便携式拉曼光谱仪的光学系统设计与研制_安岩

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1、第３３卷第３期光学学报Ｖｏｌ．３３，Ｎｏ．３２０１３年３月ＡＣＴＡＯＰＴＩＣＡＳＩＮＩＣＡＭａｒｃｈ，２０１３便携式拉曼光谱仪的光学系统设计与研制安岩１，２１＊１１１，２１，２刘英孙强李淳刘兵姜承志１中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，吉林长春１３００３３（２中国科学院大学，北京１０００４９）摘要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

2、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，样机尺寸为２４３ｍｍ×２５ｍｍ×７１ｍｍ。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。关键词光学设计；拉曼光谱仪；Ｃｚｅｒｎｙ－Ｔｕｒｎｅｒ结

3、构；光学探头系统中图分类号Ｏ４３６文献标识码Ａｄｏｉ：１０．３７８８／ＡＯＳ２０１３３３．０３３０００１ＤｅｓｉｇｎａｎｄＤｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆＯｐｔｉｃａｌＳｙｓｔｅｍｆｏｒＰｏｒｔａｂｌｅＲａｍａｎＳｐｅｃｔｒｏｍｅｔｅｒ１，２１１１１，２１，２ＡｎＹａｎＬｉｕＹｉｎｇＳｕｎＱｉａｎｇＬｉＣｈｕｎＬｉｕＢｉｎｇＪｉａｎｇＣｈｅｎｇｚｈｉ１ＣｈａｎｇｃｈｕｎＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＯｐｔｉｃｓ，ＦｉｎｅＭｅｃｈａｎｉｃｓａｎｄＰｈｙｓｉｃｓ，ＣｈｉｎｅｓｅＡｃａｄｅｍｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅｓ，烄烌Ｃｈａｎｇｃｈｕｎ，Ｊｉｌｉｎ１３００３３，Ｃｈｉｎａ２

4、烆ＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＣｈｉｎｅｓｅＡｃａｄｅｍｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅｓ，Ｂｅｉｊｉｎｇ１０００４９，Ｃｈｉｎａ烎ＡｂｓｔｒａｃｔＡｉｍｉｎｇａｔｍｉｎｉａｔｕｒｉｚａｔｉｏｎ，ｈｉｇｈｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎａｎｄｗｅａｋ－ｓｉｇｎａｌｄｅｔｅｃｔｉｏｎｏｆｐｏｒｔａｂｌｅＲａｍａｎｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｅｒ，ｔｈｅｒａｔｉｏｎａｌｏｐｔｉｃａｌｓｙｓｔｅｍｓｏｆｔｈｅｈｉｇｈ－ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎｇｒａｔｉｎｇｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｅｒａｎｄｔｈｅｏｐｔｉｃａｌｐｒｏｂｅｓｙｓｔｅｍｗｉｔｈｌａｒｇｅｏｂｊｅｃｔｓｐａｃｅｎｕｍｅｒｉｃａｌａｐｅｒｔｕｒｅ

5、（ＮＡ）ａｒｅｄｅｓｉｇｎｅｄ，ａｎｄｔｈｅｔｅｓｔｉｎｇｏｆｔｈｅｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｏｆｔｈｅｐｒｏｔｏｔｙｐｅＲａｍａｎｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｅｒｉｓｃｏｍｐｌｅｔｅｄ．ＡｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｔｈｅａｂｅｒｒａｔｉｏｎｔｈｅｏｒｙｏｆｔｈｅＣｚｅｒｎｙ－Ｔｕｒｎｅｒ（Ｃ－Ｔ）ｇｒａｔｉｎｇｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｅｒ，ｕｎｄｅｒｔｈｅｃｏｍａ－ｆｒｅｅｃｏｎｄｉｔｉｏｎ，ｔｈｅｒｅｌａｔｉｏｎｂｅｔｗｅｅｎｔｈｅｉｍａｇｉｎｇｐｌａｎｅａｎｄｔｈｅｓｙｓｔｅｍｐａｒａｍｅｔｅｒｓｏｆｔｈｅｇｒａｔｉｎｇｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｅｒｉｓｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ

6、，ｗｈｉｃｈｅｎｓｕｒｅｓｔｈｅｐｅｒｆｅｃｔｍａｔｃｈｂｅｔｗｅｅｎｔｈｅｓｉｚｅｏｆｔｈｅｉｍａｇｅｐｌａｎｅｏｆｔｈｅｓｙｓｔｅｍａｎｄｔｈｅｓｉｚｅｏｆｔｈｅｌｉｎｅａｒ－ａｒｒａｙＣＣＤ，ａｎｄｔｈｅｎｔｈｅｄｅｓｉｇｎｏｆｔｈｅｎｅｗｃｏｍａ－ｆｒｅｅＣ－Ｔｇｒａｔｉｎｇｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｅｒｉｓｃｏｍｐｌｅｔｅｄ．Ｂｙｕｓｅｏｆｔｈｅｔｅｌｅｐｈｏｔｏｏｐｔｉｃａｌｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆｔｈｅ“ｔｈｉｃｋｄｏｕｂｌｅｔ”，ｔｈｅｃｏｍｐａｃｔｏｐｔｉｃａｌｐｒｏｂｅｓｙｓｔｅｍｗｉｔｈｏｂｊｅｃｔＮＡｏｆ０．３３ｉｓｄｅｓｉｇｎｅｄｗｈｉ

7、ｃｈｐｅｒｆｅｃｔｌｙｍａｔｃｈｅｓｗｉｔｈｔｈｅｅｎｔｒａｎｃｅｐｕｐｉｌｏｆｔｈｅｇｒａｔｉｎｇｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｅｒ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｏｆｔｈｅｓｐｅｃｔｒａｌｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎａｒｅｂｅｔｔｅｒｔｈａｎ０．６ｎｍａｎｄｔｈｅＲａｍａｎｓｐｅｃｔｒｕｍｒａｎｇｅｓｆｒｏｍ７８１ｎｍｔｏ１０１４ｎｍ，ｗｉｔｈｔｈｅｐｒｏｔｏｔｙｐｅｓｉｚｅｏｆ２４３ｍｍ×２５ｍｍ×７１ｍｍ．ＴｈｅｆｉｖｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｐｅａｋｓｏｆＲａｍａｎｓｐｅｃｔｒｕｍｏｆＣＣＬ４ａｒｅｓｕｃｃｅｓｓｆｕｌｌｙｍｅａｓｕｒｅｄｂｙｔｈｅｐｒｏｔｏｔｙｐｅＲ

8、ａｍａｎｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｅｒ，ｗｈｉｃｈｖｅｒｉｆｉｅｓｔｈｅｆｅａｓｉｂｉ