【《便携式拉曼光谱仪的相关光学理论基础概述》3900字】

便携式拉曼光谱仪的相关光学理论基础概述目录TOC\o"1-3"\h\u10658便携式拉曼光谱仪的相关光学理论基础概述 1196981.1便携式拉曼光谱仪的原理及组成 1102351.1.1激光器 2155881.1.2拉曼探头 2279741.1.3微型光谱仪 3110691.2拉曼光谱仪的性能指标 4283431.2.1工作光谱范围 4112901.2.2色散率 473381.2.3分辨率 4205441.3便携式拉曼光谱仪结构的选取 5264621.4光谱仪系统中元器件的选取 718711.4.1光栅 7181271.4.2准直镜 7319451.4.4光电探测器 8179481.5

Zemax相关理论 836651.5.1Zemax软件简介 8223591.5.2Zemax软件的设计流程 8在设计光谱仪系统并组装便携式拉曼光谱仪样机之前，本章对便携式拉曼光谱仪的工作原理、结构组成、光谱仪的原理、本设计的相关光学理论进行阐述并分析，最后确定光学系统中各参数的设置和系统部件的选取。1.1便携式拉曼光谱仪的原理及组成便携式拉曼光谱仪的工作原理如图2-1所示，其基本组成主要有激光器、拉曼探头、光谱仪三部分。图2-1便携式拉曼光谱仪工作原理1.1.1激光器现如今的便携式拉曼光谱仪一般使用输出功率大于100mW，半波宽小于0.15nm，中心波长为532nm或785nm的小型半导体激光器，部分厂商的便携式拉曼光谱仪的激发光源采用中心波长为532nm的小型固态半导体激光器，但其有容易导致被测物发射出荧光的缺点，拉曼信号会受到荧光干扰，近几年也有很多厂商配备中心波长为785nm的红外激光器作为激发光源，由于其光子能量低，所以激发荧光的可能性小，拉曼信号更容易被探测，但拉曼散射效率降低，积分时间增长，要求激发光有更强的功率。1.1.2拉曼探头如下图2-2所示是拉曼探头的两种光路结构，拉曼光纤探头的作用为激光传导、拉曼光收集和滤波[9]。激光作用于被测物激发出的拉曼信号由探头接收，并滤去激光、瑞利散射等非拉曼信号，并将拉曼信号传递至后端光谱仪中。图2-2拉曼探头的典型光路和直角光路1.1.3微型光谱仪光谱仪系统主要由光源和照明系统、准直系统、分光系统、接收系统、探测接收系统等组成。如下图2-3所示，为光谱仪的结构和基本的工作原理图。图2-3光谱仪的结构和原理图（H-光源；L1-聚光灯；S-狭缝；L2-准直镜；G-分光元件；L3-成像镜；PM-探测接收系统）光源和照明系统提供足够的光照强度并汇聚光线照射在待测样品上，使待测样品在照射下反射或投射出拉曼信号。准直系统（由入射狭缝和准直物镜组成，有些光谱仪在准直镜的焦平面上设置入射狭缝来实现准直效果，以达到减小杂散光、减小系统体积的目的）将通过入射狭缝再照射在准直物镜上的入射光准直成平行光再射向分光系统。分光系统的将不同波长的光线、不同频率的拉曼信号分散开（光谱仪分光元件通常选用光栅或棱镜）。分光后，经过成像系统将通过光栅形成分散光重新汇聚并按规律投射在光电探测器上。最后探测接收系统接收成像物镜上的光谱信号，将其进行光电转换，输出电信号到计算机中，经过相关软件分析处理，显示出所测光谱信息。1.2拉曼光谱仪的性能指标1.2.1工作光谱范围是指在光谱仪可以进行光谱检测和分析的光波段范围，主要由光谱仪系统中的光栅、反射镜对不同波长光的反射效率，光栅的衍射、透射效率，以及光电探测器光敏面的感光范围而决定[10]。1.2.2色散率光谱仪的分辨率由色散率直接决定，根据定义可分为两种：1）角色散率（）：不同波长、不同频率的光线在经过分光系统后彼此间的角度分散距离[11]。定义为，是两条不同光线被分光系统分光的角度之差；为两条光线之间的波长差。2）线色散率（）：不同波长、不同频率的光线在经过分光系统后在成像系统焦平面上所分开的距离，定义为。为两条不同波长的光线最终在成像镜上的落点间的距离[12]；为这两条光线之间的波长差。1.2.3分辨率分辨率的单位通常为纳米（nm），而拉曼光谱仪的分辨率的单位为波数（cm-1），为与光谱仪有所不同，定义其为R’，根据公式R=107/(分辨率是光谱仪最重要的参数之一，表明光谱仪可以分辨两条不同波长光线之间的最小波长差的能力。决定分辨率主要因素有光谱仪系统中狭缝的宽度、光栅常熟、成像镜焦距等，分辨率与光栅常数、成像焦距成正比，与狭缝宽度成反比。分辨率越高，对两条波长相差很小的光线的分析能力越准确。由于设计光谱仪的过程中难以在十分精确地计算分辨率，而分析瑞利准则的衍射现象较为简便，因此只需依据瑞利准则对分辨率进行近似的计算即可。瑞利瑞利准则有两个重要的前提条件：假设通过光谱仪后，两条相邻的光线的光强度分布相同；假设接收器具有20%以上的灵敏度[13]。依据瑞利准则计算，光谱仪系统分辨率R为：(2-1)上式中的为被分辨的两条光线的波长差；为其波长的平均值。在光谱仪中，光线线通过孔径衍射后的宽度为：(2-2)上式中D’为矩形孔径的宽度，它是光栅在的分光平面内的有效的孔径宽度。