[发明专利]一种宽光谱高灵敏度拉曼光谱仪

说明书

本发明涉及一种宽光谱高灵敏度拉曼光谱仪，属于光谱仪领域。本发明提出了一种宽光谱高灵敏度拉曼光谱仪，采用凹面反射镜替代传统的透镜作为拉曼光收集元件，将拉曼光激发和收集装置分离，省去了二向色镜，将拉曼光谱低波数部分扩展至100cm‑1以下；确定了像差最小时，两片凹面反射镜的焦距与偏转角度关系；提出采用两片或多片具有一定倾斜角度的柱面透镜，放置于探测器感光面之前或狭缝之前，压缩焦点处光斑竖直高度。

技术领域

本发明涉拉曼光谱仪，特别涉及一种宽光谱高灵敏度拉曼光谱仪。

背景技术

拉曼光谱(Raman spectra)，是一种散射光谱。拉曼光谱分析法是基于印度科学家C.V.拉曼(Raman)所发现的拉曼散射效应，对与入射光波长不同的散射光谱进行分析以得到分子振动、转动方面信息，并应用于分子结构研究的一种分析方法。随着激光技术的发展，拉曼光谱技术越来越多地被用来检测各种物质。由于不同的分子具有特定的的振动和转动能级，当某一波长的激光与某一物质分子发生散射时，一部分激光光子与物质分子发生能量交换。发生能量交换后，激光光子波长改变。由于不同的振动和转动能级与激光光子波长改变一一对应，因而通过分析散射后激光光谱便可以确定分子的振动或转动能级差，并根据这些能级差分析出发生散射的分子是那种物质。正如通过指纹可以确定指纹的主人，通过拉曼光谱便可以确定分子的种类。同时，通过拉曼光谱的强度可以确定该分子的浓度。近年来，随着激光器、探测器、滤光片等光学器件的日趋成熟，拉曼光谱仪在国内外得到飞速发展。

现有的拉曼光谱仪一般采用一片45°倾斜角的二向色镜反射激光并透射拉曼光。由于二向色镜一般不能透射0-200cm-1波段的低波数拉曼光，对于特征峰在0-200cm-1波段的物质，这种带有二向色镜的拉曼光谱仪不能检测。特别是对于激光光源在紫外波段的拉曼光谱仪，如266nm紫外拉曼光谱仪，二向色镜不仅价格昂贵，而且会产生荧光。此外，对于紫外波段激光，双胶合消色差透镜不能使用，单透镜和非球面透镜色差较大，使得拉曼光谱仪灵敏度很低。并且，一些探测高度较小的探测器不能完全接收到拉曼光，造成拉曼光谱仪灵敏度较低。这些现有的技术瓶颈限制了拉曼光谱仪的广泛应用。

发明内容

本发明是针对目前已有的拉曼光谱仪对于0-200cm-1波段的低波数拉曼光难以检测，紫外拉曼光谱仪由于透镜色差大造成灵敏度低，一些探测高度较小的探测器不能完全接收到拉曼光等问题，提出一种宽光谱高灵敏度拉曼光谱仪。采用凹面反射镜替代透镜作为拉曼光收集元件，提出了像差最小时两片凹面反射镜的焦距与倾斜角度之间的关系。并采用两片有一定倾斜角度的柱透镜放置于探测器感光面之前，用以进一步提高拉曼光谱仪灵敏度和分辨率。因而，将拉曼光谱范围低波数部分延伸至100cm-1以下，并且能够显著提高拉曼光谱仪的灵敏度和分辨率。

本发明的技术方案为：一种宽光谱高灵敏度拉曼光谱仪，分为三种实施方式。

本发明的第一种实施方式，装置包括：激光器、激光聚焦透镜、第一小孔、第一带孔凹面反射镜、第二带孔凹面反射镜、第二小孔、探测点、狭缝。激光器出射激光经激光聚焦透镜并穿过一带孔凹面反射镜的第一小孔和第二带孔凹面反射镜的第二小孔后聚焦于探测点，样品放置于探测点处进行拉曼光探测。探测点处产生的拉曼光透过第二小孔后被第一带孔凹面反射镜反射准直，再经第二带孔凹面反射镜反射聚焦与狭缝。第一带孔凹面反射镜、第二带孔凹面反射镜的焦距和偏转角度需满足以下关系：其中，f1、f2分别为第一带孔凹面反射镜、第二带孔凹面反射镜焦距，θ1为第一带孔凹面反射镜中心点法线与中心点和探测点连线夹角、θ2为第二带孔凹面反射镜中心点法线和狭缝中心点连线夹角。同时，第一带孔凹面反射镜中心与探测点距离：x1＝f1*cos(θ1)，第二带孔凹面反射镜中心距离入射狭缝x2＝f2*cos(θ2)。