3为基于Littrow结构的色散拉曼光谱仪光路结构图。
标注说明：1、266nm短波紫外激光器，2、准直透镜，3、第一反射镜，4、二向色镜，5、扩束镜，6、滤光片，7、中继透镜，8、耦合光纤，9、整形光纤束，10、狭缝，11、第二反射镜、12、离轴抛物面反射镜，13、平面反射式光栅，14、背照式CCD线阵传感器，15、计算机。
A：光源，B：外光路，C：色散系统，D：接收系统，E：信号采集系统
a：耦合光纤输入端，b:耦合光纤输出端，c：整形光纤束输入端，d：整形光纤束输出端
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。
结合图1，本发明一种紧凑型266nm短波紫外拉曼光谱仪，包括A光源，B外光路，C色散系统，D接收系统，E信号采集系统，色散系统通过耦合光纤与整形光纤束与外光路相连接。其中光源是由二极管泵浦的全固态266nm短波紫外激光器1；外光路由准直透镜2、第一反射镜3、二向色镜4、扩束镜5、滤光片6、中继透镜7、耦合光纤8和整形光纤束9组成；色散系统由狭缝10、第二反射镜11、离轴抛物面反射镜12和平面反射式光栅13组成；接收系统为背照式CCD线阵传感器14；信号采集系统为计算机15。
结合图1，本发明一种紧凑型266nm短波紫外拉曼光谱仪中光路走向如下：266nm短波紫外激光器激发激光经过准直透镜准直后，经过第一反射镜入射到二向色镜，再通过扩束镜将激发激光聚焦到待测样品上，同时收集待测样品上产生的拉曼散射光再次通过二向色镜并经过滤光片滤除杂散光入射到中继透镜，拉曼散射光通过输入端在中继透镜焦点处的耦合光纤并经过整形光纤束，在光纤束输出端与狭缝对接进入到色散系统，通过第二反射镜反射到离轴抛物面反射镜上，形成平行光束进入平面反射式光栅，不同波长的光线在光栅的分光作用下按不同衍射角出射到离轴抛物面反射镜上，经过聚焦作用后在背照式CCD线阵探测器上成像，最后在计算机上完成信号的采集与分析工作。
结合图1，本发明一种紧凑型266nm短波紫外拉曼光谱仪色散系统C中，离轴抛物面反射镜同时充当准直镜和聚焦镜，背照式CCD线阵传感器位于离轴抛物面反射镜的焦平面上。
结合图2，本发明一种紧凑型266nm短波紫外拉曼光谱仪中耦合光纤与整形光纤束通过法兰进行连接，待测样品激发出的拉曼散射光经过耦合光纤形成圆光斑，在耦合光纤输出端b通过法兰进入到整形光纤束输入端c，将圆光斑进行空间分割，形成多个子光斑，每个子光斑对应一条小孔径的石英紫外光纤，在光纤束输出端d成一字排列对应形成光纤束，这样就完成了大面积圆光斑到长型光斑的光束整形。将整形光纤束输出端的线阵光纤束对准光谱仪的入射狭缝，使待测样品激发出的拉曼散射光导入短波紫外拉曼光谱仪色散系统中，完成外光路B与色散系统C之间的连接。
结合图2，本发明一种紧凑型266nm短波紫外拉曼光谱仪中耦合光纤输入端与整形光纤束输出端均采用SMA905接口，耦合光纤的输入端位于中继透镜的焦点处，。
结合图3，一种紧凑型266nm短波紫外拉曼光谱仪中色散系统C三维结构示意图。待测样品激发出的拉曼散射光由入射狭缝发出，入射光经第二反射镜反射后，入射到离轴抛物面反射镜上形成平行光束进入色散元件，经过平面反射式光栅色散分光，衍射光束再次入射到离轴抛物面反射镜，经聚焦后入射到背照式CCD线阵传感器表面。背照式CCD线阵探测器位于离轴抛物面反射镜焦平面上。

Claims (6)

1.一种紧凑型266nm短波紫外拉曼光谱仪，其特征在于：包括光源、外光路、色散系统、接收系统和信号采集系统，光源为二极管泵浦全固态266nm短波紫外激光器(1)；外光路包括准直透镜(2)、第一反射镜(3)、二向色镜(4)、扩束镜(5)、滤光片(6)、中继透镜(7)、耦合光纤(8)和整形光纤束(9)，光路走向的空间先后顺序依次为：266nm短波紫外激光器、准直透镜、第一反射镜、二向色镜、扩束镜、样品；短波紫外激光聚焦照射到待测样品上激发出拉曼散射光，拉曼散射光的光路走向空间顺序依次为：样品、扩束镜、二向色镜、滤光片、中继透镜、耦合光纤、整形光纤束；色散系统包括：狭缝(10)、第二反射镜(11)、离轴抛物面反射镜(12)和平面反射式光栅(13)，进入色散系统的拉曼散射光空间走向顺序为：狭缝、第二反射镜、离轴抛物面反射镜、平面反射式光栅、离轴抛物面反射镜；接收系统为背照式CCD线阵传感器(14)；信号采集系统为计算机(15)。
2.根据权利要求1所述的一种紧凑型266nm短波紫外拉曼光谱仪，其特征在于：所述激光器是二极管泵浦全固态266nm短波紫外激光器。
3.根据权利要求1所述的一种紧凑型266nm短波紫外拉曼光谱仪，其特征在于：待测样品激发出的拉曼散射光经过耦合光纤形成圆光斑，在耦合光纤输出端通过法兰进入整形光纤束输入端，将圆光斑进行空间分割，形成多个子光斑，每个子光斑对应一条小孔径的石英紫外光纤，对应形成光纤束，实现大面积圆光斑到长型光斑的光束整形。
4.根据权利要求3所述的一种紧凑型266nm短波紫外拉曼光谱仪，其特征在于，所述整形光纤束的组合方式为下列方式之一：
(1)输入端为3×3×3阵列，输出端为9根光纤组成的一字型排列；
(2)输入端为2×3×2阵列，输出端为7根光纤组成的一字型排列。
5.根据权利要求1所述的一种紧凑型266nm短波紫外拉曼光谱仪，其特征在于：所述滤光片为非平行设置的双片长通滤光片。
6.根据权利要求1所述的一种紧凑型266nm短波紫外拉曼光谱仪，其特征在于：所述整形光纤束线一字段端长度与狭缝长度一致。
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