一種用于獲取喇曼散射光譜的裝置及方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及用于獲取喇曼散射光譜以分析樣品組分的裝置和方法。
【背景技術】
[0002]喇曼散射光譜(Raman scattering spectrum)的獲取不依賴于復雜的樣品前處理，可以用于快速、無損的樣品組分分析。目前市場上已有一些便攜式喇曼光譜儀，它們體積小，結構簡單，使用維護方便。它們所采用的激發波長多為532nm-1064nm，所采用的傳感器多為像傳感器線陣，如電荷耦合器件(CCD)、N型金屬氧化物場效應管(NMOS)。在近紅外波段，采用較長的激發波長有利于減小熒光背景，可在一定程度上提高喇曼散射光檢測的信噪比，不過由于喇曼散射強度反比于激發波長的四次方，對所用檢測單元性能的要求就較高(一般通過降低工作溫度和延長檢測周期來實現)。另一方面，波段在IlOOnm以上的光譜檢測一般使用銦鎵砷(InGaAs)光電二極管線陣，目前這種器件的制造成本比適用波段在IlOOnm以下的像傳感器線陣高得多，直接影響整機的生產成本。受制于上述因素，一般便攜式喇曼光譜儀的靈敏度和光譜分辨率相當有限，性價比也不太高。
[0003]喇曼散射光譜中光子頻率高于激發光的光子頻率的部分(即發射波長長于激發波長的部分)被稱作反斯托克斯光譜(ant1-Stokes spectrum)，光子頻率低于激發光的光子頻率的部分(即發射波長短于激發波長的部分)被稱作斯托克斯光譜(Stokesspectrum)，前者系由處于較低的基電子態的分子受到激發光光子的極化作用后迅即向某個較高的基電子態躍迀發生，后者系由前者所產生的處于較高的基電子態的分子受到激發光光子的極化作用后迅即向較低的基電子態躍迀發生，兩者譜線相對于激發光譜線的頻移關于零點對稱分布。由于非共振熒光的光子頻率一般低于激發光的光子頻率，檢測反斯托克斯光譜有助于排除熒光背景的干擾。另一方面，各能級的分子數呈玻耳茲曼分布，反斯托克斯譜線的強度弱于對應的斯托克斯譜線，且兩者比值隨頻移增大而減小。由于受到體積大小和性能的限制，一般便攜式喇曼光譜儀的設計功能不包含獲取反斯托克斯光譜。
[0004]目前常用于觀測反斯托克斯喇曼光譜的技術有相干反斯托克斯喇曼譜分析(coherent ant1-Stokes Raman spectroscopy)。這種技術是將兩束光子頻率分別為v ^V2(V1)V2)的強激光光束導向樣品且其頻率差恰等于樣品的自發喇曼頻移，從而產生共振的分子振動，同時與頻率為V 3的某一激光光束(可以是所述的頻率為V i的強激光光束)混合，產生頻率為V3+ V1- V2的反斯托克斯光譜；由于所獲得的譜線信號幅值與各物理量(包括樣品組分濃度)關系復雜，背景噪聲大，這種技術難以用于一般的樣品組分定量分析。

【發明內容】

[0005]鑒于以上所述現有技術的缺點，本發明提供一種用于獲取喇曼散射光譜的裝置及方法，以抑制一般便攜式喇曼光譜儀的使用中常見的熒光和背景光的干擾，獲得高光學信噪比，同時成本不致過高。
[0006]為實現上述目標及其它相關目標，本發明提供一種用于獲取喇曼散射光譜的裝置，包括:激發光源，用于產生激發光束；激發光光路，用于將所述激發光束導向待分析的固態或液態樣品以產生喇曼散射光；散射光收集光路，用于收集所述喇曼散射光；含一個或多個檢測通道的檢測裝置，用于接收對應各檢測頻率或子頻段的喇曼散射光信號并轉換成電信號以供分析；連接所述散射光收集光路和所述檢測裝置的一個或多個色散裝置，用于根據接收的所述喇曼散射光形成喇曼散射光譜；其中至少一個色散裝置配置有空間光調制器，所述空間調制器用于在所在色散裝置形成的喇曼散射光譜中選擇對應不同的檢測頻率或子頻段的空間部分逐次導向所述檢測裝置進行檢測，其中，所述喇曼散射光譜的部分或全部為反斯托克斯光譜。
