双激发波长拉曼光谱仪的双光路集成设计_周天.pdf

第 卷第期 年月光学技术 文章编号：（）双激发波长拉曼光谱仪的双光路集成设计周天，杨照清，马军山，郭汉明，（上海理工大学 光电信息与计算机工程学院，上海 ）（上海理工大学 上海市现代光学系统重点实验室，上海 ）摘要：为了提高高端探测器的利用率与增强拉曼光谱仪同时对不同物质检测的适用性，将多个波长激发的拉曼光谱仪集成设计成为一个光谱仪，将具有重要的应用价值。提出了一种基于 结构双波长（和 ）激发的双通道拉曼光谱仪设计方法。所采用的这种设计方法基于探测器的工作特点为实现双光路结构同时工作创造了条件，从而最大程度的增加了光谱测量范围，同时该方法也实现了对探测器的有效感光面像元的充分利用并且最大程度地实现了高光谱分辨率。优化结果表明对于 的激发波长，分辨率为 、光谱范围达到 ；对于 的激发波长，分辨率为 、光谱范围达到 。关键词：双激发波长；双光路光谱仪；拉曼光谱仪；集成设计；光谱仪光路设计中图分类号：；文献标识码：，（，）（，）：，（），：；收稿日期：；收到修改稿日期：基金项目：上海市地方能力建设项目（）作者简介：周天（），男，硕士研究生，从事光学设计研究。郭汉明（），男，教授，从事超分辨光学显微成像和光谱技术方面的研究。通讯作者：DOI:10.13741/ki.11-1879/o4.2023.02.018引言拉曼光谱仪的工作原理是根据拉曼散射原理，利用拉曼位移产生光谱谱线的位移，从而对物质进行定性和定量分析检测的重要检测仪器。其中微型拉曼光谱仪的小型化、便携化、可集成化等优势使得它在目前拉曼光谱仪的技术领域中大受欢迎。拉曼光谱仪的种类很多，例如便携式光谱仪、显微拉曼光谱仪等。根据色散原理构成的拉曼光谱系统主要是利用光栅和棱镜等分光元件，将激光打在被测物质上的散射光分散开来，最后在探测器上呈现。其中以光栅作为色散光学元件的光谱仪有结构稳定、原理易懂、色散效果好、分辨率高等优点，因而受到市场的青睐。随着当今社会的进步和当代科学技的快速发展，无论是市场还是各大研究所都对拉曼光谱仪的检测性能提出了更高的要求。主要表现在：应具有更高的分辨率，更小的体积，更高的灵敏度和更快的检测速度等。由于 结构光谱仪的原理和拉曼光谱的特点，目前现有市场所有类型的便携式光谱仪所面临的问题以及缺点是功能单一化、应用范围窄、针对性过强，因 此导 致其 检 测的 物质 范 围 很小，过 于单一 。每一款光谱仪都有它比较固定的检测范围或对象，尤其是针对一些个别便携式的拉曼光谱仪来说，它们的局限性会更大。所以本文提出了双通道双激发波长一体化的拉曼光谱仪的设计理念，整合了不同激发波长的光谱仪在物质检测上的优点，取长补短。很大程度上弥补了上述的缺点，有效的解决了上述的问题。本文的研究主要从双通道光路结构的设计、光路结构参量的确定、光路结构的模拟及优化和光学系统的像质分析及实际验证四个部分来介绍。本文最重要的部分是介绍双通道光路结构的设计原理和步骤，重点阐述双光路结构的设计原理。其中，本文有两大设计难点，第一个难点是在分别优化两个光路结构过程中要考虑后面实现两个光路结构的整合还原时，避免两套光路系统光学元器件的干涉；以及两套光路在整合还原后发生干涉的情况下，如何调整光路结构使其避免干涉。第二个难点是在避免结构干涉的前提下，还要保证光学结构在像质评价、设计指标等方面满足本文的设计需求。双光路系统设计原理及设计指标的确定 双光路系统本文所设计的拉曼光谱仪的双光路的光学结构主要构成为激发光源（激光器）、光栅光谱仪、拉曼探头三个部分。