CN112763451A - 一种太赫兹拉曼光谱仪 - Google Patents
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Abstract
本发明提供的太赫兹拉曼光谱仪，生成携带太赫兹波段的拉曼激发光，沿所述拉曼激发光光纤传播方向依次经带通滤光片和陷波滤光片组合、第二陷波滤光片、第三陷波滤光片、第一聚焦透镜、拉曼滤光片、入孔、前端像质镜组、准直反射镜、中阶梯光栅、反射式棱镜、第一聚焦反射镜、后端像质镜组、微反射镜阵列、第二聚焦反射镜及第二聚焦透镜后由探测器探测，上述太赫兹拉曼光谱仪，可以获取丰富的生物及其材料信息，相对于X射线而言不会对物质产生破坏作用，在太赫兹波段内具有高光谱分辨率、宽波段、高灵敏、低成本等探测优势，可广泛应用于半导体、等离子体、有机体和生物大分子等物质的特征谱分析领域。
Description
技术领域
本发明涉及光谱测量技术领域，特别涉及一种太赫兹拉曼光谱仪。
背景技术
拉曼光谱仪是基于拉曼光谱技术的光学检测仪器，按其内部结构形式可分为色散型拉曼光谱仪、傅里叶变换拉曼光谱仪和空间外差拉曼光谱仪。该结构中采用带通滤光片对激光进行线宽度清洁，去除激光的光谱噪声，确保可以获得较好的激光光束；陷波滤光片能同时测量低至125px-1的斯托克斯和反斯托克斯拉曼光谱带，且实现高达95％左右的透过率；带通滤光片和陷波滤光片的组合在低波数拉曼光谱测量中起了重要作用，提高了光线的纯度和质量。
太赫兹是一种新的、有很多独特优点的辐射源；太赫兹波的波段能够覆盖半导体、等离子体，有机体和生物大分子等物质的特征谱；利用该频段可以加深和拓展人类对物理学、化学、天文学、信息学和生命科学中一些基本科学问题的认识。许多生物大分子的振动和旋转都处于太赫兹波段，所以利用太赫兹波可以获取丰富的生物及其材料信息。且太赫兹的能量很小，不会对物质产生破坏作用，相对于X射线更具有优势。
由于太赫兹波段较宽、能量较弱，同时分析物质成分复杂，因此需要光谱***同时兼具高光谱分辨率、宽波段与弱信号探测特点。现有色散型拉曼光谱仪可用于太赫兹探测领域，一般采用衍射光栅与CCD组合模式，该结构存在弱信号探测能力受CCD限制、价格昂贵等缺陷。
发明内容
有鉴如此，有必要针对现有技术存在的缺陷，提供一种高光谱分辨率宽波段弱信号探测的太赫兹拉曼光谱仪。
为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：
一种太赫兹拉曼光谱仪，包括：激光器(1)、反射镜(2)、带通滤光片(3)、载物台(4)、带通滤光片和陷波滤光片组合(5)、第二陷波滤光片(6)、第三陷波滤光片(7)、第一聚焦透镜(8)、拉曼滤光片(9)、入孔(10)、前端像质镜组(11)、准直反射镜(12)、中阶梯光栅(13)、反射式棱镜(14)、第一聚焦反射镜(15)、后端像质镜组(16)、微反射镜阵列(17)、第二聚焦反射镜(18)、第二聚焦透镜(19)及探测器(20)；其中：
所述激光器(1)出射的激光光束经所述带通滤光片(3)及所述反射镜(2)反射后入射至所述带通滤光片和陷波滤光片组合(5)并由所述带通滤光片和陷波滤光片组合(5)反射至所述载物台(4)的样品表面，形成携带太赫兹波段的拉曼激发光；
