专利名称：一种显微共焦拉曼光谱仪的制作方法
技术领域：
本发明涉及拉曼光谱测试技术领域，尤其涉及一种显微共焦拉曼光谱仪，可用于样品的实时观测以及拉曼光谱的低成本共焦显微测试。
背景技术：
众所周知，随着现代科技的发展，各种应用于拉曼光谱测试的滤光片应运而生。这些滤光片使得不再需要多个单色仪来过滤激发光，从而让拉曼光谱仪变得比较简单。到目前为止，使用陷波滤光片和边带滤光片的显微单光栅拉曼光谱仪已经占据了主要的拉曼光谱仪市场。同时，为了提高拉曼信号的信噪比，显微拉曼光谱仪一般都采用了共焦技术。现在市场上很多拉曼光谱仪都集成了激光器、显微镜、共焦针孔、光栅和探测器，如附图1所示。在这些商业化的拉曼光谱仪中，光栅和探测器已经与显微共焦光路集成在一起而无法分离。整套系统的集成使得拉曼光谱仪的使用成本非常高，例如市场上一般商业化的拉曼光谱仪的价格都在100万人民币左右，甚至更贵。由于单光栅光谱仪的价格相对便宜，即使配备CCD的单光栅光谱仪的价格也较低，一般只有20-30万左右，因此，单光栅光谱仪一直是大多数科研工作者从事光致发光光谱的主要工具。事实上，单光栅光谱仪只要配上拉曼滤光片，就能够实现拉曼光谱的测量。 但这些单光栅光谱仪却很少被用于研究拉曼光谱，其主要原因是拉曼信号非常弱，需要显微技术来提升激发光的光功率密度，同时也提高拉曼信号光的收集效率和信噪比。因此，利用独立的单光栅光谱仪来实现拉曼光谱的高信噪比的测量，有两个问题需要解决一是实现显微测量，二是实现共焦。现有商业化的显微镜模块的价格也非常便宜，约2万元左右。如何利用现有商业化的显微镜模块来设计功能简单的经济的实用性强的显微共焦模块来解决以上两个问题， 将低成本的单光栅光谱仪升级显微共焦拉曼光谱仪，一直是广大科研工作者迫切希望解决的问题。

发明内容
(一)要解决的技术问题有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种低成本的显微共焦拉曼光谱仪。( 二 )技术方案为达到上述目的，本发明提供了一种新的显微共焦拉曼光谱仪，该光谱仪包括激光器LS ；反射镜MR，用于将激光器LS出射的激光反射到拉曼滤光片EDG ；拉曼滤光片EDG， 用于将反射镜MR反射来的激光反射到显微镜的显微物镜OB ；显微物镜0B，用于将拉曼滤光片EDG反射来的激光汇聚到样品SMP上，并收集激光所激发样品SMP的拉曼和瑞利信号；样品监测光路，用于观察样品SMP的表面微结构以及激光在样品SMP上的聚焦情况；汇聚透镜 LN，用于将经显微物镜OB收集后的拉曼信号聚焦到可调大小针孔SLT ；可调大小针孔SLT， 用于实现拉曼信号的显微共焦探测；单光栅光谱仪，用于探测拉曼信号。
上述方案中，所述的显微共焦拉曼光谱仪还包括用于固定拉曼滤光片EDG的可调角度滤光片架HLD。上述方案中，所述的样品监测光路包括白光源LMP;第一分束器BS1，用于将白光源LMP发出的白光反射到显微物镜0B，并经其聚焦到样品SMP上；第二分束器BS2，用于将显微物镜OB收集的被样品SMP反射的白光反射到监视器CMR ；监视器CMR，用于观测样品 SMP的表面微结构。 上述方案中，所述的样品监测光路中的第一分束器BSl和第二分束器BS2在拉曼测试时能够移出到拉曼信号光路外。