目前，市场主要流通用于科研和工程应用的光栅拉曼光谱仪大多使用 型光路结构。其优点是体积小、结构紧凑、成本低，最主要的原因是结构简单，便于双通道光路结构的设计。还有更重要的一点是 型光路结构比其他结构光路设计上更简单、更便捷并且其像质效果也更好，更有利于谱线的分辨。图双光路结构本文所采用的光路结构是由狭缝、滤光片、凹面反射镜（准直镜和聚焦镜）、平面衍射光栅、和 组成。在这里采取型光路结构。正是因为结合 型光路结构的特点，所以设计出了双通道拉曼光谱仪的光路结构如图所示。为狭缝，和为球面反射镜（其中为准直镜为聚焦镜），为衍射光栅。光线由狭缝入射经过反射后射入衍射光栅，然后经过光栅的分光后的衍射光线得到的汇聚最终成像于 上。如图所示入射角是由凹面镜聚焦光线照射到光栅上的倾角，为光栅衍射角，和为光线在凹面镜和上入射和反射的夹角，为像面倾斜角度。光路设计原理及指标要求的确定本文的集成化光路结构设计方法采用分割设计。本文的分割设计主要分为三点：一是针对探测器（）感光面的分割设计利用；二是针对光路结构的分割设计；三是对已经分割设计好的两套光路系统进行整合还原成双光路系统。第一点主要是基于 型光路结构特点（如图所示），将两个不同激发波长的拉曼光谱仪共同使用一个探测器。将探测器感光面的像素在弧矢方向上平均分成两部分，将分开的两部分分别应用在两个不同激发波长（和 ）的拉曼光路系统上。从而实现在一个探测器上得到两个对不同物质检测的拉曼光谱。第二点对于光路结构的分割设计。本文将图所示的光路结构进行分割，使其变成两个单激发波长的 结构拉曼光谱仪系统，然后分别对两个 型结构的光路系统进行模拟和优化。对于分割后的第期周天，等：双激发波长拉曼光谱仪的双光路集成设计光路结构设计在原理上本文遵循单通道型光路结构的设计理念（包括对光学元件的选择、光谱仪的指标要求、初始结构参量的确定和光路结构的优化等）。第三点，针对设计优化完成的两套型光路结构进行整合还原。本文通过对两套光路系统中的像面在二维平面的重合来进行双光路的还原。具体原理是对一套光路系统进行固定，将另一套光路结构的像面与固定好的光路系统的像面在二维平面进行重合。在像面重合的平移旋转过程中，移动的光路系统中每个元器件的位置与角度都跟随像面进行相同的平移与旋转，保证移动的光路结构每个元器件之间的相对位置的结构参量不变。最终得到本文所设计的双光路结构。结合以上三点设计原理，本文的探测器采用滨松的 深度制冷光谱型 探测器。像 元 个数 为 个，像 元 尺寸 ，像面尺寸为 。分别选择 和 的激光器作为激发波长，带宽分别小于 。根据探测器的技术指标要求和激发激光波长，为激发波长的光路系统的全波段为 ，全波段分辨率为 ；为 激 发 波 长 的 光 路 系 统 全 波 段 为 ，全波段分辨率为 。光路结构参量的确定本文有两个 型光路结构，本文选取 光路结构参量进行详细说明。平面反射衍射光栅是本文所设计的光路系统中的最重要的光学器件，本文采用闪耀光栅，入射角以闪耀角入射，此时的光栅衍射效率（）（）式中，为闪耀波长，起始波长为、终止波长为。由本文设计指标中的全波段范围可知，将、分别 带 入 式 中 计 算 得 到 对 应 的 ，光栅的色散方程为（）（）式中，为光栅常量，为光刻线密度，本文选取 的平面衍射光栅；为衍射级次，取光栅衍射一级光谱，即，为闪耀波长。本文选择的光栅的几何尺寸为 ，其中工作面的大小为 。为了使光栅感光面得到充分的利用，本文 光路系统光栅的入射角 （光路系统入射角 ），由式（）可得 。