專利名稱：擴(kuò)展截止濾光片工作波長(zhǎng)的結(jié)構(gòu)及其使用方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光譜分析技術(shù)領(lǐng)域，特別提供了一種可以擴(kuò)展截止濾光片工作波長(zhǎng)的結(jié)構(gòu)，以及這種結(jié)構(gòu)的使用方法。
背景技術(shù)：
拉曼散射是光與物質(zhì)非彈性散射的一種現(xiàn)象，基于這一現(xiàn)象的拉曼光譜儀是現(xiàn)代重要的光譜分析技術(shù)，已經(jīng)在固體物理、半導(dǎo)體物理、催化、表面、生物化學(xué)、材料表征和寶石鑒定等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用，憑借它可獲得許多有關(guān)物質(zhì)結(jié)構(gòu)的重要信息。與中子散射等其它實(shí)驗(yàn)手段相比較，拉曼散射具有諸多優(yōu)點(diǎn)，例如，對(duì)樣品無(wú)損傷，所需樣品極少，并可以利用顯微光路系統(tǒng)對(duì)樣品進(jìn)行微區(qū)檢測(cè)，實(shí)驗(yàn)裝置簡(jiǎn)便等，因而日益受到科研工作者的重視。
傳統(tǒng)的大型拉曼譜儀主要用相當(dāng)于兩個(gè)或三個(gè)單色儀串聯(lián)，通過(guò)多次分光作用，以達(dá)到最大的光譜分辨率。但是，這種拉曼譜儀的體積龐大，操作非常不方便，不僅光譜透過(guò)率較低，而且價(jià)格昂貴。由于這個(gè)原因，很多科研單位也采用單聯(lián)單色儀的小型微區(qū)拉曼光譜儀。該譜儀可以用陷波濾波器或截止濾光片濾掉強(qiáng)的瑞利信號(hào)。這種小型譜儀結(jié)構(gòu)緊湊，操作簡(jiǎn)單，價(jià)格相對(duì)較低，因而在科研工作中得到很大的推廣。對(duì)于這樣的小型譜儀，陷波濾波器或截止濾光片是最關(guān)鍵的部件之一。陷波濾波器能濾掉其工作波長(zhǎng)附近的瑞利散射信號(hào)，而在Stokes和anti-Stokes兩側(cè)的信號(hào)都具有很高的透過(guò)率。但是，陷波濾波器的工作波長(zhǎng)會(huì)隨著時(shí)間的延長(zhǎng)而向長(zhǎng)波方向移動(dòng)，這使得陷波濾波器的使用壽命相對(duì)比較短，只能使用數(shù)年。與陷波濾波器不同的是，截止濾光片能濾掉比其工作波長(zhǎng)短的所有光學(xué)信號(hào)，而在Stokes一側(cè)的信號(hào)卻具有很高的透過(guò)率。相對(duì)于陷波濾波器來(lái)說(shuō)，截止濾光片的光學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，其工作波長(zhǎng)不隨時(shí)間的改變而改變，非常穩(wěn)定。這使得截止濾光片在小型微區(qū)拉曼光譜儀中越來(lái)越得到廣泛的使用。
截止濾光片都有特定的工作波長(zhǎng)。如果為小型微區(qū)拉曼光譜儀配備的激光器具有數(shù)條激光線，要利用這些激光線激發(fā)材料的拉曼譜，原則上需要相應(yīng)數(shù)目的不同工作波長(zhǎng)的截止濾光片。目前截止濾光片的價(jià)格還比較昂貴，使得截止濾光片的使用成本比較高。如何改變截止濾光片的工作波長(zhǎng)來(lái)降低截止濾光片的使用成本，是目前推廣小型微區(qū)拉曼光譜儀待解決的最關(guān)鍵問(wèn)題之一。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種擴(kuò)展截止濾光片工作波長(zhǎng)的結(jié)構(gòu)，并介紹了此結(jié)構(gòu)的使用方法。利用此結(jié)構(gòu)，截止濾光片的工作波長(zhǎng)能向短波方向擴(kuò)展40到70納米，大大降低了截止濾光片的使用成本。
本發(fā)明一種擴(kuò)展截止濾光片工作波長(zhǎng)的結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)包括底板、截止濾光片、光學(xué)晶片組、晶片固定器和它們的轉(zhuǎn)動(dòng)裝置。截止濾光片和光學(xué)晶片組固定在晶片固定器上，并安裝在轉(zhuǎn)動(dòng)裝置上，通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)裝置調(diào)節(jié)截止濾光片和光學(xué)晶片組的工作角度，使得截止濾光片和光學(xué)晶片組按相反方向轉(zhuǎn)動(dòng)一定的角度，而又不使得信號(hào)光沿傳播方向穿過(guò)這種擴(kuò)展截止濾光片工作波長(zhǎng)的結(jié)構(gòu)后發(fā)生任何改變。