(三)有益效果从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果1、本发明提供的这种显微共焦拉曼光谱仪，是利用简单的经济的操作简便的显微共焦模块来与现有经济的单光栅光谱仪相配合，所构成的一种新的显微共焦拉曼光谱仪。 本发明利用现有商业化的显微镜模块和其他光学元件，组合成了简单经济的操作性强的显微共焦拉曼拉曼模块，并与性价比高的单光栅拉曼谱仪一起构成一种新的显微共焦拉曼光谱仪。2、利用这种新的显微共焦拉曼光谱仪，可以实现样品表面和激光斑点的显微观察以及拉曼信号的显微共焦测量。3、利用现有便宜的商业化的显微镜模块，在现有单光栅光谱仪的基础上，仅仅化费5-10万元就可以将其组合成为一套显微共焦拉曼光谱仪，大大降低拉曼光谱仪的使用成本，便于显微共焦拉曼测试技术和谱仪的推广，并能够推动拉曼光谱仪在材料研究中的应用。


为进一步说明本发明的内容及特点，以下结合附图及实施例对本发明方法作一详细的描述，其中图1是现有商业化的显微共焦拉曼光谱仪的结构示意图；图2是本发明提供的显微共焦拉曼光谱仪的结构示意图；图3是基于本发明方法的共焦显微示意图；图4是用本发明装置所测的硅的拉曼谱。
具体实施例方式为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。拉曼光谱仪主要有三光栅的大型拉曼光谱仪和单光栅并配备拉曼滤光片的小型拉曼光谱仪。即使随着现代科技的发展，单光栅拉曼光谱仪做得越来越小，但为了实现显微共焦的功能，单光栅拉曼光谱仪都配备了显微镜。各种商业化的整套系统集使得拉曼光谱仪的使用成本非常高，例如市场上一般商业化的拉曼光谱仪的价格都在100万人民币左右，甚至更贵。同时，目前市场上还存在很多结构非常简单的单光栅光谱仪，其价格非常便宜。原则上，只要为其配备拉曼滤光片，就能够实现拉曼光谱的测量。但为了提高拉曼光谱的信噪比，还必须配备显微镜和共焦针孔来实现显微共焦的拉曼光谱测量。为了实现这一点，我们在现有单光栅光谱仪的基础上发明了一种新的显微共焦拉曼仪，所用的光学元件非常简单，使得将单光栅光谱仪升级成为的单光栅光谱仪的成本也非常低廉，价格大致在5-10万元左右。因此，本发明可以将使用者手中非常便宜和简单的单光栅光谱仪升级成为功能与目前市场上价值近100余万人民币的显微共焦拉曼光谱仪相近的新型的显微共焦拉曼光谱仪，拓展了光谱仪的使用功能，有望得到广泛的推广。本发明提供的显微共焦拉曼仪，包括反射镜、可调角度滤光片架、拉曼滤光片、显微物镜、分束器、监视器、汇聚透镜、可调大小针孔和单光栅光谱仪，具体如图2所示。激光器LS发出的激光被反射镜MR反射到拉曼滤光片EDG上，拉曼滤光片EDG置于可调角度滤光片架HLD之上；拉曼滤光片EDG将反射镜MR反射来的激光反射到显微镜的显微物镜0B， 经显微物镜OB汇聚到样品SMP上；激光所激发样品SMP的拉曼和瑞利信号经显微物镜OB 收集后，瑞利信号被拉曼滤光片EDG滤除，拉曼信号穿过拉曼滤光片EDG，被汇聚透镜LN聚焦到可调大小针孔SLT后，被后面的单光栅光谱仪SPEC来测量。样品和激光斑的观察由样品监测光路来实现，即第一分束器BSl用于将白光源 LMP发出的白光反射到显微物镜0B，并经其聚焦到样品SMP上；被样品SMP反射的白光经显微物镜OB收集后穿过第一分束器BS1，经第二分束器BS2反射到监视器CMR。使用监视器 CMR即可观察样品SMP的表面微结构以及激光在样品SMP上的聚焦情况。