一种228.5nm深紫外拉曼光谱仪

1.本发明属于光谱分析技术领域，特别是一种228.5nm深紫外拉曼光谱仪。


背景技术：

2.拉曼光谱是通过分析入射光与物质分子的非弹性碰撞产生的散射光谱，对与入射光频率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。一张拉曼谱图通常由一定数量的拉曼峰构成，每个拉曼峰代表了相应的拉曼散射光的波长位置和强度。因此，拉曼光谱具有无需提前处理和制备样品就可以无损、快速定性/定量分析气态、液态、固态样品的特点，这使其成为物质鉴定的“指纹”，被广泛应用于在物理、化学、生物学、医学、矿物学、食品安全检测等领域。
3.目前便携式拉曼光谱仪通常采用可见光、近红外光和近紫外光作为激发光源，但是在可见光、近红外光和近紫外光的拉曼光谱仪中存在很多不足，例如：
①
荧光干扰问题：激发光源波长在250nm以上时，拉曼信号中混杂着荧光信号。
②
拉曼信号强度弱：由于光谱强度与光源波长四次方成反比，其拉曼信号强度较弱。
③
易受环境干扰：近红外和可见光的光谱仪通常须将物体取样放在样品盒内测量，无法测量距离较远或无法遮光的物体。
④
人眼不安全问题：可见、近红外和近紫外激光对人眼不安全。
4.200-230nm深紫外光不能透过眼膜，属于人眼安全波段。以此波段作为激发光源的深紫外拉曼光谱仪可以很好的克服这些问题，受到人们的广泛关注。但是现阶段200-230nm深紫外光源通常为气体激光器，体积较大，不利于光谱仪小型化。
5.因此，如何解决普通拉曼光谱仪存在的拉曼强度弱、灵敏度低、荧光干扰强、对人眼不安全等问题，成为当前研究的关键问题。


技术实现要素：

6.鉴于上述问题，本发明提供一种至少解决上述部分技术问题的一种228.5nm深紫外拉曼光谱仪，可以有效解决上述提到的普通拉曼光谱仪存在的拉曼强度弱、灵敏度低、荧光干扰强、对人眼不安全等问题。
7.本发明实施例提供了一种228.5nm深紫外拉曼光谱仪，包括：深紫外激光器(100)、外光路(200)和光谱分析仪(300)；
8.所述深紫外激光器(100)用于发出228.5nm激光；
9.所述228.5nm激光在所述外光路(200)中通过准直和滤波处理后，通过所述外光路(200)中的光纤探针(16)照射到目标样品上，产生散射光；所述散射光被过滤处理后，获得拉曼散射光；
10.所述拉曼散射光经过所述外光路(200)传输到所述光谱分析仪(300)，获得拉曼信号。
11.进一步地，所述深紫外激光器(100)包括激光二极管泵浦源(1)、耦合系统(2)、增益晶体掺钕钒酸钇(3)、声光q装置(4)、反射镜(5)、倍频晶体三硼酸锂(6)、平凹输出镜(7)、
第一聚焦镜(8)和倍频晶体偏硼酸钡(9)；
12.所述激光二极管泵浦源(1)用于产生泵浦光；
13.所述泵浦光经过所述耦合系统(2)和增益晶体掺钕钒酸钇(3)后产生914nm的红外激光；
14.所述红外激光经过所述声光q装置(4)后形成窄线宽脉冲激光，入射到所述倍频晶体三硼酸锂(6)内得到457nm的蓝色激光；
15.所述蓝色激光经过所述反射镜(5)后，由所述平凹输出镜(7)输出，之后通过所述第一聚焦镜(8)，在所述倍频晶体偏硼酸钡(9)处得到228.5nm深紫外激光。
16.进一步地，所述深紫外激光器(100)还包括分光棱镜(10)和光学垃圾桶(11)；
17.所述228.5nm深紫外激光经过所述分光棱镜(10)后被分离成457nm激光和228.5nm激光；其中，所述457nm激光被所述光学垃圾桶(11)收集，最终得到228.5nm激光。
