一种氧乐果精细拉曼光谱快速检测系统技术方案

本发明专利技术公开了一种氧乐果精细拉曼光谱快速检测系统。由实测物质拉曼光谱、确定合适的空间外差波段范围、设计特定波段高光谱分辨率空间外差检测系统三部分组成。通过测得的氧乐果特征峰波段范围500～850cm

【技术实现步骤摘要】
一种氧乐果精细拉曼光谱快速检测系统
(一)

[0001]本专利技术涉及的是一种氧乐果精细拉曼光谱快速检测系统，可用于精准快速检测氧乐果浓度。
(二)
技术介绍

[0002]光照到物质上都会发生散射，散射又分为弹性散射和非弹性散射。散射光相对于入射光波长和能量都没有发生变化的散射就是弹性散射，反之，散射光相对于入射光波长和能量有所变化的就是非弹性散射，其中能量变化大于1cm^
‑
1的就是拉曼散射效应。拉曼散射的频谱也就是拉曼光谱，谱线的数目、位移的大小和谱线的长度和试样分子的振动与能级都有着直接关系，类似于红外吸收光谱，这些拉曼散射光相对于照射激光的位移(波长变化)与物质的分子基团类型对应，强度取决于物质分子基团的数量，因此拉曼光谱可用于对物质分子进行定性及定量测量。目前，拉曼光谱分析技术被广泛应用在化学研究、环境、生物、药物学、宝石鉴定、食品等领域。
[0003]拉曼分析技术是一种基于拉曼效应的准确、无损、高效的光谱检测技术。尽管如此，普通拉曼光谱测量系统仍然存在诸多问题。首先滤光片滤光效果有限，只能滤除瑞利散射光，对于其他波段的干扰光影响很小；其次光谱仪的光信号利用率低、光谱分辨率有限，对于微弱光谱或混合信号不能实现精确的细分与识别。
[0004]SHS技术用特定设计波段的高分辨SHS仪替代滤光片及普通光谱仪的功能，使其对微弱光信号具有高灵敏性及超光谱分辨能力，能够在物质吸收波长中心范围探测，也可以通过成像系统获得二维空间图像。
(三)
技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于建立氧乐果光谱精细结构分析理论，提供一种特定设计波段的更加精准快速的氧乐果检测系统，为后续测量仪器的研制与产品化奠定理论基础。
[0006]本专利技术的目的是这样实现的：
[0007]由实测氧乐果样品拉曼光谱、确定合适的空间外差波段范围、设计特定波段高光谱分辨率空间外差检测系统组成。检测系统包括由激光器照射氧乐果后，产生拉曼散射光、瑞利散射光经透镜准直，由BS转变成两束相干光，然后分别被G1、G2反向衍射回BS重新聚集在一起，并在出射波面产生空间干涉条纹，由成像探测器上来显示干涉图。氧乐果浓度越高，特征峰峰值越大。
[0008]实测氧乐果样品拉曼光谱:
[0009]通过实验室常用的光源为785nm的激光器照射氧乐果样品，用拉曼光谱仪及计算机检测被测物的拉曼光谱,进而获取其拉曼谱峰信息,选取合适的特征峰波段范围，所选波段范围为500～850cm
‑1。
[0010]确定合适的空间外差波段范围：
[0011]SHS虽然具有超强的光谱探测能力，但是其可测的光谱范围很窄。因此想获取氧乐
果光谱的细节信息，必须使氧乐果的特征峰能落在检测系统的测量范围内。根据实验得出的氧乐果拉曼光谱，较强特征峰频率范围为(σ3～σ4)。设激光器频率为σ0，σ0为12738.9cm
‑1(785nm)。假设SHS的光谱范围(λ1～λ2),频率为(σ1～σ2)。激光器和被测物质的频率之差的绝对值应该落在空间外差的频率范围(σ1～σ2)内。通过以下公式可以反推出SHS的理论波段频率σ1，σ2：
[0012]σ4＝|σ0‑
σ1|与σ3＝|σ0‑
σ2|
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(1)
[0013]根据公式(1)得出SHS频率范围为11888.9～12238.9cm
‑1(841～817nm)。
[0014]设计特定波段高光谱分辨率空间外差检测系统：
[0015]根据所得空间外差波段范围817～841nm，以及公式(2)(3)(4)(5)指导空间外差检测系统的CCD、光栅、扩视场光楔等关键光学部件参数以及光学结构设计，搭建氧乐果的高光谱分辨率空间外差检测系统。