本文中所设计的两款光谱仪的最小波长差分别为 和 。准直镜的焦距是决定本文所设计的光路系统对应的分辨率（最小波长差）。其中准直镜的焦距和光谱分辨率满足关系 （）式中，为入射狭缝的宽度；为光栅刻线密度；，为光线在光栅上的入射角，入射角和衍射角 在 法 线 的 同 一 侧。由 式（）可 计 算 出 。所以得到本文的准直镜的焦距为 ，对应的曲率半径为 。聚焦镜的焦距 满足 （）（）式中，、分别为起始波长和终止波长；为探测器的感光面有效长度，所以 ，且，可求得 。故在本文中聚焦反射镜的焦距为 ，对 应 的 曲 率 半 径 为 。在本文的光谱仪光学设计过程中，会产生一定的像差，其中球差会影响最终的像质，会使得成像光斑的边缘光线变得模糊，对分辨率有一定的影响。所以要降低此影响，在这里的凹面反射镜的通光口径与焦距需满足 （）取中心波长为 ，由式（）可得 、，故分别选取准直镜有效通光口径 、聚焦镜有效通光口径 。根据上述对本文所设计的光路初始结构参量的计算，所有参量如表所示。针对 的光路初始结构参量同理可得，如表所示。表 初始结构参数变量元器件偏心量倾斜度（）狭缝准直镜 衍射光栅 聚焦镜 探测器 表 初始结构参数变量元器件偏心量倾斜度（）狭缝准直镜 衍射光栅 聚焦镜 探测器 光学技术第 卷光路系统的模拟和优化针对上述所确定的初始结构参量，利用 软件分别对两个 光路结构进行模拟，对初始系统光路进行光线追迹。首先，根据初始结构手动微调光栅、准直镜、聚焦镜和探测器的倾斜角度，使其达到一个比较接近指标的一个光路结构，再利用 软件对微调后的结构进行优化、。先将光栅、准直镜、聚焦镜和探测器所在平面旋转角度这四个值设为变量，再将准直镜和聚焦镜的曲率半径以及各个光学元件之间的距离设置为变量、，对这些变量进行调整。其中主要由光斑的弧矢和子午值、目标分辨率对应的相邻俩波长光斑的距离等来判断的光路系统是否符合设计指标。具体操作实施是通过 软件进行优化操作。优化后的参数如表、所示。表 优化后结构参数变量元器件偏心量倾斜度（）狭缝准直镜 衍射光栅 聚焦镜 探测器 表 优化后结构参数变量元器件偏心量倾斜度（）狭缝准直镜 衍射光栅 聚焦镜 探测器 因为本文的光谱仪工作原理就是根据光栅分光得到的不同波段的光斑满足分辨条件，所以在这里我们要选择忽略垂轴色差。通过上述设置进行反复的自动优化，在每次的优化过程中不断的调整各个光学元件的参数变量，对每个变量进行反复的平衡、优化和调整，最终得出最优的参数方案。最后得到两个满足设计条件的 型光路结构，然后将这两个光路结构进行整合得到最终完整的新型双通道一体化拉曼光谱仪的拉曼光学系统（如图所示）。光学系统的像质分析及实际验证针对上述完成的光学系统，光学分辨率主要是通过 软件中目标分辨率对应的最小相邻波图新型双通道一体化拉曼光谱仪的拉曼光学系统图 系统光路结构低、中、高波长处的点列图图 光路结构低、中、高波长处的点列图长的点列图作为主要的衡量标准，同时再结合 （探测器）的单个像素尺寸的大小综合判定我们的光学系统的光学分辨率是否符合设计标准。点列图作为评价本文光学系统分辨率的重要指标，主要从点列图的两方面个方面来评价，第一方面是根据光路系统低、中、高三个波段处满足分辨率指标要求的最小波长差的相邻光斑间隔来判断两个光斑是否分开，并且满足设计需求。第二方面就是通过点列图可以直观的看到不同波段处的光斑在弧矢和子午两个方向上的大小。和 两个光路结构分别对应的高、中、低波长处最小波长间隔距离的点列图分开情况如图、所示。