低波数高分辨率宽光谱拉曼光谱仪的集成化设计

针对有限像元数目的不同型号CCD,设计出同时具有低波数、高分辨率和宽光谱特点的光谱仪,对于提高拉曼光谱仪光学性能和满足集成化需求具有重要意义。针对2048像元数的CCD,基于消彗差Czerny-Turner M型光路结构,同时引入柱面透镜改善弧矢方向的像差,成功设计了一款激发波长为532nm,光谱范围为10~2500cm^(-1),分辨率为3cm^(-1)的低波数高分辨率拉曼光谱仪;成像系统点列图、RMS(均方根)半径和调制传递函数(MTF)曲线值均有效证明了其光学性能完全满足设计要求;以此光路结构为基础,将CCD替换为另一种型号的1024像元数CCD,通过选用分光能力更强的光栅,并优化光栅角度,微调聚焦镜和像面位置参数,最终使该拉曼光谱仪光谱范围达到10~1800cm^(-1),分辨率提高到1.8cm^(-1)。这两套光路均最大程度的利用了CCD的有限像元数,有效实现了高分辨率与宽光谱。同时两套光路的光学元件位置变化较小,有效保证了多型号CCD的光谱仪光机集成化设计要求。本文的工作不仅保证了光谱仪光机系统的集成化要求,同时满足系统低波数、高分辨率和宽光谱的设计要求,具有重要的实用价值。

多波长激发高分辨率微型拉曼光谱仪设计

针对不同激光波长激发测试样品所需拉曼光谱范围的差异性问题,同时为了保证拉曼光谱仪的小型化及高分辨率需求,提出一种以Czerny-Turner光路结构为基础的微型拉曼光谱仪,通过Zemax光学设计软件对光谱仪的准直镜、聚焦镜、柱面镜、光栅以及CCD的倾角及距离进行了优化。该仪器激光波长为633 nm,光谱范围为640~800 nm。进一步优化光栅旋转角度并配合聚焦镜,可使此光学系统同时适用于激光波长532 nm、光谱范围540~650 nm和激光波长785 nm、光谱范围790~1000 nm两个波段。拉曼光谱仪分辨率为0.1 nm,该光谱仪在保证高分辨率的情况下解决了不同波段范围光学结构差异性大而导致光机设计很难整合在一起的问题。

低波数高分辨率微型光栅光谱仪的设计

为了满足光栅型光谱仪高分辨率、小型化以及宽谱段的需求,设计了一种基于Czerny-Turner(C-T)型光路结构的拉曼光谱仪。通过Zemax光学设计软件对聚焦镜、准直镜、柱面镜、CCD的倾角和间距进行了自动优化,并设置合理操作数来消除系统的球差和彗差,利用柱面镜来消除系统像散。所设计的拉曼光谱仪波段范围在80~3200 cm^(−1),运用了Zemax操作数平衡光谱仪分辨率、工作波段和体积三个重要指标。设计结果表明,该仪器在785 nm波长激发下,全波段光谱分辨率优于3 cm^(−1),光学结构体积为70 mm×80 mm×25 mm。

激光功率和积分时间对表面增强拉曼光谱的影响

表面增强拉曼光谱(SERS)技术能够有效增强低浓度样品的拉曼光谱强度,然而由于SERS的结构、材质等工艺原因,SERS实际应用中往往由于未能正确选择激光功率与积分时间而导致测量效果显著下降。本文以浓度为2,0.08μg/mL的三聚氰胺溶液样品、Au@Ag NPs纳米柱结构固态SERS基底为例,使用自主搭建的便携式拉曼光谱仪,采集不同激光功率和积分时间下的SERS光谱,使用算法平滑光谱、计算光谱基线,得到样品SERS光谱强度和SERS光谱基线强度变化趋势。实验表明,激发光源功率和积分时间改变时,SERS光谱基线强度在不同光谱区域变化幅度不同,部分光谱区域基线强度的变化幅度远大于样品光谱强度,导致使用拉曼光谱仪进行光谱测量时极易造成光谱强度饱和,影响低浓度样品的测量。临时更换样品试剂或SERS基底又会增加成本,且操作繁琐。研究发现,通过控制激光功率和积分时间这2个简单可控的变量,可以在一定程度上抑制SERS光谱基线、提高样品光谱强度,从而避免因光谱强度易饱和而无法测得低浓度样品光谱信号的问题。