一種拉曼光譜測量實驗裝置的製造方法
2024-04-01 15:57:05
一種拉曼光譜測量實驗裝置的製造方法
【技術領域】
[0001]本實用新型涉及一種拉曼光譜測量裝置，特別涉及一種教學實驗用的拉曼光譜測量裝置。
【背景技術】
[0002]拉曼效應由印度物理學家拉曼發現，指光波在被散射後頻率發生變化的現象。光照射到物質上發生彈性散射和非彈性散射，彈性散射的散射光是與激發光波長相同的成分(瑞利散射光)，非彈性散射的散射光有比激發光波長長的和短的成分(拉曼散射光)，拉曼光譜分析方法是對與激發光頻率不同的散射光譜進行分析以得到分子振動、轉動方面的信息，並應用於分子結構研究的一種分析方法，散射光頻率的變化取決於散射物質的特性，不同原子團振動的方式是唯一的，因此可以產生特定頻率的散射光，其光譜就稱為「指紋光譜」，可以照此原理鑑別出組成物質的分子種類。
[0003]拉曼散射屬於微光探測，在測量時需要注意避免信號的背景噪聲，由雷射引起的螢光往往是最普遍遇到的背景光來源，螢光背景強度與激發光頻率即物質分子的選擇性吸收有關，螢光光譜一般從外觀上要比拉曼峰寬很多，看起來就像拉曼光譜緩慢變化的基線，對於有些物質，即使濃度很低，其產生的螢光背景也會比整體材料產生的拉曼光譜還要強，通過採用較長波長的近紅外雷射可以將螢光背景相對降低，有利於拉曼特徵信號的提取，但是由於拉曼信號的強度與激發波長的4次方成反比，拉曼信號也會相應變弱，因此在實際測量中必須結合檢測對象來選取雷射光源的波長。
[0004]目前，拉曼光譜分析由於具備檢測速度快、無損檢測等突出的優勢，已被廣泛應用於食品安全、生物醫藥、公共安全、材料科學、珠寶鑑定、地質探礦、環境檢測等領域。近來，國內不少院校開始開設光譜檢測的相關課程以滿足光譜產業化發展的人才需求，而拉曼光譜作為光譜檢測的一種方法，其過程涵蓋了雷射器原理、光譜測量及分析方法、光譜儀工作原理及使用方法等知識點，對光電領域的學生是一個極好的實踐機會，然而市場上的拉曼檢測設備集成度太高，不利於學生認知和提高操作能力，真正適合實驗教學的產品仍然是一個市場空白。
【發明內容】
[0005]針對上述問題，本實用新型的目的是提供一種拉曼光譜測量實驗裝置，該裝置具有很好的可操作性，並且配置了多波長輸出的雷射光源，利於學生全面認知拉曼光譜測量的原理及方法。
[0006]為了實現上述目的，本實用新型採用如下技術方案:一種拉曼光譜測量實驗裝置，其特徵在於:包括控制模塊、多波長雷射器、拉曼探頭、光譜儀和頻譜觀測裝置;控制模塊與多波長雷射器相連用於提供驅動電流並切換輸出波長，多波長雷射器與拉曼探頭的激發端光纖連接，拉曼探頭用於傳輸雷射聚焦照射到待測樣品上並反向收集和過濾樣品產生的拉曼散射光，拉曼探頭的接收端光纖與光譜儀連接，光譜儀用於採集拉曼散射信號，頻譜觀測裝置與光譜儀相連用於拉曼光譜的顯示。
[0007]其中，所述多波長雷射器為可以輸出至少兩個固定波長的窄線寬半導體雷射器，它包括至少兩個波長的雷射器晶片，其前端安裝有快軸準直鏡和慢軸準直鏡，雷射器晶片發出的光經過快慢軸準直後入射到透射式體布拉格光柵上，形成反射光部分和透射光部分，反射光部分沿原路返回到雷射器晶片腔內形成外腔反饋，透射光部分的譜線寬度被壓窄併入射到對應光路上的反射鏡上，反射鏡的位置可調，使各光路的透射光部分均能同時進入聚焦透鏡，最終耦合進入光纖中輸出。
[0008]上述的控制模塊通過多波長雷射器內部安裝的熱敏電阻監控雷射器晶片的溫度，並通過製冷器對雷射器晶片進行加熱或製冷。
[0009]上述的拉曼探頭的激發端光纖和接收端光纖均安裝有光纖接頭，光纖接頭通過適配器與多波長雷射器和光譜儀進行連接。