在这里可以比较清晰的看到，在全波段，对应分辨率的最小波长间隔的相邻光斑都得到了有效的分辨。对于拉曼光谱仪而言，全波段波长对应的光斑大小同样也是影响拉曼光学系统成像质量的重要因素。在这里用 中光斑半径的 值来判断光斑的大小，其中弧矢方向的值如图、所示，子午方向的值如图、所示。根据上图可知，在弧矢方向和子午方向上的光斑尺寸均满足探测器的感光面的尺寸；并且由点列图可知，根据分辨率指标所确定的最小波长间隔的相邻两个光斑在第期周天，等：双激发波长拉曼光谱仪的双光路集成设计图 系统弧矢方向光斑的 值曲线图 系统弧矢方向光斑的 值曲线图 系统子午方向光斑的 值曲线图 系统子午方向光斑的 值曲线图 系统 波长处 曲线子午方向上的距离也满足本文的设计指标要求。曲线在光学成像系统中，站在物理光学的角度对光学系统的成像质量的评价尤为重要。同样对于本文所设计的拉曼光学系统而言，曲线也图 系统 波长处 曲线图 系统 波长处 曲线图 系统 波长处 曲线图 系统 波长处 曲线图 系统 波长处 曲线是非常重要的评价指标之一。如图 所示为 、两个 型拉曼光学系统分别在各自波段的低、中、高波段所对应的 曲线值。其中，横坐标为光学调制传递函数值，纵坐标为光学技术第 卷空间频率（）。在这里横坐标的空间最大频率值的设置为光学系统的最大截止频率值，也就是对应 的奈奎斯特频率值。奈奎斯特频 率，为 两个相邻像元的距离，可近似为单个像元的尺寸。所以本文，代入可得横坐标最大空间频率为 。因此由上图可知，在满足两个光路系统的完美整合一体化的前提下，两个光学系统在子午方向上的 曲线值在全波段均满足本文的设计要求。本文对上述 和 的光路结构进行了实验搭建和验证测试。用 的结构对药片进行光谱检测，用 的结构对乙醇进行光谱检测。如图、所示，这两个结构所检测出的样品拉曼光谱在分辨率和强度上均符合检测要求，达到了本文的设计指标。图 药片拉曼光谱图图 乙醇拉曼光谱图结论本文主要以实现双通道双激发波长拉曼光谱仪的一体化技术指标为依据，提出了基于 探测器的特点，将其感光面在弧矢方向上一分为二，从而使两个激发波长的两套结构的光路实现一体化同时工作。本文使用 光学仿真软件对整个双光路系统进行了模拟和设计，同时还对不同激发波长的 型 光路系统进行了单独优化。在此过程中分析了该系统的成像质量，通过调整各个光学元件的参量，自动优化准直镜、聚焦镜、光栅和探测器间的距离和倾角，最后将两个优化好的光路系统进行整合，最终完成本文的设计任务。本文结构最大的优点是可以同时对 激发 波 长 的 光 路 结 构 善 于 分 析 的 物 质 和 激发波长的光路结构善于分析的物质进行同时检测和分析，弥补了 和 各自的短板。例如 的特点是荧光背景强，善于检测假冒生物制剂、炸药的快速检测、水溶液中分析物的自动定量、在水或有机溶剂中稀释的被分析物检测，而 可以抑制荧光效果，适用于对翡翠、玉石等矿物质的检测和分析。参考文献：曹佃生，林冠宇，杨小虎，等紫外双光栅光谱仪结构设计与波长精度分析中国光学，（）：，（）：，（）：朱雨霁，尹达一，魏传新，等双狭缝高分辨率紫外成像光谱仪光学系统设计半导体光电，（）：，（）：李世文，郑小兵，翟文超宽谱段 光谱仪设计量子电子报，（）：，（）：刘佳畅，李书成，邵荣君，等 型光栅光谱仪光学系统优化设计光学技术，（）：，（）：龙亚雪，王贤俊，郑海燕，等基于紧凑结构的 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