手持式拉曼光谱检测装置光学系统的设计与实现

作     者：张一超 

作者单位：浙江工业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：隋成华;陈晓明

授予年度：2019年

学科分类：08[工学] 0803[工学-光学工程] 

主      题：拉曼光谱 拉曼探头 手持式拉曼光谱仪 光学设计 

摘      要：拉曼光谱是物质的散射光谱,其谱线的频移、强度和分布与分子的能级直接相关,可以提供物质结构的特征信息。相比传统检测技术,拉曼光谱法具有检测速度快,无损非接触,无需样品制备等优点,已经广泛应用于高校科研、安检安防、食品安全、制药鉴别等领域。拉曼光谱法也是目前光谱学研究领域中发展最快的研究前沿之一。传统拉曼光谱仪一般体积较大、价格昂贵,仅适合于科研院所或高等院校的实验室使用,而手持/便携式拉曼光谱仪作为拉曼检测技术的便携式实现,非常适合于物质的现场检测,且操作简单价格相对便宜,其在各行各业的应用需求也越来越大。小型一体化的拉曼探头是手持式拉曼光谱仪能得以实现的核心部件之一,它的性能对整个检测装置的性能好坏起到了关键的作用。本文介绍了手持/便携式拉曼光谱仪的研究和市场现状,并且分别从经典物理学角度和半经典量子理论角度解释了拉曼光谱原理。阐述了拉曼光谱仪的各个组成部分,设计并制造了一款适用于785 nm激发波长的拉曼探头,其通光孔径为5 mm,工作距离为13.5 mm。使用Zemax软件进行拉曼探头的光路设计,使用SolidWorks软件进行拉曼探头外壳的机械设计,以及使用TracePro软件对整体光路仿真模拟。分别通过3d打印技术和CNC机加工技术实现拉曼探头壳体的制造,并且测试了酒精的拉曼光谱,达到了预期的效果。与现有的市场某一产品相比,该拉曼探头具有更高的性价比。基于拉曼探头的设计和实现,进行了手持/便携式拉曼光谱检测装置初步的光学系统设计,并完成了样机光学系统的组装,利用该装置分别测试了部分毒品（K粉、麻古和冰毒）的拉曼特征谱,经与理论计算结果比对基本吻合。该研究结果表明本文所设计,并实现的拉曼探头以及在此基础上搭建的手持/便携式拉曼光谱检测装置是成功的。该研究工作为今后商业化生产具有自主知识产权的手持/便携式拉曼光谱仪打下了良好的基础。