[0007]可選的，所述檢測裝置包括探測器和檢測電路；所述探測器是光電倍增管或光電二極管，工作于線性檢測模式或光子計數模式；在線性檢測模式下，所述探測器輸出的電流信號幅值正比于所述探測器接收的光通量；在光子計數模式下，所述探測器輸出的有效信號脈沖的頻度正比于所述探測器接收的光通量。
[0008]可選的，所述檢測裝置還包括所述激發光束的調制裝置和相應的檢測電路；所述激發光束的調制裝置產生一串調制信號，所述激發光束通過所述調制信號調制，且所述檢測電路通過濾波輸出與所述調制信號頻率一致的信號。
[0009]可選的，所述色散裝置有多個，分別用于形成不同頻段的光譜；所述散射光收集光路還設有一個或多個分束器或者設有一個或多個光導向器；所收集的喇曼散射光通過所述分束器被分配至各所述色散裝置，或者通過所述光導向器被逐次導向各個所述色散裝置，以供各所述色散裝置分別形成不同頻段的喇曼散射光譜。
[0010]可選的，所述光導向器包括以下中的一種:
[0011](I)可活動的微反射鏡陣列或掃描振鏡；通過擺動所述微反射鏡陣列或所述掃描振鏡改變出射光的導向；
[0012](2)可活動的平臺；所述平臺上固定有反射鏡，通過活動所述平臺改變出射光的導向。
[0013]可選的，所述空間光調制器包括以下中的一種:
[0014](I)透射式光學器件；所述空間光調制器將其背面透射的光導向所述檢測裝置；
[0015](2)反射式光學器件；所述空間光調制器將其表面反射的光導向所述檢測裝置。
[0016]可選的，所述空間光調制器是微反射鏡陣列，所述微反射鏡陣列包括:多個微反射鏡單元；每個所述微反射鏡單元包括:一面微反射鏡、一條與所述微反射鏡相鉸接的樞軸、控制電路單元；通過所述控制電路單元驅動某個所述微反射鏡單元的所述微反射鏡繞所連的所述樞軸擺動，以控制所述喇曼散射光譜的各個空間部分從與所述空間光調制器相配的色散裝置至所述檢測裝置的通斷。
[0017]可選的，所述空間光調制器是液晶光振幅空間調制器，所述液晶光振幅空間調制器包括:液晶掩膜與偏振光學元件；所述液晶掩膜包括多個空間單元；可調電源裝置，用于改變施加在所述液晶掩膜的各個空間單元的電壓來改變從所述色散裝置照射到所述液晶掩膜的各個空間單元的透射光的偏振方向，以配合使用所述偏振光學元件控制對應不同檢測頻率或子頻段的喇曼散射光譜的各個空間部分從所述色散裝置至所述檢測裝置的通斷。
[0018]可選的，所述激發光源是激光器，用于產生線寬小于0.3nm的激發光束；所述激發光光路包含光束整形元件和成像光學系統；所述光束整形元件用于對所述激光器發出的激發光束作整形；所述成像光學系統用于將所述激發光束傳輸并匯聚到所述樣品上。
[0019]為實現上述目標及其它相關目標，本發明提供一種用于獲取喇曼散射光譜的方法，包括:提供激發光源，用于產生激發光束；提供激發光光路，用于將所述激發光束導向待分析的固態或液態樣品以產生喇曼散射光；提供散射光收集光路，用于收集所述喇曼散射光；提供含一個或多個檢測通道的檢測裝置，用于接收對應各檢測頻率或子頻段的喇曼散射光信號并轉換成電信號以供分析；提供連接所述散射光收集光路和所述檢測裝置的一個或多個色散裝置，用于導入用所述散射光收集光路所收集的所述喇曼散射光形成喇曼散射光譜；其中至少一個色散裝置配置有空間光調制器，所述空間光調制器用于在所在色散裝置形成的喇曼散射光譜中選擇對應不同的檢測頻率或子頻段的空間部分并逐次導向所述檢測裝置進行檢測，其中，所述喇曼散射光譜的部分或全部為反斯托克斯光譜；所述激發光源產生所述激發光束，所述激發光束通過所述激發光光路被導向所述樣品，所述樣品由此發生喇曼散射；用所