18.进一步地，所述耦合系统(2)包括平凸镜和偏振片；所述平凸镜的焦距为10mm；所述偏振片呈45
°
角放置。
19.进一步地，所述外光路(200)包括第一准直透镜(12)、窄带滤波片(13)、双色镜(14)、第二聚焦镜(15)和光纤探针(16)；
20.所述228.5nm激光由所述第一准直透镜(12)准直后，通过所述窄带滤波片(13)去除杂散光，之后经过所述双色镜(14)反射到所述第二聚焦镜(15)处汇聚成228.5nm激光光束，并导入到所述光纤探针(16)处；
21.所述光纤探针(16)将所述228.5nm激光光束照射到目标样品上，产生散射光；所述228.5nm激光光束和散射光经过所述光纤探针(16)和第二聚焦镜(15)后入射到所述双色镜(14)上；
22.所述双色镜(14)用于反射所述228.5nm激光光束并透过所述散射光。
23.进一步地，所述外光路(200)还包括瑞利散射滤光片(17)、中继透镜(18)和耦合光纤(19)；
24.所述散射光通过所述瑞利散射滤光片(17)过滤后，获得拉曼散射光；
25.所述拉曼散射光通过所述中继透镜(18)聚焦后，经过所述耦合光纤(19)传输至所述光谱分析仪中。
26.进一步地，所述光纤探针(16)为表面增强锥形光纤探针。
27.进一步地，所述表面增强锥形光纤探针包括外包层、光纤纤芯和光纤探头；
28.所述228.5nm激光光束经过所述第二聚焦镜(15)后，通过所述外包层导入所述光纤纤芯，到达掺银的所述光纤探头内；
29.所述228.5nm激光光束从银粒子间隙出射到达目标样品上，激发出散射光，所述散射光通过银粒子间隙入射到所述光纤纤芯并得到有效增强。
30.进一步地，所述双色镜(14)与水平线呈135
°
放置。
31.进一步地，所述光谱分析仪(300)包括狭缝(20)、第二准直透镜(21)、衍射光栅(22)、第三聚焦镜(23)、柱面镜(24)和ccd线阵探测器(25)；
32.所述拉曼散射光进入所述狭缝(20)中，经过所述第二准直透镜(21)准直成平行光，之后入射到所述衍射光栅(22)上，色散后去预设级入射到所述第三聚焦镜(23)上，再经过所述柱面镜(24)来校正光路中的像散，最终入射到所述ccd线阵探测器(25)上，获得拉曼
信号。
33.与现有技术相比，本发明记载的一种228.5nm深紫外拉曼光谱仪，具有如下有益效果：本发明采用自主研发的全固态228.5nm声光调q深紫外激光作为光源，其结构紧凑、使用寿命长、可有效避开荧光干扰、对人眼安全、光频率处于多种物质的吸收带，能够获得更强的拉曼信号。
34.本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
35.下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
36.附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
37.图1为本发明实施例提供的228.5nm深紫外拉曼光谱仪结构示意图。
38.图2为本发明实施例提供的深紫外激光器结构示意图。
39.图3为本发明实施例提供的外光路结构示意图。
40.图4为本发明实施例提供的光纤探针结构示意图。
41.图5为本发明实施例提供的光谱分析仪结构示意图。
