[发明专利]一种基于微型拉曼光谱仪的外光路光学系统

说明书

技术领域

本发明涉及一种物方小视场和大数值孔径、像方小数值孔径特定要求的近红外光学系统。

背景技术

物体受到激发光源的激发，从量子理论来讲，物体内部分子与光子会发生弹性碰撞和非弹性碰撞，弹性碰撞产生的散射光频率与入射光频率相同，通常这类散射被称为瑞利散射，非弹性碰撞产生的散射光的频率与入射光频率有变化，通常这类散射被称为拉曼散射，拉曼散射光是由于物质分子的振动和转动而产生，这种振动和转动的特点直接影响拉曼散射光的频移。一般来说，波长为785nm激光器激发的拉曼散射光频移在250cm^-1-2875cm^-1。拉曼散射光的强度小于入射光的10^-6，而瑞利散射光的强度一般在入射光强度的10^-3。由于其信号要远远弱于瑞利散射光，强烈的瑞利散射光会淹没拉曼散射光。

拉曼光谱仪外光路的前端光学系统，要将激发光束很好地会聚，照射到待测物体上，同时大数值孔径地收集拉曼散射光；后端光学系统，要将收集到的拉曼散射光，以和光谱仪匹配的小数值孔径输出给光谱仪狭缝。通常物方数值孔径和像方数值孔径的比值大于6，因此拉曼光谱仪的外光路设计就格外重要。

目前国内大多数搭建拉曼光谱系统的科研院校大多数要么购买现有国外的拉曼探头，成本较高，且针对于特定的实验要求，具有一定的局限性；要么自己搭建的外光路系统则尺寸很大，需要占用很大的空间，不能满足现场检测的需要。

为解决国内拉曼探头的制造，和进一步提高国内外已有的拉曼探头的聚光能力，本发明自主研发了一款拉曼光谱仪外光路，此光学系统和我们研制的一款微型拉曼光谱仪相匹配。

发明内容

本发明为解决现有拉曼光谱仪的外光路系统的实现成本高，并且由于该系统的尺寸大，需要占用很大空间，因而不能满足现场检测的问题，提供一种基于微型拉曼光谱仪的外光路光学系统。

一种基于微型拉曼光谱仪的外光路光学系统，该系统包括激光器、二向色镜、单透镜、平行平板、陷波滤光片、第一双胶合透镜和第二双胶合透镜，所述的激光器出射激光光束经反射镜反射至二向色镜，经二向色镜后的光束反射至单透镜和平行平板，经所述平行平板后的光束会聚至探测样品；所述会聚光束经探测样品后发生散射，所述散射光束入射至平行平板和单透镜，所述散射光束经二向色镜后依次入射至陷波滤光片、第一双胶合透镜和第二双胶合透镜，最后光束会聚到微型拉曼光谱仪的入射狭缝处。

本发明的工作原理：本发明所述的光学系统实现将激光光源激发的光束经过会聚之后入射到系统前方探测样品处，照射处的探测样品内部受到激光光束的激发，产生与入射光同频率的瑞利散射光线和与入射光不同频率的拉曼散射光线，由于瑞利散射光线比拉曼散射光线强，因此需要在该光学系统中加入可以滤除掉瑞利散射光线的陷波滤光片，经过该光学系统收集到的是被探测样品内部分子非弹性碰撞产生的拉曼散射光，再将收集到的拉曼散射光以1∶12像方数值孔径输出给光谱仪，该光学系统提高能量的利用率，避免杂散光的引入。

本发明的有益效果：一、本发明所述的光学系统，成本低，物方数值孔径能够达到0.33～0.35，提高拉曼散射光谱探测的灵敏度，二、像面在狭缝方向的光线强度分布均匀，忽略光源带来的照度不均匀问题，使狭缝沿谱线方向获得相对均匀的强度；三、本发明所述的外光路的光学系统与光谱仪的数值孔径相匹配，针对相对孔径为1∶12的光谱仪可以达到最高的能量利用效率，同时也不产生附加的杂散光。

附图说明

图1为本发明所述的一种基于微型拉曼光谱仪的外光路光学系统的原理图；

图2为本发明所述的一种基于微型拉曼光谱仪的外光路光学系统中二向色镜的光谱特性曲线；

图3为本发明所述的一种基于微型拉曼光谱仪的外光路光学系统中陷波滤光片的光谱特性曲线；

图4为本发明所述的一种基于微型拉曼光谱仪的外光路光学系统的像面相对照度曲线；

图5为本发明所述的一种基于微型拉曼光谱仪的外光路光学系统中几何包围圆能量示意图；

图6为本发明所述的一种基于微型拉曼光谱仪的外光路光学系统中加入非球面的单透镜之后系统的像面相对照度示意图；

图7为本发明所述的一种基于微型拉曼光谱仪的外光路光学系统中加入非球面的单透镜之后的几何包围圆能量示意图。