[0010]上述的光譜儀通過USB接口與頻譜觀測裝置進行連接。
[0011]上述的頻譜觀測裝置具有存儲標準拉曼光譜資料庫的存儲器，可將獲得的拉曼光譜在資料庫內進行匹配。
[0012]本實用新型的有益效果是:本實驗裝置具有很好的可操作性，學生在對設備進行連接、調節及設置測量參數的過程中，能夠充分的接受其中的原理知識，同時本實驗裝置採用了多波長雷射器，學生可以針對不同樣品選取不同波長進行激發，通過對比得到的拉曼光譜，觀測激發波長對螢光背景噪聲、光譜激發效率的影響及規律，還可以利用標準資料庫對被測樣品進行物質鑑別，本實驗裝置適用於光譜學特別是拉曼光譜學的實驗教學，填補了市場空白。
【附圖說明】
[0013]圖1為本實用新型的拉曼光譜測量實驗裝置結構組成圖。
[0014]圖中，丨為控制模塊;2為多波長雷射器;2-1為雷射器晶片；2-2為快軸準直鏡;2-3為慢軸準直鏡;2-4為體布拉格光柵;2-5為反射鏡;2-6為聚焦透鏡;2-7為光纖;3為拉曼探頭;4為待測樣品；5為光譜儀;6為頻譜觀測裝置。
【具體實施方式】
[0015]下面結合附圖和實施例對本實用新型作進一步的說明，以下實施例將有助於本領域的技術人員進一步理解本實用新型，但不以任何形式限制本實用新型，根據本實用新型的思想，可以做出若干變形和改進，這些都屬於本實用新型的保護範圍。
[0016]請參照圖1，本實用新型的拉曼光譜測量實驗裝置，包括控制模塊1、多波長雷射器
2、拉曼探頭3、光譜儀5和頻譜觀測裝置6。
[0017]其中，多波長雷射器2為可以輸出至少兩個固定波長的窄線寬半導體雷射器，它包含至少兩個波長的雷射器晶片2-1，每個雷射器晶片2-1發射出的雷射光束都是非對稱的發散光束(快軸發散角30°到40°，慢軸發散角6°到10° )，需要經過安裝在其前端的快軸準直鏡2-2和慢軸準直鏡2-3分別在兩個方向上進行準直，準直為平行光束後入射到體布拉格光柵2-4上，形成反射光部分和透射光部分，反射光部分沿原路返回到雷射器晶片2-1腔內形成外腔反饋，由於半導體雷射器的譜線寬度與半導體雷射器有源區的長度成反比，因此腔長是影響線寬的關鍵因素之一，設置外腔相當於大幅度的增加諧振腔長，因而能有效地壓窄雷射的譜線寬度，因此，從體布拉格光柵2-4出射的透射光部分的譜線寬度會被明顯窄化，併入射到對應光路上的反射鏡2-5上，每一路上的反射鏡2-5的位置都可以調節，使各光路的透射光部分在此處發生90度折轉且各光路的光束互不相檔，均能同時進入聚焦透鏡2-6，最終耦合進入光纖2-7中輸出。
[0018]上述的快軸準直鏡2-2和慢軸準直鏡2-3需要依據每個雷射器晶片2-1的有源區尺寸和發散角大小進行設計，使每路雷射光束都能同時達到良好的準直效果。
[0019]上述的體布拉格光柵2-4為透射式的體布拉格光柵，其反射率需要結合雷射器晶片2-1的輸出功率進行選擇，一般在15%_35%範圍內。
[0020]本實驗裝置各部分的連接關係如下:控制模塊I與多波長雷射器2相連，用於向其內部的雷射器晶片2-1提供驅動電流，每個雷射器晶片2-1具有其獨立的驅動，調節驅動電流值可以改變其輸出功率，同時，控制模塊I通過多波長雷射器2內部安裝的熱敏電阻監控雷射器晶片2-1的溫度，並通過製冷器對雷射器晶片2-1進行加熱或製冷。學生還可以通過控制模塊I進行波長切換，針對不同的待測樣品4，選取不同的波長進行激發，激發波長的選擇是為了避開螢光的幹擾，因為拉曼位移與激發光頻率無關，不同物質產生螢光的範圍不同，只要能避開該物質的螢光帶的激發光都是可以的，此外拉曼信號的強度與激發波長的4次方成反比，學生通過對比得到的拉曼光譜，可以觀測激發波長對螢光背景噪聲、光譜激發效率的影響及規律。
