第3章 激光拉曼光谱仪的设计
本章结合前两章的拉曼光谱技术和拉曼光谱仪基本原理等内容，设计了一种用于检测分子结构的傅里叶变换型激光拉曼光谱仪。采用了激光拉曼探针代替了传统光路，仪器的原理构架如图3.1所示。整个仪器系统分为光学系统，三维运动平台系统，温度控制系统，CCD图像定位系统以及计算机处理系统五大部分。进行了表面增强效果及自动对焦验证实验、三聚氰胺检测试验。
图3.1激光拉曼光谱仪的原理构架
由图3.1可以知道，由合适的激光光源发出一定波长的激光，经过光纤传导，由对应的光纤拉曼探针收集，经过探针聚焦等处理之后，照射在待检测物质上，产拉曼散射。拉曼探针收集散射光，通过光纤传入CCD分光光谱仪。在光谱仪中散射光按频率分开，CCD阵列检测不同频率的光强以便得到数字化的散射光谱，再由光谱仪把散射光谱送到计算机，通过光谱分析获取用户感兴趣的信息，如分子结构等。同时，与拉曼探针相连接的三维移动平台可以使得激光在不同的空间位置聚焦，并收集光谱，这能够大大改进仪器的检测使用效率。
3.1 光学系统的设计
本仪器光路系统设计如图3.2所示。它由一个激光发生器，一个激光拉曼探针，一个分光器及CCD阵列以及相应的电源适配器组成。由于采用了光纤拉曼探针，本仪器的光路系统相当简单。这些光学器件间都是通过光纤连接的，光学系统本身相当灵活。其中陷波滤光器的作用是能针对性地将瑞利散射光能量有效地滤除5到6个数量级，这些瑞利散射光波长在以激光波长为中心的几个纳米的波长范围内，从而让该波长范围以外的光信号顺利通过，因此后面就只需使用小型光谱仪色散分出光谱了。这种设计使得整个系统变得小巧紧凑，易整合，能够增强系统稳定性。
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图3.2光学系统原理图
3.1.1 拉曼光纤探针
拉曼探针是拉曼光谱仪中最重要的光学器件之一。它集聚焦和过滤，发射和收集于一体，小巧而轻便。根据需要使用的激发光频率，本设计采用必达泰克(B＆W TEK)的拉曼探针BACl00-532Q，其外形和主要参数如图3.3所示：
BAC100-532nm 532Q 数值孔径：0.22 接口：SMA905 激发光纤产品型号 适用波长 参数 纤芯：105μm 参数 纤芯：200μm OD>6 5.9~7.5 ~5.9mm 密封 90μm 环氩材料接收光纤光学密度 距离(mm) 有效工作聚焦光斑 密封 图3.3激光拉曼探针外形及主要参数
BAC100拉曼探头采用了革新性的外形包装和领先的光学设计，可用在液体、粉末和固体样品的检测。可选波长包括785、532nm。灵活的SMA905端口光纤耦合和耐久的保护外套十分适合光谱仪。拉曼探头适合实验室、野外和过程控制检测使用。 3.1.2 激光器
在拉曼光谱中所需要的光源必须要求线宽窄，输出波长稳定，能量相对较高的光源来作为激发光，以此满足高分辨率和信噪比的要求。
由于拉曼散射的强度与入射光的电场强度平方成正比，因此增大样品上的电场强度是产生足够强的拉曼信号的关键，也就是说要提高光源的功率密度。激光在这方面可以很好的满足需求。另一方面，因为拉曼散射频率与激光光源的发光频率一一对应，
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而多频率的光源必然会导致多频率的散射光，影响拉曼光谱的检测，所以通常在选择光源时，单色性是首先要考率的第一要素[24]。本设计采用的激光器为由上海幻晟光电科技有限公司提供的型号为MR.IR.980.1W的激光光源，其外型及主要参数如图3.4所示：
图3.4激光器外形及主要参数
其输出波长可有808, 830, 850, 980nm等多种选择，恒温结构设计，稳定性较好，可配TTL进行调制，可以调节功率。应用领域：激光照排系统、近红外激光夜视、长距离激光遥测、固体激光激励系统应用等。 3.1.3 分光光谱仪
分光光谱仪(单色仪)的作用是将复合光分解成单色光或具有一定宽度的谱带，并实现光谱在CCD 上的精确成像。单色仪由入射狭缝、准直镜和衍射光栅组成。单级单色仪系统体积紧凑，可以提供高的通光效率，是最常采用的配置。拉曼散射光经光栅分光后在光谱仪焦平面 (探测器平面)上按波长线性展开。本设计采用的是必达泰克光电科技(上海)有限公司研发的型号为BTCll2E的制冷型光谱仪，其外形和主要参数如图3.5所示：
图3.5分光光谱仪的外观及其主要参数
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3.2 三维运动平台
依照本课题所选定的设计方案，光谱仪需要拉曼探针做平面扫描运动和垂直对焦运动。现拟用高性能直线电机来搭建该平台以降低开发难度与周期。
三维运动平台由三个直线电机及相应的适配零件组成，是整台仪器的核心部件。扫描过程的最高精度取决于三维平台的定位精度，因此为了获得稳定的定位运动性能，需要对其进行详细的综合设计。同时，如果有必要，需要为其加上防尘降噪措施，这是因为三维运动平台是仪器运行中一个主要的运动部件，是产生噪音的主要来源。
本设计选用的是Opt Sigma公司的电机组件。X，Y方向采用型号为SGSP20-35(XY)的组合型运动平台，行程35mm。Z方向采用型号为SGSP20-20(Z)的直线电机，其行程为20mm。SGSP系统电机的标称重复定位精度及回程误差都达3μm以下。X，Y平台与Z方向电机间通过连接块连接，而激光拉曼探针通过一个探针夹持件连接至Z向电机上。为了充分发挥高精度直线电机的定位性能，所有这些零件都有较高的公差要求。
3.3 辅助系统：温度控制系统
由于生物化学反应过程对温度十分敏感，故为了更好的重现反应在生物体内的过程，仪器需要对芯片温度进行控制。由热交换装置，温度控制电路及若干温度传感器组成了测试控制系统。基于生化检测仪器的特点，将半导体制冷片作为热交换的执行机构。
温度控制系统加热/制冷原理块如图3.6所示：向芯片托架输送热量或是从中抽取热量都是由半导体制冷片的不同工作模式来控制的，这构成温度控制系统的执行器。为了监测芯片托架的温度变化，采用了高精度玻封NTC热敏电阻作为温度传感器。以威佛兰斯(WAVELENGTH)公司的型号为WTC3243的超稳型温度控制器为核心，构架温度控制系统。
图3.6芯片温度维持系统原理图
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