[0016]干涉条纹产生的空间频率可以通过光栅方程进行推导：
[0017]σ(sinθ+sin(θ
‑
γ))＝m/d
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(2)
[0018]上式中σ为入射光的波数，m为光栅衍射级(通常情况下取m＝1)，θ为光栅Littrow角，1/d为光栅的刻线密度。
[0019]对光谱B(σ)输入，探测器在x方向(光栅衍射方向)上获取的干涉图信号为：
[0020][0021]通过对干涉图进行傅里叶变换可以获得光谱，在此过程中，干涉图的获得不需要扫描部件，干涉条纹的零空间频率为σ＝σ0。
[0022]设光栅的长度为W，投影在CCD探测器上的宽度(即CCD探测器的最大的谱面宽度)为W＝2x
m
/cosθ，则空间外差光谱仪的分辨本领为：
[0023]R0＝4Wσsinθ
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(4)
[0024]从上式可以看出，SHS的理论分辨本领等于一个光栅理论分辨本领的两倍，因此SHS的理论分辨本领等于系统中色散元件的分辨本领。
[0025]由采样定理可知，采样频率要大于光谱中最大频率的两倍，则采样信号将给出光谱的全部信息，否则光谱将交叠在一起。空间外差光谱仪中，干涉图的采样间隔需满足：设N为在整个干涉图上的采样点，则SHS的最小分辨率则光谱不发生交叠的情况下，采样点与光谱范围的关系为：
[0026]N＝2Δσ/δσ
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(5)
[0027]设物质拉曼特征峰位于光谱范围σ1～σ2，特征峰半峰宽为R0。首先要保证光谱范围覆盖σ1～σ2，光栅Littrow波数σ0需满足σ0≦σ1(或σ0≧σ2)，根据所得空间外差检测系统频率范围为11888.9～12238.9cm
‑1(841～817nm)，设计光栅Littrow波数为11888.9cm
‑1(841nm)，选择刻线密度为600l/mm。
[0028]由光栅方程2σ0sinθ＝1/d确定光栅倾斜角θ，计算得出Littrow角θ＝14.62
°
。其次对光谱分辨能力进行设计，要求光栅有效宽度W与刻线密度1/d乘积必须大于R0/2，有光谱分辨力R
G
＝W/d≧R0/2，进而确定光栅有效宽度为15mm，光谱分辨能力为18000。最后确定干涉图采样点N，由式(5)可知，在光谱范围确定情况下，光谱分辨率主要与探测器像元数N有
关，通过光谱分辨能力可计算最小分辨率为0.71cm
‑1，且N0≥N＝2Δσ/δσ进而可得干涉图采样点N必须大于986，所以设计选择1024
×
1024面阵CCD探测器。
[0029]本专利技术的有益效果在于：将空间外差技术与拉曼光谱测量相结合，可以有效规避瑞利散射光，具有高光谱分辨率、高通量、大视场等特点。建立了氧乐果拉曼光谱精细结构分析系统，可对公共危害物氧乐果进行非接触、快速、简单、可重复、无需样品准备本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种氧乐果精细拉曼光谱快速检测系统，其特征在于：由实测氧乐果样品拉曼光谱、确定合适的空间外差波段范围、设计特定波段高光谱分辨率空间外差检测系统组成。高光谱分辨率空间外差检测系统包括激光器照射氧乐果后，产生拉曼散射光、瑞利散射光经透镜准直，由BS转变成两束相干光，然后分别被G1、G2反向衍射回BS重新聚集在一起，并在出射波面产生空间干涉条纹，由成像探测器上来显示干涉图。氧乐果浓度越高，特征峰峰值越大。2.根据权利要求1所述的实际检测被测物的拉曼光谱，其特征在于：通过实验常用785nm光源的激光器照射氧乐果样品，用拉曼光谱仪及计算机检测被测物的拉曼光谱,进而获取其拉曼谱峰信息,选取合适的特征峰波段范围，所选波段范围为500～850cm
‑1。3.根据权利要求1所述的确定合适的空间外差波段范围，其特征...

【专利技术属性】
技术研发人员：王润昊，王新强，叶松，李树，王方原，
申请(专利权)人：桂林电子科技大学，
类型：发明
国别省市：