所述的擴(kuò)展截止濾光片工作波長(zhǎng)的結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)動(dòng)裝置安放在底板上，截止濾光片和光學(xué)晶片組用晶片固定器固定并安裝在轉(zhuǎn)動(dòng)裝置上。
所述的擴(kuò)展截止濾光片工作波長(zhǎng)的結(jié)構(gòu)，光學(xué)晶片組是根據(jù)截止濾光片的光學(xué)性質(zhì)所設(shè)計(jì)的在折射率和厚度上與截止濾光片不一定相同，但要與截止濾光片的光學(xué)性質(zhì)相匹配，利用轉(zhuǎn)動(dòng)裝置把截止濾光片和光學(xué)晶片組按相反方向轉(zhuǎn)動(dòng)一定的角度后，入射激光入射到截止濾光片，經(jīng)截止濾光片折射后穿過(guò)光學(xué)晶片組，由截止濾光片折射導(dǎo)致的側(cè)向平移得到光學(xué)晶片組折射的補(bǔ)償，使得出射光線的方向與入射光線一致。
所述的擴(kuò)展截止濾光片工作波長(zhǎng)的結(jié)構(gòu)，光學(xué)晶片組可以由不同的光學(xué)材料組合而成的晶片組，也可以是單一的光學(xué)晶片。
所述的擴(kuò)展截止濾光片工作波長(zhǎng)的結(jié)構(gòu)，截止濾光片和光學(xué)晶片組初始時(shí)平行排列，所述轉(zhuǎn)動(dòng)裝置可以使截止濾光片和光學(xué)晶片組按相反方向轉(zhuǎn)動(dòng)一定的工作角度。
所述的擴(kuò)展截止濾光片工作波長(zhǎng)的結(jié)構(gòu)，如果對(duì)出射光的側(cè)向平移沒(méi)有要求，該裝置將不包括光學(xué)晶片組。
本發(fā)明一種擴(kuò)展截止濾光片工作波長(zhǎng)的結(jié)構(gòu)的使用方法，通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)裝置調(diào)節(jié)截止濾光片和光學(xué)晶片組的工作角度，截止濾光片的工作波長(zhǎng)能向短波方向移動(dòng)，從而擴(kuò)展了截止濾光片的工作波長(zhǎng)。
所述的擴(kuò)展截止濾光片工作波長(zhǎng)的結(jié)構(gòu)的使用方法，通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)裝置調(diào)節(jié)截止濾光片的工作角度，來(lái)擴(kuò)展調(diào)節(jié)截止濾光片的工作波長(zhǎng)。
本發(fā)明可應(yīng)用于激光拉曼光譜及熒光光譜等光譜技術(shù)中。
下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案做進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明如后，其中


圖1是利用工作波長(zhǎng)為514.5nm的截止濾光片所測(cè)得的晶體硅的拉曼光譜。
圖2是我們?cè)O(shè)計(jì)的擴(kuò)展截止濾光片工作波長(zhǎng)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖。
圖3是光學(xué)晶片組的設(shè)計(jì)要求圖。
圖4是將工作波長(zhǎng)為514.5nm的截止濾光片安裝在本發(fā)明結(jié)構(gòu)上，調(diào)節(jié)其工作角度后，分別用氬離子激光器的497.5nm、488.0nm、476.5nm和457.9nm等激光激發(fā)晶體硅所測(cè)得的拉曼光譜。
具體實(shí)施例方式
截止濾光片作為小型微區(qū)拉曼譜儀最關(guān)鍵的部件之一，為小型微區(qū)拉曼譜儀的推廣使用起到了決定性作用。沒(méi)有截止濾光片等光學(xué)元件濾除掉信號(hào)光中的瑞利散射信號(hào)，利用微區(qū)拉曼譜儀就不能測(cè)得樣品的拉曼光譜。例如，圖1就給出了利用工作波長(zhǎng)為514.5nm的截止濾光片和514.5nm的激光激發(fā)晶體硅所測(cè)得的拉曼光譜。通常情況下，為了獲取更多波長(zhǎng)激光激發(fā)的拉曼譜，為每一條激光線配備相應(yīng)工作波長(zhǎng)的截止濾光片是必不可少的。目前截止濾光片昂貴的價(jià)格又使得科研工作者沒(méi)有足夠經(jīng)費(fèi)購(gòu)買各種工作波長(zhǎng)的截止濾光片而嚴(yán)重影響了他們的科研工作。