两波长差为的光线，经过分光后的角距离为：(2-3)依据瑞利准则，在满足时，两条波长不同的谱线可被分辨，联立(2-1)、(2-2)、(2-3)三式得：(2-4)(2-5)由式(2-5)得知，理论上光谱仪系统的分辨率为角色散率与孔径宽度的乘积，且与二者呈正相关。1.3便携式拉曼光谱仪结构的选取通过查阅各种资料得知，光谱仪系统主要分为反射式[14]和透射式[15]两种系统，实际情况中大多数光谱仪选用反射式系统，因为反射式光栅也不会产生色差，经反射式光栅形成的光谱相较于投射式光栅更加平直也更容易被探测接收系统捕获。而且通过反射基本上可以覆盖整个光谱范围，因此选择反射式结构对光谱范围限制相对较少，对微型光谱仪光学系统的设计更有利。反射式光学结构还可以大概分为三种：水平成像结构、垂直成像结构、自准直成像结构等。光谱仪中常见光学结构有法斯第-艾伯特(Fastie-Ebert)结构、李特洛(Littrow)结构和切尼-特纳(Czerny-Turner)结构[16]等。切尼-特纳光学结构（以下使用简称“C-T结构”）分为对称式结构和交叉式结构。对称式切尼-特纳光学结构如图2-4所示，其入射狭缝、光栅和成像面在左侧，准直镜、成像镜在右侧，整体光学路经像字母“M”，也被称为“M”型C-T结构。对称式C-T结构的优点是分辨率在较宽光谱范围内均匀且比较高，缺点是较交叉式C-T结构体积较大不利于仪器整体体积减小.图2-4对称式Czerny-Turner光路结构交叉式C-T结构如图2-5所示，与对称式C-T结构的区别主要在于光学元器件的位置不同，优点是便于除去系统的杂散光，相较于对称式C-T结构内部元器件布局更紧凑，能够有效利用空间，有利于减小光谱仪体积。缺点是像差较大，工作光谱范围内容易出现中心波长与边缘波长的对应的慧差和光谱分辨率都相差较大的情况。图2-5交叉式Czerny-Turner光路结构因为本文需要设计的便携式的拉曼光谱仪，考虑到技术要求的工作波长范围不大，且准直系统和成像系统的尺寸在两个维度上基本决定了仪器总体的尺寸，所以为了减小仪器体积，选择交叉式C-T结构为基础基础建立光谱仪系统。1.4光谱仪系统中元器件的选取1.4.1光栅光栅主要分为三种：机刻光栅、复制光栅和全息光栅等[18]。一些光谱仪会采用全息凹面光栅将分光和成像作用整合，使结构更加紧凑，并且全息光栅在大范围的光谱波段内的衍射效率平稳且相对较高，但其价格偏高，采用一般的平面闪耀光栅足以达到本文需求。选择光栅时主要应考虑光栅的刻线、衍射效率、闪耀波长、工作波长范围[17]。根据查阅资料得知，栅线为600线对/mm的光栅工作波段为650nm左右，刻线数适中；本文的设计的光谱仪系统工作光谱范围要求在300-800nm，光栅的闪耀波长需要此范围内。因此选用600线对/mm，闪耀波长为500nm的平面闪耀光栅。1.4.2准直镜准直镜的作用是将接收到的入射光准直为平行光，使其反射向分光系统。选择准直镜需要考虑光谱仪的光谱带宽和形状大小[19]。光谱带宽与准直镜的焦距的关系式为:(2-6)（a1-狭缝宽度；d-光栅常数；m-衍射次数；f1-准直镜的焦距；i-光栅的入射角）可以看出光谱带宽与准直物镜的焦距f1呈反比。根据设计要求并计算后，确定准直物镜的焦距初始值应设置为80mm。1.4.3成像镜选择成像镜主要应考虑CCD探测器的象元分辨力，定义其为[20]：(2-7)（P-象元中心距；d-光栅常数；n-光谱级次，f2-成像镜的焦距；-光栅的衍射角）可以看出象元分辨力与成像镜的焦距呈反比。根据设计要求并计算后，确定成像镜的焦距初始值应设置为80mm。1.4.4光电探测器光电探测器的作用是将接收到的光谱信号转化成电信号，再将电信号输出至计算机。目前商品化光谱仪中的光电探测器主要有：电荷耦合器件（CCD），CMOS图像传感器，PDA光电二极管等[21]。其中电荷耦合器件（CCD）的性能更好，在三者探测面积相等时，CCD的灵敏度更高、噪音更地、功耗更低，利于微型光谱仪保持良好性能。所以在本文设计的光谱仪系统中选用CCD来做探测器。选择CCD探测器时主要参考它的灵敏度、象元的个数、动态范围、光谱响应范围等。综上分析后，本文选择有效像素为2048*64,象元尺寸为14um×14um，工作波长范围在200-1100nm的线阵CCD探测器。1.5

Zemax相关理论1.5.1Zemax软件简介Zemax是由美国焦点软件公司开发的一套综合性很强、性价比很高、功能强大、运算速度可、使用灵活方便的光学设计软件。而且Zemax操作简便，内有各种光学元件资料库，根据不同仿真实验的需求，在软件菜单中可以找到多种多样的功能，如实现光学系统的建模、光迹追踪、像查分析、数据输出，甚至能够采用序列和非序列的方式设置评价评价函数实现结构优化。1.5.2Zemax软件的设计流程光学系统设计是根据对仪器所提出总体技术要求（性能指标、外形体积等），来决定系统中具体的各结构参数，通过输入所需的各参数设计并优化出符合技术要求的光学系统。Zemax软件的设计流程与上述过程基本一致，其设计光学系统的具体流程如下图所示：图2-6光学系统设计流程图首先，输入系统中光路和各元器件的参数