[0021]多波長雷射器2的輸出光纖2-7與拉曼探頭3的激發端光纖連接，拉曼探頭3用於傳輸雷射聚焦照射到待測樣品4上，被測樣品4產生的拉曼散射光會連同瑞利散射光一起反方向進入拉曼探頭3，在其內部通過濾光片將瑞利散射光濾除，並將收集到的拉曼散射光通過接收端光纖輸出，拉曼探頭3的接收端光纖與光譜儀5連接，光譜儀5用於採集拉曼散射信號，測量時，學生需要針對不同的待測樣品4對光譜儀5的測量參數進行設置，如積分時間、平均次數、平滑度等，才能得到理想的拉曼譜圖。
[0022]拉曼探頭3的激發端光纖和接收端光纖均安裝有光纖接頭，光纖接頭通過適配器與多波長雷射器2和光譜儀5進行連接。
[0023]頻譜觀測裝置6通過USB接口與光譜儀5相連用於拉曼光譜的顯示及後續光譜數據的處理，頻譜觀測裝置6具有存儲標準拉曼光譜資料庫的存儲器，可將獲得的拉曼光譜在資料庫內進行匹配，對被測樣品進行物質鑑別。
【主權項】
1.一種拉曼光譜測量實驗裝置，其特徵在於:包括控制模塊、多波長雷射器、拉曼探頭、光譜儀和頻譜觀測裝置;控制模塊與多波長雷射器相連用於提供驅動電流並切換輸出波長，多波長雷射器與拉曼探頭的激發端光纖連接，拉曼探頭用於傳輸雷射聚焦照射到待測樣品上並反向收集和過濾樣品產生的拉曼散射光，拉曼探頭的接收端光纖與光譜儀連接，光譜儀用於採集拉曼散射信號，頻譜觀測裝置與光譜儀相連用於拉曼光譜的顯示； 其中，所述多波長雷射器為可以輸出至少兩個固定波長的窄線寬半導體雷射器，它包括至少兩個波長的雷射器晶片，其前端安裝有快軸準直鏡和慢軸準直鏡，雷射器晶片發出的光經過快慢軸準直後入射到透射式體布拉格光柵上，形成反射光部分和透射光部分，反射光部分沿原路返回到雷射器晶片腔內形成外腔反饋，透射光部分的譜線寬度被壓窄併入射到對應光路上的反射鏡上，反射鏡的位置可調，使各光路的透射光部分均能同時進入聚焦透鏡，最終耦合進入光纖中輸出。2.根據權利要求1所述的一種拉曼光譜測量實驗裝置，其特徵在於，所述控制模塊通過多波長雷射器內部安裝的熱敏電阻監控雷射器晶片的溫度，並通過製冷器對雷射器晶片進行加熱或製冷。3.根據權利要求1所述的一種拉曼光譜測量實驗裝置，其特徵在於，所述拉曼探頭的激發端光纖和接收端光纖均安裝有光纖接頭，光纖接頭通過適配器與多波長雷射器和光譜儀進行連接。4.根據權利要求1所述的一種拉曼光譜測量實驗裝置，其特徵在於，所述光譜儀通過USB接口與頻譜觀測裝置進行連接。5.根據權利要求1所述的一種拉曼光譜測量實驗裝置，其特徵在於，所述頻譜觀測裝置具有存儲標準拉曼光譜資料庫的存儲器，可將獲得的拉曼光譜在資料庫內進行匹配。
【專利摘要】本實用新型提供了一種拉曼光譜測量實驗裝置，其特徵在於：包括控制模塊、多波長雷射器、拉曼探頭、光譜儀和頻譜觀測裝置，控制模塊與多波長雷射器相連用於提供驅動電流並切換輸出波長，多波長雷射器與拉曼探頭的激發端光纖連接，拉曼探頭用於傳輸雷射聚焦照射到待測樣品上並反向收集和過濾樣品產生的拉曼散射光，拉曼探頭的接收端光纖與光譜儀連接，光譜儀用於採集拉曼散射信號，頻譜觀測裝置與光譜儀相連用於拉曼光譜的顯示，其中，多波長雷射器可以輸出至少兩個固定波長的窄線寬雷射，本實驗裝置具有很好的可操作性，利於學生全面認知拉曼光譜測量的原理及方法，適用於光譜學特別是拉曼光譜學的實驗教學。
【IPC分類】G01N21/65
【公開號】CN205384224
【申請號】CN201620180706
【發明人】周穎, 馬寧, 劉玉鳳, 陸怡思, 周鵬磊, 王瑞松, 郭 東, 郭維振, 劉榮華, 董琳琳
【申請人】北京杏林睿光科技有限公司
【公開日】2016年7月13日
【申請日】2016年3月10日