我們?cè)O(shè)計(jì)的擴(kuò)展截止濾光片工作波長(zhǎng)的結(jié)構(gòu)如圖2所示。該結(jié)構(gòu)包括底板Base、截止濾光片N、光學(xué)晶片組C、晶片固定器CH1和轉(zhuǎn)動(dòng)裝置。晶片固定器CH1用來(lái)固定截止濾光片N和光學(xué)晶片組C，截止濾光片N和光學(xué)晶片組C安裝在晶片固定器CH1的通孔之內(nèi)。
下面詳細(xì)說(shuō)明光學(xué)晶片組的要求。我們假設(shè)截止濾光片N的有效折射率n1，厚度為d1，截止濾光片N外面介質(zhì)的折射率為n0。當(dāng)信號(hào)光穿過(guò)截止濾光片N后，由于截止濾光片N內(nèi)外的折射率不一樣，信號(hào)光經(jīng)過(guò)截止濾光片N后光線將發(fā)生平移，光線偏離小型微區(qū)拉曼譜儀的共焦孔，而使得探測(cè)器測(cè)不到拉曼信號(hào)。為了避免這種情況，我們?cè)O(shè)計(jì)了一個(gè)光學(xué)晶片組C，其厚度d2和有效折射率n2使得信號(hào)光再穿過(guò)光學(xué)晶片組C后光線又回到原來(lái)的方向。光學(xué)晶片組C對(duì)信號(hào)光經(jīng)過(guò)截止濾光片N后因光線折射所產(chǎn)生的平移起到了補(bǔ)償作用，如圖3所示。
上面所示的光學(xué)晶片組C的補(bǔ)償功能是在光學(xué)晶片組C相對(duì)于信號(hào)光的偏轉(zhuǎn)方向要與截止濾光片N相對(duì)于信號(hào)光的偏轉(zhuǎn)方向相反來(lái)實(shí)現(xiàn)的。為此我們?cè)O(shè)計(jì)了一種簡(jiǎn)單的旋轉(zhuǎn)裝置R，如圖2所示。轉(zhuǎn)動(dòng)裝置包括，三個(gè)螺桿L1、L2和L3，兩個(gè)齒輪R2和R3，三個(gè)螺桿的支撐架H1、H2和H3，以及兩齒輪的支撐架(沒(méi)有標(biāo)出)。其中，齒輪L1兩端具有相反的螺紋，可以驅(qū)動(dòng)兩齒輪R2和R3沿相反方向滾動(dòng)，兩齒輪再帶動(dòng)螺桿L2和L3沿相反方向滑動(dòng)，螺桿L2和L3分別固定在兩晶片固定器CH1上，而兩晶片固定器CH1可以在底板上面旋轉(zhuǎn)，這樣，螺桿L2和L3沿相反方向滑動(dòng)將使得兩晶片固定器CH1沿相反方向旋轉(zhuǎn)相同的角度。
下面我們具體闡述改變截止濾光片工作波長(zhǎng)和延長(zhǎng)其使用壽命的結(jié)構(gòu)的使用方法。
將光學(xué)晶片組和工作波長(zhǎng)為514.5nm的截止濾光片置于我們?cè)O(shè)計(jì)的擴(kuò)展截止濾光片工作波長(zhǎng)的結(jié)構(gòu)中的兩個(gè)晶片固定器CH1上，并將此裝置置于拉曼譜儀的信號(hào)光路上。通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)主動(dòng)螺旋桿L1，就能使得兩晶片固定器向相反的方向轉(zhuǎn)動(dòng)，從而使光學(xué)晶片組和截止濾光片沿相反的方向轉(zhuǎn)動(dòng)相同的角度。利用擴(kuò)展截止濾光片工作波長(zhǎng)的結(jié)構(gòu)上的轉(zhuǎn)動(dòng)裝置把光學(xué)晶片組和截止濾光片按相反方向分別轉(zhuǎn)動(dòng)一定的角度后，截止濾光片的其工作波長(zhǎng)從514.5nm一直能變到457.9nm。利用氬離子激光器的497.5nm、488.0nm、476.5nm和457.9nm等激光作為激發(fā)光，當(dāng)截止濾光片轉(zhuǎn)動(dòng)到相應(yīng)的工作波長(zhǎng)時(shí)，我們分別測(cè)得了非常漂亮的硅的拉曼光譜，如圖4所示。在圖4中，箭頭所指為氬離子激光器的不同激發(fā)光，每一條譜線的R標(biāo)出了在相應(yīng)激發(fā)光下所測(cè)得的晶體硅的拉曼譜。
因此，利用我們?cè)O(shè)計(jì)的擴(kuò)展截止濾光片工作波長(zhǎng)的結(jié)構(gòu)，我們使得原工作波長(zhǎng)為514.5nm的截止濾光片目前的工作波長(zhǎng)基本上覆蓋了氬離子激光器的所有激光線，如514.5nm、501.7nm、496.5nm、488nm、476.5nm、472.7nm、465.8nm和457.9nm。這就大大擴(kuò)展了截止濾光片的功能，節(jié)約有限的科研經(jīng)費(fèi)，并且十分有利于小型微區(qū)的顯微拉曼光譜儀的推廣。
權(quán)利要求