所述太赫兹波段的拉曼激发光经所述带通滤光片和陷波滤光片组合(5)透射后，再经所述第二陷波滤光片(6)、所述第三陷波滤光片(7)、第一聚焦透镜(8)及所述拉曼滤光片(9)聚焦于入孔(10)处，经所述入孔(10)处聚焦的拉曼光再经所述前端像质镜组(11)及所述准直反射镜(12)后变为平行光束，所述平行光束再经所述中阶梯光栅(13)及所述反射式棱镜(14)后形成交叉色散光，所述交叉色散光再经所述第一聚焦反射镜(15)及所述后端像质镜组(16)汇聚于所述微反射镜阵列(17)处，所述微反射镜阵列(17)对入射的光束进行波长选通后经所述第二聚焦反射镜(18)及所述第二聚焦透镜(19)汇聚后被所述探测器(20)接收。
在其中一些实施例中，所述带通滤光片和陷波滤光片组合(5)、第二陷波滤光片(6)、第三陷波滤光片(7)、第一聚焦透镜(8)及拉曼滤光片(9)的主轴在同一高度。
在其中一些实施例中，所述第一聚焦透镜(8)、所述拉曼滤光片(9)、所述前端像质镜组(11)、及所述准直反射镜(12)的焦点重合，且所述入孔(10)位于所述焦点处。
在其中一些实施例中，所述微反射镜阵列(17)位于所述第一聚焦反射镜(15)与后端像质镜组(17)的共同焦面处。
在其中一些实施例中，所述前端像质镜组(11)为柱面镜与双凸球面镜组合，所述准直镜组(12)、第一聚焦反射镜(15)及第二聚焦反射镜(18)为凹面反射镜，所述后端像质镜组(16)为双凸凹球面透镜组合。
在其中一些实施例中，所述探测器(20)为光电倍增管，且位于第二聚焦反射镜(18)与第二聚焦透镜(19)的共同焦面处。
本发明采用上述技术方案的优点是：
本发明提供的太赫兹拉曼光谱仪，所述激光器(1)出射的激光光束经所述带通滤光片(3)及所述反射镜(2)反射后入射至所述带通滤光片和陷波滤光片组合(5)并由所述带通滤光片和陷波滤光片组合(5)反射至所述载物台(4)的样品表面，形成携带太赫兹波段的拉曼激发光，沿所述太赫兹拉曼激发光的传播方向依次经带通滤光片和陷波滤光片组合(5)、第二陷波滤光片(6)、第三陷波滤光片(7)、第一聚焦透镜(8)、拉曼滤光片(9)、入孔(10)、前端像质镜组(11)、准直反射镜(12)、中阶梯光栅(13)、反射式棱镜(14)、第一聚焦反射镜(15)、后端像质镜组(16)、微反射镜阵列(17)、第二聚焦反射镜(18)及第二聚焦透镜(19)后由探测器(20)探测，本发明提供的拉曼光谱仪，可用于半导体、等离子体、有机体和生物大分子等探测领域，相对于X射线而言不会对物质产生破坏作用，在太赫兹波段内具有高光谱分辨率、宽波段、高灵敏、低成本等探测优势，在上述领域中具备良好的应用前景。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1为本发明实施例1提供的太赫兹拉曼光谱仪的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
请参阅图1，为本发明实施例提供的太赫兹拉曼光谱仪的结构示意图，包括：激光器(1)、反射镜(2)、带通滤光片(3)、载物台(4)、带通滤光片和陷波滤光片组合(5)、第二陷波滤光片(6)、第三陷波滤光片(7)、第一聚焦透镜(8)、拉曼滤光片(9)、入孔(10)、前端像质镜组(11)、准直反射镜(12)、中阶梯光栅(13)、反射式棱镜(14)、第一聚焦反射镜(15)、后端像质镜组(16)、微反射镜阵列(17)、第二聚焦反射镜(18)、第二聚焦透镜(19)及探测器(20)。
