便携式空间外差拉曼光谱仪关键技术研究

Portable Raman spectrometer can realize the identification of various types of molecular structures and materials. As compared to other methods, it has outstanding advantages, such as a wide detection range, real-time and non-invasive detection. It is widely used in food safety, environmental protection, archeology, security of national defense and aerospace fields, among others. Development of portable Raman spectrometer with spatial heterodyne interference technology makes the spectrometer have the advantages of both dispersive Raman spectrometer and Fourier-Transform Raman spectrometer. This project will carry out the following main basic research of portable spatial heterodyne Raman spectrometer: ①.The study on performance optimization of the spectrometer and the suppression method of spectrometer’s scatter light; ②.The study on the influence and correction method of the spectrometer system error on the spectral properties; ③.The study on spectral graph reversion and spectral accuracy calibration method. Through above researches, the project will have the hope to promote the development of portable spatial heterodyne Raman spectroscopy technology, and make the portable spectrometer better to suit for the demand for high precision performance, such as high resolution, high throughout, wide band, high precision, and high stability among others.

便携式拉曼光谱仪能够实现对各种分子结构及物质种类进行鉴别,相比较于其它方法而言, 具有检测范围广、实时性和非侵入性等优点,因此被广泛应用于食品安全、环境保护、考古学、国防安全和航空航天等领域。将空间外差干涉技术应用于便携式拉曼光谱仪，可使仪器同时具有色散型拉曼光谱仪和傅里叶变换拉曼光谱仪的优点。本课题拟针对便携式空间外差拉曼光谱仪关键性的基础研究问题开展如下研究：①.仪器光谱性能优化及仪器杂散光抑制方法研究；②.仪器系统误差对光谱性能影响及其修正方法研究；③.仪器谱图还原及光谱精确定标方法研究。通过以上基础问题研究，本课题可望有助于推进便携式空间外差拉曼光谱仪技术的发展，使便携式空间外差拉曼光谱仪更好适应高分辨率、高光通量、宽波段、高精度、高稳定性等高精密性能指标需求。

拉曼光谱是分子的指纹光谱，能准确地对物质进行鉴别。便携式拉曼光谱仪具有无标记、实时性高、非侵入性和检测范围广等优点,在生物医学、国防安全等诸多领域应用广泛。空间外差拉曼光谱仪，兼具色散型拉曼光谱仪的高色散特性和傅里叶变换拉曼光谱仪的高光通量特性，此外还具有体积小、质量轻、无运动部件等优点，在拉曼光谱弱信号测量、便携式原位测量等方面具有显著优势。.本课题提出了拼接光栅型便携式空间外差拉曼光谱仪技术，建立了该仪器的数学模型并进行了优化分析，通过不同刻线密度光栅的拼接实现了不同光谱测量范围的拼接，使仪器具有高分辨率、高光通量和宽波段等优点；通过光学仿真分析，提出在特定位置加入固定光阑、光学陷阱等降低仪器杂散光的方法；接着分析了仪器系统误差和外界环境变化等对仪器光谱性能的影响；采用多步相移法实现了仪器平像场校正，有效抑制了系统误差对干涉图光场均匀性的影响；提出了基于三阶极小值点和多个子区间分割的拉曼光谱背景扣除算法，有效解决了系统误差和荧光等对拉曼光谱背景的影响；最后，对仪器谱图还原及光谱定标方法进行了研究，采用汞灯和拉曼样品的特征光谱进行了仪器光谱定标，并实现了不同矿石、液体、固体及混合物等样品的拉曼光谱还原。本研究丰富和发展了便携式空间外差拉曼光谱仪技术，可有效改善仪器分辨率、光谱测量范围和杂散光，降低干涉图光场非均匀性和背景光谱等的影响，提高仪器光谱还原质量。预期本项目研究成果将有助于促进便携式拉曼光谱技术及其相关领域的发展，并为我国空间外差拉曼光谱仪及其相关仪器装备的产业化奠定较好的研究基础。