拉曼光譜系統如何實現小型化、高分辨率需求？
針對便攜式拉曼光譜儀的小型化、高分辨率需求及弱信號能量探測問題，設計了基于高分辨率光柵光譜儀和物方大數值孔徑光學探頭的便攜式拉曼光譜儀的光學系統，完成了樣機性能測試。利用Czerny-Turner(C-T)結構光柵光譜儀的像差特性，在實現消彗差的條件下，建立了像面大小與光柵光譜儀系統參數的關系，保證了系統的像面大小與線陣CCD尺寸之間的完善匹配，完成了新型消彗差C-T結構光柵光譜儀系統。通過采用厚雙膠合透鏡形式的攝遠光學結構，完成了物方數值孔徑為0.33，并與光柵光譜儀入射光瞳完善匹配的緊湊型光學探頭系統。實現了光譜分辨率優于0.6nm、拉曼光譜范圍為781～1014nm的便攜式拉曼光譜儀的優化設計和樣機研制。通過樣機實驗成功獲得了CCL4的5個拉曼光譜特征峰，驗證了整機拉曼光譜儀系統光學設計的可行性和合理性。
拉曼光譜參數選擇及結構設計
便攜式拉曼光譜儀的結構主要分為激光器、探頭光學系統、光柵光譜儀以及計算機信號處理部分，激光器提供穩定的激發光源，探頭光學系統實現激發光源的會聚以及拉曼散射光的收集，光柵光譜儀則實現了不同信號光譜的辨別，最終由微處理系統對信號進行一系列處理并最終處理拉曼光譜。
拉曼光譜作為物體的一種散射光譜，能夠反映物質分子結構情況，可提供豐富的信息，已經在生物、化學、醫藥材料、食品工業以及地質勘探等領域起著重要作用。隨著科學技術日新月異的發展和眾多前沿學科的相互交叉、滲透和融合，對拉曼光譜的應用需求提出了高分辨率、小型化、抗震動和抗干擾等一系列要求，因而便攜式拉曼光譜儀受到了極大的關注。國外在拉曼光譜研究方面比較早，積累了豐富的研制經驗，針對便攜式拉曼光譜儀的重要性和國內的研發現狀，應用Czerny-Turner(C-T)結構系統的像差理論，同時考慮了像面與探測器尺寸匹配的必要性，設計了應用于近紅外波段的C-T光柵光譜儀，獲得了滿足設計指標要求的初始結構，經Z優化設計，得到高分辨率消彗差C-T結構。同時設計了與之匹配的光學探頭系統結合攝遠光學結構，實現了物方大數值孔徑的光學探頭設計。光柵光譜儀的設計解決了光譜分辨率問題，而光學探頭系統的設計解決了弱拉曼信號光測量的問題。利用研制的原理樣機獲得CCL4拉曼光譜，并得到良好的效果，從而充分證明了光學系統設計的可行性和合理性。
便攜式拉曼光譜儀的光學總體結構，包括光學探頭系統和新型消彗差型C-T光柵光譜儀系統的光學設計，在新型消彗差C-T光柵光譜儀的設計中，充分考慮到消彗差條件，并推導出了像面大小與系統參數之間的關系式，通過合理的參數設定，實現了線陣CCD尺寸與像面大小的良好匹配;在光學探頭系統設計中，采用“厚雙膠合透鏡”形式的攝遠光學結構完成了系統緊湊型、消色差、低球差的設計，并實現了物方數值孔徑為0.33的強收集拉曼散射光線能力，并保證了像方數值孔徑與光柵光譜儀的物方數值孔徑匹配，結構小型化，符合便攜式拉曼光譜儀的應用要求。通過光學探頭和光柵光譜儀的匹配設計，獲得了光譜分辨率為0.6nm的便攜式拉曼光譜儀的優化設計結果。
通過該樣機對CCL4的拉曼光譜進行測量，得到了5個特征拉曼光譜：798.7、804.6、814.3、834.8、836.7nm。從原理和技術上都充分證明了設計的合理性，為進一步研制小體積、優性能的便攜式拉曼光譜儀奠定了良好的技術基礎。