上述太赫兹拉曼光谱仪的光路传播路径如下：
所述激光器(1)出射的激光光束经所述带通滤光片(3)及所述反射镜(2)反射后入射至所述带通滤光片和陷波滤光片组合(5)并由所述带通滤光片和陷波滤光片组合(5)反射至所述载物台(4)的样品表面，形成携带太赫兹波段的拉曼激发光，同时最大限度滤除激发波长对测量的干扰。
所述太赫兹拉曼激发光经所述带通滤光片和陷波滤光片组合(5)透射后，再经所述第二陷波滤光片(6)、所述第三陷波滤光片(7)、第一聚焦透镜(8)及所述拉曼滤光片(9)聚焦于入孔(10)处，经所述入孔(10)处聚焦的拉曼光再经所述前端像质镜组(11)及所述准直反射镜(12)后变为平行光束，所述平行光束再经所述中阶梯光栅(13)及所述反射式棱镜(14)后形成交叉色散光，所述交叉色散光再经所述第一聚焦反射镜(15)及所述后端像质镜组(16)汇聚于所述微反射镜阵列(17)处，所述微反射镜阵列(17)对入射的光束进行波长选通后经所述第二聚焦反射镜(18)及所述第二聚焦透镜(19)汇聚后被所述探测器(20)接收。该光路利用微反射镜阵列及光电倍增管组合代替CCD元件，具备波长选通功能同时有效提升弱信号探测能力。
可以理解，通过调整所述带通滤光片(3)及所述反射镜(2)和所述带通滤光片和陷波滤光片组合(5)调整反射镜(2)的角度可使激光器(1)发出的光照射到样品上。
在一些较佳实施例中，所述带通滤光片和陷波滤光片组合(5)、第二陷波滤光片(6)、第三陷波滤光片(7)、第一聚焦透镜(8)及拉曼滤光片(9)的主轴在同一高度，保证光路按照指定路径传播。
可以理解，在所述带通滤光片(3)的作用对入射激光进行线宽滤波，去除激光的光谱噪声，确保可以获得较好的激光光束；在所述拉曼滤光片(9)的作用下，可以过滤掉光路中的瑞利散射光。
在一些较佳实施例中，所述第一聚焦透镜(8)、所述拉曼滤光片(9)、所述前端像质镜组(11)、及所述准直反射镜(12)的焦点重合，且所述入孔(10)位于所述焦点处。由于入孔位于焦点处，使得信号光最大通过入孔，提高太赫兹信号的探测能量。
进一步地，沿所述准直反射镜(12)准直光线方向放置中阶梯光栅(13)；沿所述中阶梯光栅(13)纵向光线色散方向放置所述反射式棱镜(14)，利用所述中阶梯光栅(13)与反射式棱镜(14)交叉色散达到宽光谱范围、高光谱分辨率的目的；中阶梯光栅光作为主色散元件，所有级次重叠在一起，经棱镜横向色散后各级次横向分离，在像面上形成二维重叠光谱,该结构形式使中阶梯光栅光谱仪同时实现了高分辨率、宽波段的弱信号瞬态测量。
可以理解，上述实施例以中阶梯光栅光(13)作为主色散元件，经反射式棱镜(14)向色散后，在像面上形成二维重叠光谱，使得像面具备高分辨率及宽波段的弱信号瞬态测量。
在一些较佳的实施例中，所述反射式棱镜(14)采用为两种材料棱镜组合而成，可以有效抑制色差影响。
在一些较佳的实施例中，所述微反射镜阵列(17)位于所述第一聚焦反射镜(15)与后端像质镜组(16)共同焦面处，在所述微反射镜阵列(17)的作用下可以实现波长选通功能，通过控制微反射镜阵列(17)、探测器(20)及对应像元反演实现仪器光谱维的识别。
在一些较佳实施例中，所述前端像质镜组(11)为柱面镜与双凸球面镜组合，所述准直镜组(12)、第一聚焦反射镜(15)及第二聚焦反射镜(18)为凹面反射镜，所述后端像质镜组(16)为双凸凹球面透镜组合。