1.一種擴(kuò)展截止濾光片工作波長(zhǎng)的結(jié)構(gòu)，其特征在于，該結(jié)構(gòu)包括底板、截止濾光片、光學(xué)晶片組、晶片固定器以及轉(zhuǎn)動(dòng)裝置。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的擴(kuò)展截止濾光片工作波長(zhǎng)的結(jié)構(gòu)，其特征在于，轉(zhuǎn)動(dòng)裝置安放在底板上，截止濾光片和光學(xué)晶片組用晶片固定器固定并安裝在轉(zhuǎn)動(dòng)裝置上。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的擴(kuò)展截止濾光片工作波長(zhǎng)的結(jié)構(gòu)，其特征在于，光學(xué)晶片組是根據(jù)截止濾光片的光學(xué)性質(zhì)所設(shè)計(jì)的在折射率和厚度上與截止濾光片不一定相同，但要與截止濾光片的光學(xué)性質(zhì)相匹配。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的擴(kuò)展截止濾光片工作波長(zhǎng)的結(jié)構(gòu)，其特征在于，光學(xué)晶片組可以由不同的光學(xué)材料組合而成的晶片組，也可以是單一的光學(xué)晶片。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的擴(kuò)展截止濾光片工作波長(zhǎng)的結(jié)構(gòu)，其特征在于，截止濾光片和光學(xué)晶片組初始時(shí)平行排列，所述轉(zhuǎn)動(dòng)裝置可以使截止濾光片和光學(xué)晶片組按相反方向轉(zhuǎn)動(dòng)一定的工作角度。
6.根據(jù)權(quán)利要求3、5所述的擴(kuò)展截止濾光片工作波長(zhǎng)的結(jié)構(gòu)，其特征在于，利用轉(zhuǎn)動(dòng)裝置把截止濾光片和光學(xué)晶片組按相反方向轉(zhuǎn)動(dòng)一定的角度后，入射激光入射到截止濾光片，經(jīng)截止濾光片折射后穿過(guò)光學(xué)晶片組，由截止濾光片折射導(dǎo)致的側(cè)向平移得到光學(xué)晶片組折射的補(bǔ)償，使得出射光線的方向與入射光線一致。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的擴(kuò)展截止濾光片工作波長(zhǎng)的結(jié)構(gòu)，其特征在于，如果對(duì)出射光的側(cè)向平移沒(méi)有要求，該裝置將不包括光學(xué)晶片組。
8.一種擴(kuò)展截止濾光片工作波長(zhǎng)的結(jié)構(gòu)的使用方法，其特征在于，將根據(jù)權(quán)利要求1所述的擴(kuò)展截止濾光片工作波長(zhǎng)的結(jié)構(gòu)置于信號(hào)光路中，通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)裝置調(diào)節(jié)截止濾光片和光學(xué)晶片組的工作角度，來(lái)調(diào)節(jié)截止濾光片的工作波長(zhǎng)。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的擴(kuò)展截止濾光片工作波長(zhǎng)的結(jié)構(gòu)的使用方法，其特征在于，對(duì)于根據(jù)權(quán)利要求1和7所述的擴(kuò)展截止濾光片工作波長(zhǎng)的結(jié)構(gòu)，通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)裝置調(diào)節(jié)截止濾光片的工作角度，來(lái)擴(kuò)展調(diào)節(jié)截止濾光片的工作波長(zhǎng)。
全文摘要
本發(fā)明涉及光譜分析技術(shù)領(lǐng)域，一種擴(kuò)展截止濾光片工作波長(zhǎng)的結(jié)構(gòu)及其使用方法，該結(jié)構(gòu)包括底板、截止濾光片、光學(xué)晶片組、晶片固定器和轉(zhuǎn)動(dòng)裝置。將轉(zhuǎn)動(dòng)裝置安放在底板上，用晶片固定器固定截止濾光片和與之匹配的光學(xué)晶片組，并將它們安裝在設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)動(dòng)裝置上，通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)裝置改變截止濾光片和光學(xué)晶片組的角度，可以在很寬范圍內(nèi)擴(kuò)展截止濾光片的工作波長(zhǎng)。
文檔編號(hào)G02B26/00GK1959446SQ20051011544
公開(kāi)日2007年5月9日 申請(qǐng)日期2005年11月3日 優(yōu)先權(quán)日2005年11月3日
發(fā)明者譚平恒, 章昊, 甘華東 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所