第一分束器BSl 和第二分束器BS2在拉曼测试时可以移出到拉曼信号光路外，使得不用样品监测光路时可尽可能地提高拉曼信号的透过率。本发明所涉及的显微共焦原理如图3所示。样品SMP上不同层薄膜的信号经显微物镜OB收集后，再由聚焦透镜LN汇聚到可调大小针孔SLT。只有焦点附近薄膜的拉曼信号才能被聚焦到针孔SLT并被后面的单光栅光谱仪所探测，而其他层薄膜的拉曼信号汇聚到针孔附近的焦点，都在针孔前或后而只有少量这种拉曼信号能被探测到。这就实现了样品拉曼信号的显微共焦探测。利用本发明升级了一台英国Andor公司的单光栅光谱仪，该光谱仪配备EMCCD，可实现样品信号的高灵敏度探测。所测得的硅的拉曼信号如图4所示。可以看到，所测拉曼信号的信噪比非常高，完全达到了商业化显微共焦拉曼光谱仪的测试水平，说明本发明的一种升级单光栅光谱仪成为显微共焦拉曼光谱仪的方法非常可靠和实用，可以广泛地用于各种材料的拉曼光谱研究。以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
权利要求
1.一种显微共焦拉曼光谱仪，其特征在于，该光谱仪包括 激光器(LS)；反射镜(MR)，用于将激光器(LS)出射的激光反射到拉曼滤光片(EDG)； 拉曼滤光片(EDG)，用于将反射镜(MR)反射来的激光反射到显微镜的显微物镜(OB)； 显微物镜(OB)，用于将拉曼滤光片(EDG)反射来的激光汇聚到样品(SMP)上，并收集激光所激发样品(SMP)的拉曼和瑞利信号；样品监测光路，用于观察样品(SMP)的表面微结构以及激光在样品(SMP)上的聚焦情况；汇聚透镜(LN)，用于将经显微物镜(OB)收集后的拉曼信号聚焦到可调大小针孔 (SLT)；可调大小针孔(SLT)，用于实现拉曼信号的显微共焦探测；以及单光栅光谱仪，用于探测拉曼信号。
2.根据权利要求1所述的显微共焦拉曼光谱仪，其特征在于，该光谱仪还包括用于固定拉曼滤光片(EDG)的可调角度滤光片架(HLD)。
3.根据权利要求1所述的显微共焦拉曼光谱仪，其特征在于，所述的样品监测光路包括白光源(LMP)；第一分束器(BS1)，用于将白光源(LMP)发出的白光反射到显微物镜(0B)，并经其聚焦到样品(SMP)上；第二分束器(BS2)，用于将显微物镜(OB)收集的被样品(SMP)反射的白光反射到监视器(CM ；以及监视器(CMR)，用于观测样品(SMP)的表面微结构。
4.根据权利要求3所述的显微共焦拉曼光谱仪，其特征在于，所述的样品监测光路中第一分束器(BSl)和第二分束器(BS》在拉曼测试时能够移出到拉曼信号光路外。
全文摘要
本发明公开了一种显微共焦拉曼光谱仪，该光谱仪包括显微共焦拉曼模块和与之匹配的单光栅光谱仪，其中显微共焦拉曼模块包含反射镜、可调角度滤光片架、样品监测光路、拉曼滤光片、显微物镜、汇聚透镜和可调大小针孔。利用显微共焦拉曼模块将激光聚焦到样品并显微观测样品以及相应激光斑点，同时将拉曼信号显微共焦到可调大小针孔，并利用单光栅光谱仪探测拉曼信号。本发明提供了一种简单、经济和调节方便的新的显微共焦拉曼光谱仪，可实现样品以及相应激光斑点的显微观测，将在材料的拉曼光谱测量方面发挥潜在的作用。
文档编号G01N21/65GK102507529SQ20111028848
公开日2012年6月20日 申请日期2011年9月26日 优先权日2011年9月26日
发明者张昕, 罗师强, 谭平恒, 韩文鹏, 鲁妍 申请人:中国科学院半导体研究所