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Zemax光学设计实例（95）--- 一个C-T结构拉曼光谱仪的简单设计

2021-12-18 12:03| 发布者：Davis| 查看：6264| 评论：0|原作者: 小小光08

摘要：本文介绍了使用Zemax进行光学设计的实例，重点是一个C-T结构的拉曼光谱仪。文章对拉曼光谱仪的原理进行了详细介绍，并给出了参数计算和设计仿真的过程。文章指出，激光器、探头光学系统、光栅光谱仪和计算机信号处理系统是构成拉曼光谱仪的主要组成部分。同时，文章还介绍了斯托克斯散射和反斯托克斯散射的概念。

引言：

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、医药材料、食品工业、地质勘探等领域起着重要的作用。

激光拉曼光谱法的原理是拉曼散射效应。当一束频率为v₀的单色光照射到样品上后，分子可以使入射光发生散射。大部分光只是改变光的传播方向，从而发生散射，而穿过分子的透射光的频率，仍与入射光的频率相同，这时，称这种散射称为瑞利散射；

还有一种散射光，它约占总散射光强度的10^-6～10^-10，该散射光不仅传播方向发生了改变，而且该散射光的频率也发生了改变，从而不同于激发光（入射光）的频率，因此称该散射光为拉曼散射。

在拉曼散射中，散射光频率相对入射光频率减少的，称之为斯托克斯散射；频率增加的散射，称为反斯托克斯散射，斯托克斯散射通常要比反斯托克斯散射强得多，拉曼光谱仪通常测定的是斯托克斯散射。

瑞利谱线：其波长与入射光（激发光）的波长相同，强度大约是入射光的千分之一到万分之一之间。

拉曼谱线：其波长与入射光（激发光）的波长不同。波长大于入射光波长的为斯托克斯线，波长小于入射光波长的为反斯托克斯线。

拉曼散射的强度十分微弱，只有瑞利散射的千分之一到十万分之一之间。

拉曼光谱仪的主要组成部分有激光器、探头光学系统、光栅光谱仪、计算机信号处理系统。

激光器提供稳定的窄线宽的激光光源。

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。

光栅光谱仪实现不同信号光谱的辨别。

计算机信号处理系统实现对信号进行一系列的处理并输出结果。

由于近红外波段的荧光背景影响小，噪声低，窄线宽激光器提供更多的物质成分信息，因此本设计采用的是785nm窄线宽激光器，其带宽小于0.2nm；由于拉曼散射光能量只有瑞利散射光能量的10^-3～10^-6，因此设计中选用的滤光片要求OD大于6，这样保证将瑞利散射光的信号降低到与拉曼散射光信号同等级上，才能测到拉曼光谱信号。

以785nm为激发波长对应的光谱范围为781～1014nm。

参数计算：

光栅光谱仪采用常见的Czerny-Turner（C-T）结构，两镜分离的方式避免了Ebert-Fastie结构的二次和多次衍射所带来的杂光问题，也避免了离轴非球面系统的加工和装调问题。

在设计C-T结构时，需要考虑的主要像差是彗差。