[发明专利]用于测量位移的光谱分布的光谱设备

说明书

技术领域

本发明涉及光谱设备，它可应用于分析光束的光谱分量，供诸如吸收、漫射、喇曼、荧光、磷光研究的、和透射研究的光学光谱仪器中。本发明特别涉及位移相减喇曼光谱术(SSRS方法)领域以及在该领域中的应用。

背景技术

光谱术是一种用光获得分子尺度信息的方法。该信息可以是被探测分子的转动、振动、电子态的信息，以及离解能和更多的信息。该信息例如可以用于分析包括许多未知分子成分的样品，从而获得有关样品分子成分的知识。

光谱术中的基本配置，是用于照射分子样品的光源。从光源发出的光将与样品相互作用，相互作用的结果通常是通过/被样品发射、反射、散射的已改变的光。其后，测量被改变的光的光谱分布，分析因光源的光与分子样品之间的相互作用而在光中产生的变化。

该光谱分布的测量，通常用光谱仪进行。光谱仪是一种把入射光束分开为不同波长片段的光学设备。其后，测量不同波长片段的强度，以获得光谱分布。

光谱仪通常包括光进入光谱仪的入口狭缝，诸如反射镜、透镜、衍射光栅、滤波器、及检测器等光学部件。光谱仪的构造，通常要使入口狭缝成像在检测器上。这是通过排列反射镜和透镜，使狭缝成像在检测器上而达到的。此外，把衍射光栅插入光路中，以便把光分解为各波长片段。一种可能的被广泛使用的光谱仪配置，亦称切兹尼-特纳(Chezney-Turner)配置，它包括被反射到抛物面反射镜上的入射狭缝。然后，在该反射成像到由CCD阵列构成的电子检测器之前，被投射到衍射光栅和另一个抛物面反射镜上。光栅是使已经进入光谱仪的光色散为单色分段的衍射光学元件，这些单色的分段将成像在CCD阵列不同的像素上。

喇曼光谱术尤其研究与分子相互作用时的散射光。这些分子可以处于气态、液态、或固态。散射可以是弹性的瑞利散射，对瑞利散射，散射光与入射光相比，没有频率位移，也可以是非弹性的喇曼散射，对喇曼散射，存在分子与光子之间的能量交换。非弹性散射能够激发分子的转动、振动、或电子能态，从而改变散射光频率。因为每种分子只允许某些跃迁，这导致每种分子光谱分布中唯一的喇曼线。该唯一的喇曼线可用于标识被探测物质的分子组成和/或物质中指定分子的浓度。

喇曼散射与其他光谱方法，诸如瑞利散射、荧光、和磷光相比，是弱的效应。喇曼散射的弱效应，使光谱分布中喇曼线的标识和区分成为问题，特别是如果散射光信号还是例如在荧光占优势的情形。

位移相减喇曼光谱术(SSRS)方法，是一种能够从喇曼信号中除去荧光的技术。原先的方法，是使用两个波长有微小差别的激光器作为光源。利用光谱仪从样品获得两种光谱分布(其中之一用两个激光器)，而获得的光谱包括喇曼信号和荧光。由于两个激光器之间的波长差，喇曼信号位移小的光谱距离，而荧光则没有位移。然后把该两种光谱相减。相减的光谱然后用标识喇曼信号线的基准函数校正。在标识喇曼信号之后，重构该光谱，而现在显示的是没有荧光的喇曼信号。

已经证明，SSRS方法可以用一个光源激光器工作；但是，其后必须改变光谱仪内衍射光栅的内部色散角，以便获得两种位移的喇曼信号。这是在目前的喇曼光谱仪装备中，用机械装置旋转衍射光栅，由此使成像在检测器上各波长片段的位置产生位移而实现的。

今天可用的Raman光谱仪装备，不适用于实施使用一个光源的SSRS方法，当结合样品分析使用SSRS方法时，尤其如此。这是由于用机械装置使衍射光栅旋转的事实。机械公差使构造/选择用于SSRS方法的适当基准函数变得困难(或者甚至不可能)，结果是，SSRS方法不能成功实施。基准函数必须与检测器上的光谱位移匹配，以便使位移喇曼线的相关和识别优化。如果位移取决于可移动零件(诸如旋转的光栅)，则位移是不均匀的且失去效能。此外，如果获得的用于SSRS方法的光谱，不是在同一像素阵列/CCD上完成的，像素效能中的差别和读出噪声，使SSRS方法更缺乏实用性。

另外，反射光栅按照狭缝的入射角使光色散。这意味着相对小的角度修正，将在检测器上引起大的光谱位移，而这是成问题的，因为需要的只是小的光谱位移，而狭缝因为它们的尺度而必须有一定的物理距离。

发明内容

本发明的目的，是要解决以上所述问题。