[发明专利]基于数字微镜元件的微型固化拉曼光谱仪

说明书

技术领域

本发明属于光谱分析仪器技术领域。具体讲，涉及基于数字微镜元件的微型固化拉曼光谱仪。

背景技术

拉曼散射效应是拉曼光谱检测技术得以发展的基础，由印度物理学家C.V.Raman于1928年通过实验发现。拉曼散射产生的原理是光照射到物质上发生的非弹性散射，具体而言，单色光束的入射光光子与物质的分子相互作用时可以发生弹性碰撞和非弹性碰撞，当发生弹性碰撞时，光子与分子间没有能量交换，光子只改变运动方向而不改变频率，产生瑞利散射；当发生非弹性碰撞时，光子与分子间发生能量交换，光子不仅改变运动方向，而且频率发生变化，产生拉曼散射。由于分子能级初始状态的不同，导致能量传递方向的不同，拉曼散射光光子能量相对于入射光光子能量可能减小或者增大，从而，拉曼散射分为斯托克斯散射和反斯托克斯散射两种，分别对应于能量减小和增大的情况。

拉曼光谱检测技术的有效应用主要依据拉曼散射效应对物质分子能级变化的精确反映，因为物质分子能级的变化与物质分子结构的特征紧密联系，所以拉曼光谱可以识别不同的物质分子结构，区分不同的物质分子，同时，结合不断发展的化学计量学方法，可以实现物质成分含量信息的准确测定，实现定性分析和定量检测的应用目标。拉曼光谱检测技术属于分子光谱检测技术，具有显著的特点，包括：对样本制备要求低，对样本不接触、不损伤，适合黑色样本和含水样本的分析，适应高温、低温和高压等恶劣环境，光谱成像快速、简便、实时。目前，拉曼光谱检测技术广泛应用于医学和药学、化学和材料科学、食品科学、环境保护、地质考古、刑侦鉴定等领域，为各领域的发展提供了先进的分析和检测技术。

拉曼光谱仪是拉曼光谱检测技术得以应用的载体，结构上主要分为拉曼散射采集模块和分光检测模块两部分。由于拉曼散射光强度仅为激发光强度的10-6倍，拉曼光谱仪的分光检测模块需要满足弱光检测的要求，具有较高的信噪比。目前，通常采用阵列式探测器——电荷耦合元件(CCD)检测分光后的拉曼散射光信号，具有较高的信噪比，但是，CCD的价格较高，增加了拉曼光谱仪的制造成本。然而，数字微镜元件(DMD)的出现为拉曼光谱仪的发展提供了新的思路，DMD是通过底层CMOS电路控制微镜，当DMD加电压后，由于上下电极间静电力的驱动作用，微镜镜面发生±10°的偏转，使得出射光偏离，对应“0”和“1”两种状态，实现谱面分割，结合阿达玛数字变换技术控制微镜的偏转组合，利用单点式探测器进行分时检测，实现分光检测的功能，在保证较高的信噪比的同时，可以实现制造成本的降低。同时，拉曼光谱仪中的狭缝宽度通常需要根据信噪比和光谱分辨率的权衡进行设置，较窄的狭缝，有利于分辨率的提高，但是，降低了拉曼散射光的光通量，限制了信噪比，因此，需要新的技术，在较窄的狭缝时，增加光通量，提高信噪比，突破信噪比与光谱分辨率的相互限制。

发明内容

为克服现有技术的不足，提供一种微型固化拉曼光谱仪，降低拉曼光谱仪的制造成本；增大狭缝处的光通量，提高信噪比，突破信噪比和光谱分辨率之间的相互限制；实现微型固化，提高稳定性，为此，本发明采取的技术方案是，基于数字微镜元件的微型固化拉曼光谱仪，由拉曼散射采集模块、分光检测模块和计算机三部分构成，拉曼散射采集模块为前向散射方式并包括：连续激光器(1)，第一滤光片(2)，第一会聚透镜(3)，第二会聚透镜(4)，柱面会聚透镜(5)，样品池(6)，第三会聚透镜(7)，二向色镜(8)，第二滤光片(9)，平面反射镜(10)；分光检测模块包括：狭缝(11)，准直透镜(12)，衍射光栅(13)，第四会聚透镜(14)，数字微镜元件(DMD)(15)，数字微镜元件控制器(16)，第五会聚透镜(17)，单点式探测器(18)，放大器(19)，模数转换器(ADC)(20)；

由连续激光器(1)产生高功率、窄线宽的激发光束；

第一滤光片(2)滤除连续激光器(1)本身的杂散光；

第一会聚透镜(3)，第二会聚透镜(4)组合调节激发光束的直径，与狭缝(11)高度相匹配；

柱面会聚透镜(5)将圆状激发光束会聚成线状光束，与线状狭缝(11)相匹配，实现虚拟狭缝的设置，提高狭缝(11)处拉曼散射光束的光通量；

样品池(6)放置待测样品，收集前向散射光束；

第三会聚透镜(7)将样品池(6)处的线状入射光斑成像在狭缝(11)处，样品池(6)和狭缝(11)呈物像共轭关系；

二向色镜(8)让激发光束透射通过，并反射转折拉曼散射光束光路；

第二滤光片(9)滤除夹杂在拉曼散射光束中的激发光束；