拉曼光譜系統(tǒng)如何實(shí)現(xiàn)小型化、高分辨率需求？
針對(duì)便攜式拉曼光譜儀的小型化、高分辨率需求及弱信號(hào)能量探測(cè)問(wèn)題，設(shè)計(jì)了基于高分辨率光柵光譜儀和物方大數(shù)值孔徑光學(xué)探頭的便攜式拉曼光譜儀的光學(xué)系統(tǒng)，完成了樣機(jī)性能測(cè)試。利用Czerny-Turner(C-T)結(jié)構(gòu)光柵光譜儀的像差特性，在實(shí)現(xiàn)消彗差的條件下，建立了像面大小與光柵光譜儀系統(tǒng)參數(shù)的關(guān)系，保證了系統(tǒng)的像面大小與線陣CCD尺寸之間的完善匹配，完成了新型消彗差C-T結(jié)構(gòu)光柵光譜儀系統(tǒng)。通過(guò)采用厚雙膠合透鏡形式的攝遠(yuǎn)光學(xué)結(jié)構(gòu)，完成了物方數(shù)值孔徑為0.33，并與光柵光譜儀入射光瞳完善匹配的緊湊型光學(xué)探頭系統(tǒng)。實(shí)現(xiàn)了光譜分辨率優(yōu)于0.6nm、拉曼光譜范圍為781～1014nm的便攜式拉曼光譜儀的優(yōu)化設(shè)計(jì)和樣機(jī)研制。通過(guò)樣機(jī)實(shí)驗(yàn)成功獲得了CCL4的5個(gè)拉曼光譜特征峰，驗(yàn)證了整機(jī)拉曼光譜儀系統(tǒng)光學(xué)設(shè)計(jì)的可行性和合理性。
拉曼光譜參數(shù)選擇及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
便攜式拉曼光譜儀的結(jié)構(gòu)主要分為激光器、探頭光學(xué)系統(tǒng)、光柵光譜儀以及計(jì)算機(jī)信號(hào)處理部分，激光器提供穩(wěn)定的激發(fā)光源，探頭光學(xué)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)激發(fā)光源的會(huì)聚以及拉曼散射光的收集，光柵光譜儀則實(shí)現(xiàn)了不同信號(hào)光譜的辨別，最終由微處理系統(tǒng)對(duì)信號(hào)進(jìn)行一系列處理并最終處理拉曼光譜。
拉曼光譜作為物體的一種散射光譜，能夠反映物質(zhì)分子結(jié)構(gòu)情況，可提供豐富的信息，已經(jīng)在生物、化學(xué)、醫(yī)藥材料、食品工業(yè)以及地質(zhì)勘探等領(lǐng)域起著重要作用。隨著科學(xué)技術(shù)日新月異的發(fā)展和眾多前沿學(xué)科的相互交叉、滲透和融合，對(duì)拉曼光譜的應(yīng)用需求提出了高分辨率、小型化、抗震動(dòng)和抗干擾等一系列要求，因而便攜式拉曼光譜儀受到了極大的關(guān)注。國(guó)外在拉曼光譜研究方面比較早，積累了豐富的研制經(jīng)驗(yàn)，針對(duì)便攜式拉曼光譜儀的重要性和國(guó)內(nèi)的研發(fā)現(xiàn)狀，應(yīng)用Czerny-Turner(C-T)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的像差理論，同時(shí)考慮了像面與探測(cè)器尺寸匹配的必要性，設(shè)計(jì)了應(yīng)用于近紅外波段的C-T光柵光譜儀，獲得了滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求的初始結(jié)構(gòu)，經(jīng)Z優(yōu)化設(shè)計(jì)，得到高分辨率消彗差C-T結(jié)構(gòu)。同時(shí)設(shè)計(jì)了與之匹配的光學(xué)探頭系統(tǒng)結(jié)合攝遠(yuǎn)光學(xué)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了物方大數(shù)值孔徑的光學(xué)探頭設(shè)計(jì)。光柵光譜儀的設(shè)計(jì)解決了光譜分辨率問(wèn)題，而光學(xué)探頭系統(tǒng)的設(shè)計(jì)解決了弱拉曼信號(hào)光測(cè)量的問(wèn)題。利用研制的原理樣機(jī)獲得CCL4拉曼光譜，并得到良好的效果，從而充分證明了光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的可行性和合理性。
便攜式拉曼光譜儀的光學(xué)總體結(jié)構(gòu)，包括光學(xué)探頭系統(tǒng)和新型消彗差型C-T光柵光譜儀系統(tǒng)的光學(xué)設(shè)計(jì)，在新型消彗差C-T光柵光譜儀的設(shè)計(jì)中，充分考慮到消彗差條件，并推導(dǎo)出了像面大小與系統(tǒng)參數(shù)之間的關(guān)系式，通過(guò)合理的參數(shù)設(shè)定，實(shí)現(xiàn)了線陣CCD尺寸與像面大小的良好匹配;在光學(xué)探頭系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，采用“厚雙膠合透鏡”形式的攝遠(yuǎn)光學(xué)結(jié)構(gòu)完成了系統(tǒng)緊湊型、消色差、低球差的設(shè)計(jì)，并實(shí)現(xiàn)了物方數(shù)值孔徑為0.33的強(qiáng)收集拉曼散射光線能力，并保證了像方數(shù)值孔徑與光柵光譜儀的物方數(shù)值孔徑匹配，結(jié)構(gòu)小型化，符合便攜式拉曼光譜儀的應(yīng)用要求。通過(guò)光學(xué)探頭和光柵光譜儀的匹配設(shè)計(jì)，獲得了光譜分辨率為0.6nm的便攜式拉曼光譜儀的優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果。
通過(guò)該樣機(jī)對(duì)CCL4的拉曼光譜進(jìn)行測(cè)量，得到了5個(gè)特征拉曼光譜：798.7、804.6、814.3、834.8、836.7nm。從原理和技術(shù)上都充分證明了設(shè)計(jì)的合理性，為進(jìn)一步研制小體積、優(yōu)性能的便攜式拉曼光譜儀奠定了良好的技術(shù)基礎(chǔ)。