42.图中：100-深紫外激光器；200-外光路；300-光谱分析仪；1-激光二极管泵浦源；2-耦合系统；3-增益晶体掺钕钒酸钇；4-声光q装置；5-反射镜；6-倍频晶体三硼酸锂；7-平凹输出镜；8-第一聚焦镜；9-倍频晶体偏硼酸钡；10-分光棱镜；11-光学垃圾桶；12-第一准直透镜；13-窄带滤波片；14-双色镜；15-第二聚焦镜；16-光纤探针；17-瑞利散射滤光片；18-中继透镜；19-耦合光纤；20-狭缝；21-第二准直透镜；22-衍射光栅；23-第三聚焦镜；24-柱面镜；25-ccd线阵探测器；a-外包层；b-光纤纤芯；c-光纤探头。
具体实施方式
43.下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。
44.参见图1所示，本发明实施例所提供的一种228.5nm深紫外拉曼光谱仪，包括：深紫外激光器100、外光路200和光谱分析仪300；其中，深紫外激光器100用于发出228.5nm激光；该228.5nm激光在外光路200中通过准直和滤波处理后，通过外光路200中的光纤探针16照射到目标样品上，产生散射光；所述散射光被过滤处理后，获得拉曼散射光；该散射光被过滤处理后，获得拉曼散射光；该拉曼散射光经过外光路200传输到光谱分析仪300，获得拉曼信号。
45.下面分别对上述深紫外激光器、外光路和光谱分析仪进行详细的说明。
46.1、深紫外激光器100：
47.200-230nm深紫外不能透过眼膜对人眼安全；无荧光干扰，激光波长在250nm以下
时，拉曼光谱可与荧光光谱彻底分离。本发明实施例中，选用自主研发的ld端面泵浦全固态228.5nm声光调q深紫外激光器，该激光器所产生的光源结构紧凑、对人眼安全，是便携式深紫外拉曼光谱仪的优质光源；如图2所示，该深紫外激光器100包括激光二极管泵浦源1、耦合系统2、增益晶体掺钕钒酸钇3、声光q装置4、反射镜5、倍频晶体三硼酸锂6、平凹输出镜7、第一聚焦镜8、倍频晶体偏硼酸钡9、分光棱镜10和光学垃圾桶11；光路走向的空间先后顺序依次为：激光二极管泵浦源1
→
耦合系统2
→
增益晶体掺钕钒酸钇3
→
声光q装置4
→
倍频晶体三硼酸锂6
→
反射镜5
→
平凹输出镜7
→
第一聚焦镜8
→
倍频晶体偏硼酸钡9
→
分光棱镜10；具体为：
48.采用光纤耦合输出的228.5nm激光二极管作为泵浦源，用于产生泵浦光；泵浦光经过由两个焦距为10mm的平凸镜和45
°
角放置的偏振片组成的耦合系统2之后进入增益晶体掺钕钒酸钇3上产生914nm的红外激光；该红外激光经过声光调q装置4形成窄线宽脉冲激光，入射到倍频晶体三硼酸锂6内得到457nm的蓝色激光；该蓝色激光经过反射镜5后由一个平凹输出镜7输出，通过第一聚焦镜聚焦8，在焦点附近放置倍频晶体偏硼酸钡9得到228.5nm深紫外激光；该228.5nm深紫外激光经分光棱镜10后被分离成457nm激光和228.5nm激光；其中，所述457nm激光被所述光学垃圾桶11收集，最终得到228.5nm激光。
49.2、外光路200：
50.如图3所示，本发明实施例中，外光路200包括第一准直透镜12、窄带滤波片13、双色镜14、第二聚焦镜15、光纤探针16、瑞利散射滤光片17、中继透镜18和耦合光纤19；光路走向的空间先后顺序依次为：深紫外激光器100
→
第一准直透镜12
→
窄带滤波片13
→
双色镜14
→
第二聚焦镜15
→
光纤探针16
→
样品；228.5nm激光照射到样品后激发出散射光；散射光的光路走向的空间先后顺序依次为：样品
→
光纤探针16
→
第二聚焦镜15
→
双色镜14
→
瑞利散射滤光片17
→
中继透镜18
→
耦合光纤19；所述表面增强锥形光纤探针用于将228.5nm激光光束照射至样品，同时收集样品上的散射光；具体为：
