拉曼光谱系统如何实现小型化、高分辨率需求？

　　针对便携式拉曼光谱仪的小型化、高分辨率需求及弱信号能量探测问题，设计了基于高分辨率光栅光谱仪和物方大数值孔径光学探头的便携式拉曼光谱仪的光学系统，完成了样机性能测试。利用Czerny-Turner(C-T)结构光栅光谱仪的像差特性，在实现消彗差的条件下，建立了像面大小与光栅光谱仪系统参数的关系，保证了系统的像面大小与线阵CCD尺寸之间的完善匹配，完成了新型消彗差C-T结构光栅光谱仪系统。通过采用厚双胶合透镜形式的摄远光学结构，完成了物方数值孔径为0.33，并与光栅光谱仪入射光瞳完善匹配的紧凑型光学探头系统。实现了光谱分辨率优于0.6nm、拉曼光谱范围为781～1014nm的便携式拉曼光谱仪的优化设计和样机研制。通过样机实验成功获得了CCL4的5个拉曼光谱特征峰，验证了整机拉曼光谱仪系统光学设计的可行性和合理性。

　　拉曼光谱参数选择及结构设计

　　便携式拉曼光谱仪的结构主要分为激光器、探头光学系统、光栅光谱仪以及计算机信号处理部分，激光器提供稳定的激发光源，探头光学系统实现激发光源的会聚以及拉曼散射光的收集，光栅光谱仪则实现了不同信号光谱的辨别，最终由微处理系统对信号进行一系列处理并最终处理拉曼光谱。

　　拉曼光谱作为物体的一种散射光谱，能够反映物质分子结构情况，可提供丰富的信息，已经在生物、化学、医药材料、食品工业以及地质勘探等领域起着重要作用。随着科学技术日新月异的发展和众多前沿学科的相互交叉、渗透和融合，对拉曼光谱的应用需求提出了高分辨率、小型化、抗震动和抗干扰等一系列要求，因而便携式拉曼光谱仪受到了极大的关注。国外在拉曼光谱研究方面比较早，积累了丰富的研制经验，针对便携式拉曼光谱仪的重要性和国内的研发现状，应用Czerny-Turner(C-T)结构系统的像差理论，同时考虑了像面与探测器尺寸匹配的必要性，设计了应用于近红外波段的C-T光栅光谱仪，获得了满足设计指标要求的初始结构，经Z优化设计，得到高分辨率消彗差C-T结构。同时设计了与之匹配的光学探头系统结合摄远光学结构，实现了物方大数值孔径的光学探头设计。光栅光谱仪的设计解决了光谱分辨率问题，而光学探头系统的设计解决了弱拉曼信号光测量的问题。利用研制的原理样机获得CCL4拉曼光谱，并得到良好的效果，从而充分证明了光学系统设计的可行性和合理性。

　　便携式拉曼光谱仪的光学总体结构，包括光学探头系统和新型消彗差型C-T光栅光谱仪系统的光学设计，在新型消彗差C-T光栅光谱仪的设计中，充分考虑到消彗差条件，并推导出了像面大小与系统参数之间的关系式，通过合理的参数设定，实现了线阵CCD尺寸与像面大小的良好匹配;在光学探头系统设计中，采用“厚双胶合透镜”形式的摄远光学结构完成了系统紧凑型、消色差、低球差的设计，并实现了物方数值孔径为0.33的强收集拉曼散射光线能力，并保证了像方数值孔径与光栅光谱仪的物方数值孔径匹配，结构小型化，符合便携式拉曼光谱仪的应用要求。通过光学探头和光栅光谱仪的匹配设计，获得了光谱分辨率为0.6nm的便携式拉曼光谱仪的优化设计结果。

　　通过该样机对CCL4的拉曼光谱进行测量，得到了5个特征拉曼光谱：798.7、804.6、814.3、834.8、836.7nm。从原理和技术上都充分证明了设计的合理性，为进一步研制小体积、优性能的便携式拉曼光谱仪奠定了良好的技术基础。