可以理解，由于所述前端像质镜组(11)由柱面镜与双凸球面透镜组合，可有效校正***球差及像散，抑制上述像差对仪器光谱分辨率的影响。
本发明提供的太赫兹拉曼光谱仪，可用于半导体、等离子体、有机体和生物大分子等探测领域，获取丰富的生物及材料信息，相对于X射线而言不会对物质产生破坏作用，在太赫兹波段内具有高光谱分辨率、宽波段、高灵敏、低成本等探测优势，在上述领域中具备良好的应用前景。
当然本发明的拉曼光谱仪还可具有多种变换及改型，并不局限于上述实施方式的具体结构。总之，本发明的保护范围应包括那些对于本领域普通技术人员来说显而易见的变换或替代以及改型。
Claims (6)
1.一种太赫兹拉曼光谱仪，其特征在于，包括：激光器(1)、反射镜(2)、带通滤光片(3)、载物台(4)、带通滤光片和陷波滤光片组合(5)、第二陷波滤光片(6)、第三陷波滤光片(7)、第一聚焦透镜(8)、拉曼滤光片(9)、入孔(10)、前端像质镜组(11)、准直反射镜(12)、中阶梯光栅(13)、反射式棱镜(14)、第一聚焦反射镜(15)、后端像质镜组(16)、微反射镜阵列(17)、第二聚焦反射镜(18)、第二聚焦透镜(19)及探测器(20)；其中：
所述激光器(1)出射的激光光束经所述带通滤光片(3)及所述反射镜(2)反射后入射至所述带通滤光片和陷波滤光片组合(5)并由所述带通滤光片和陷波滤光片组合(5)反射至所述载物台(4)的样品表面，形成携带太赫兹波段的拉曼激发光；
所述太赫兹波段的拉曼激发光经所述带通滤光片和陷波滤光片组合(5)透射后，再经所述第二陷波滤光片(6)、所述第三陷波滤光片(7)、第一聚焦透镜(8)及所述拉曼滤光片(9)聚焦于入孔(10)处，经所述入孔(10)处聚焦的拉曼光再经所述前端像质镜组(11)及所述准直反射镜(12)后变为平行光束，所述平行光束再经所述中阶梯光栅(13)及所述反射式棱镜(14)后形成交叉色散光，所述交叉色散光再经所述第一聚焦反射镜(15)及所述后端像质镜组(16)汇聚于所述微反射镜阵列(17)处，所述微反射镜阵列(17)对入射的光束进行波长选通后经所述第二聚焦反射镜(18)及所述第二聚焦透镜(19)汇聚后被所述探测器(20)接收。
2.如权利要求1所述的太赫兹拉曼光谱仪，其特征在于，所述带通滤光片和陷波滤光片组合(5)、第二陷波滤光片(6)、第三陷波滤光片(7)、第一聚焦透镜(8)及拉曼滤光片(9)的主轴在同一高度。
3.如权利要求1所述的太赫兹拉曼光谱仪，其特征在于，所述第一聚焦透镜(8)、所述拉曼滤光片(9)、所述前端像质镜组(11)、及所述准直反射镜(12)的焦点重合，且所述入孔(10)位于所述焦点处。
4.如权利要求1所述的太赫兹拉曼光谱仪，其特征在于，所述微反射镜阵列(17)位于所述第一聚焦反射镜(15)与后端像质镜组(17)的共同焦面处。
5.如权利要求1所述的太赫兹拉曼光谱仪，其特征在于，所述前端像质镜组(11)为柱面镜与双凸球面镜组合，所述准直镜组(12)、第一聚焦反射镜(15)及第二聚焦反射镜(18)为凹面反射镜，所述后端像质镜组(16)为双凸凹球面透镜组合。
6.如权利要求1所述的太赫兹拉曼光谱仪，其特征在于，所述探测器(20)为光电倍增管，且位于第二聚焦反射镜(18)与第二聚焦透镜(19)的共同焦面处。
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