51.228.5nm激光由第一准直透镜12准直后，通过窄带滤波片13去除杂散光，经过与水平线呈135
°
放置的双色镜14反射到第二聚焦镜15汇聚成228.5nm激光光束，汇聚后的光束导入光纤探针16；光纤探针16将228.5nm激光光束样品上，产生散射光；由样品产生的散射光和被反射的228.5nm激光光束经过光纤探针16和第二聚焦镜15入射到双色镜14上；双色镜14反射228.5nm激光光束并透过散射光；散射光经瑞利散射滤光片17过滤瑞利散射光后只剩下拉曼散射光；拉曼散射光被中继透镜18聚焦之后，通过耦合光纤19传输入光谱分析仪300的狭缝20中；
52.在本发明实施例中，光纤探针16采用表面增强锥形光纤探针；如图4所示，该表面增强锥形光纤探针包括外包层a、光纤纤芯b和光纤探头c；其中，光纤探头c为银纳米粒子；228.5nm激光光束经过第二聚焦镜15后导入光纤纤芯b，到达掺银的光纤探头c内，从银粒子间隙出射到达目标样品上激发出拉曼散射光，拉曼散射光通过银粒子间隙入射到光纤纤芯并得到有效增强；
53.拉曼散射光的强度约占总光散射光强度的10-6-10-10
，属于微弱信号的检测，这就对光谱仪的性能要求很高。表面增强拉曼散射光谱强度可提高10
3-106倍，但是表面增强拉曼需要制备纳米结构的金属基底，然而普通基底制作成本高、过程复杂、重复性差；本发明实施例采用的表面增强锥形光纤探针，具有直径小、不易腐蚀、可任意弯曲等特点，有利于
实现便携、经济的表面增强拉曼光谱仪。
54.并且，228.5nm深紫外光频率接近爆炸物、蛋白质、dna/rna等物质的分子、电子吸收带，电子跃迁将会和分子的振动相耦合，这使待测分子中部分的拉曼信号强度急剧增加，该效应称之为共振拉曼散射，可以获得更强的拉曼信号。采用表面增强锥形光纤探针不仅能有效增强拉曼强度，显著提高检测精度，而且检测角度灵活适用于室外环境。因此，本发明可有效应用在食品安全检测、爆炸物鉴定、农残化学分析、生物医学检测等多种领域。
55.3、光谱分析仪300：
56.如图5所示，光谱分析仪包括：狭缝20、第二准直透镜21、衍射光栅22、第三聚焦镜23、柱面镜24和ccd线阵探测器25，光谱分析仪中拉曼散射光的光路空间先后顺序依次为：狭缝20
→
第二准直透镜21
→
衍射光栅22
→
第三聚焦镜23
→
柱面镜24
→
ccd线阵探测器25；具体为：
57.样品激发出的拉曼散射光由入射狭缝20发出，经过第二准直镜21准直成平行光，入射到反射式衍射光栅22上，色散后取 1级或-1级入射到第二聚焦镜23上，再经过反射式柱面镜24来校正光路中的像散，最终入射到紫外增强的ccd线阵探测器25上采集拉曼信号；该拉曼信号通过光纤传输到计算机可生成拉曼光谱图。
58.本发明实施例提供了一种228.5nm深紫外拉曼光谱仪，采用自主研发的全固态228.5nm声光调q深紫外激光作为光源，其结构紧凑、使用寿命长、可有效避开荧光干扰、对人眼安全、光频率处于多种物质的吸收带，能够获得更强的拉曼信号。外光路基于表面增强光纤探针，解决普通拉曼光谱系统拉曼信号极其微弱，不能满足对微量物质的检测问题。采用银粒子修饰锥形光纤探针可直接增强待测物拉曼信号，解决传统表面增强拉曼需要额外制备金属基底问题。通过改进非对称式czerny－turner光路，在衍射光栅与探测器之间引入反射式的柱面镜，来减少光路中的像散。本发明实施例还简化了拉曼光谱仪系统，使光谱仪结构更紧凑以满足室外使用的需求。
59.显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。