具体实施方式

本公开提供了一种拉曼光谱测试系统，包括单色光模块、光路耦合与输出模块及信号检测模块，其中，单色光模块包括超快激光器，超快激光器用于发射超短脉冲激光，超短脉冲激光的输出波长连续可调；光路耦合与输出模块，用于将单色光模块输出的单色光聚焦至样品表面，激发并收集拉曼散射光，滤除瑞利散射光；信号检测模块，用于接收拉曼散射光并进行检测，得到样品的拉曼光谱。本公开中的拉曼光谱测试系统通过应用输出波长在超宽谱带范围内连续可调的超快激光器并使用少量分光元件，使得激发光源具有在超宽谱带范围连续可调、功率密度高、单色性好等特点。

为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开作进一步的详细说明。但是，本公开能够以不同形式实施，而不应当解释为局限于这里提出的实施例。相反地，提供这些实施例将使公开彻底和完全，并且将本公开的范围完全地传递给本领域技术人员。在附图中，为了清楚，层和区的尺寸以及相对尺寸可能被夸大，自始至终相同附图标记表示相同元件。

以下，将参照附图来描述本公开的实施例。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本公开的范围。在下面的详细描述中，为便于解释，阐述了许多具体的细节以提供对本公开实施例的全面理解。然而，明显地，一个或多个实施例在没有这些具体细节的情况下也可以被实施。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本公开的概念。

在此使用的术语仅仅是为了描述具体实施例，而并非意在限制本公开。在此使用的术语“包括”、“包含”等表明了所述特征、步骤、操作和/或部件的存在，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、步骤、操作或部件。

在此使用的所有术语(包括技术和科学术语)具有本领域技术人员通常所理解的含义，除非另外定义。应注意，这里使用的术语应解释为具有与本说明书的上下文相一致的含义，而不应以理想化或过于刻板的方式来解释。

在使用类似于“A、B和C等中至少一个”这样的表述的情况下，一般来说应该按照本领域技术人员通常理解该表述的含义来予以解释(例如，“具有A、B和C中至少一个的系统”应包括但不限于单独具有A、单独具有B、单独具有C、具有A和B、具有A和C、具有B和C、和/或具有A、B、C的系统等)。在使用类似于“A、B或C等中至少一个”这样的表述的情况下，一般来说应该按照本领域技术人员通常理解该表述的含义来予以解释(例如，“具有A、B或C中至少一个的系统”应包括但不限于单独具有A、单独具有B、单独具有C、具有A和B、具有A和C、具有B和C、和/或具有A、B、C的系统等)。

本公开提供了一种拉曼光谱测试系统，如图1所示，包括单色光模块10、光路耦合与输出模块20及信号检测模块30，其中，单色光模块10包括超快激光器101，超快激光器101用于发射超短脉冲激光，超短脉冲激光的输出波长连续可调；光路耦合与输出模块20，用于将单色光模块10输出的单色光聚焦至样品205表面，激发并收集拉曼散射光，滤除瑞利散射光；信号检测模块30，用于接收拉曼散射光并进行检测，得到样品205的拉曼光谱。

超短脉冲激光经过衍射光栅102分光后的光已具有足够的单色性，不需要带通滤光片进行进一步的过滤。因此，上述拉曼光谱测试系统可大幅度提高到达样品205表面的单色光的功率达毫瓦量级，同时单色光的线宽更窄，足以满足大多数拉曼光谱测量的功率和线宽要求。

单色光模块10还包括：衍射光栅102、第一反射镜103和至少一个孔径光阑。衍射光栅102用于使所述超短脉冲激光发生衍射而分光，经衍射光栅102出射的光中，除零级衍射光外的其他各级衍射光都呈按波长连续排列的光谱带；第一反射镜103用于反射经所述衍射光栅102出射的负一级衍射光；至少一个孔径光阑的孔径光阑中心与经所述第一反射镜103反射后的所述负一级衍射光的光轴重合，孔径光阑平面与其光轴垂直，根据所述孔径光阑的孔径大小限制所述负一级衍射光的光束宽度，得到单色光；单色光波长测量装置106用于测量所述单色光的波长。

所述衍射光栅102包括透射式衍射光栅或反射式衍射光栅(图中未示出)。

所述衍射光栅102及所述第一反射镜103置于同一个可旋转支架上，通过旋转改变所述衍射光栅102及所述第一反射镜103相对于所述超短脉冲激光光轴的偏摆角度，从而调节所述负一级衍射光相对于所述孔径光阑的位置。

光路耦合与输出模块20包括：分束器203、显微物镜204和聚焦透镜209。分束器203固定于一竖直二维角度调整架上，用于将单色光模块10输出的单色光准直至显微物镜204；显微物镜204用于将经分束器203反射的单色光聚焦至样品205表面，激发并收集来自于样品205的瑞利散射光和拉曼散射光以传输回分束器203；聚焦透镜209固定于一三维调节架上，通过调节三维调节架可使拉曼散射光精确聚焦入射至信号检测模块30。

光路耦合与输出模块20还包括：至少一个可调谐边带滤光片，例如：本实施例的图1中包括两个可调谐边带滤光片，第一可调谐边带滤光片207和第二可调谐边带滤光片208。上述可调谐边带滤光片位于分束器203和所述聚焦透镜209之间，可对瑞利散射光进行过滤，得到纯净的拉曼散射光。

可调谐边带滤光207固定于设置在二维竖直可调节架上，用于精细调节其工作角度，二维竖直可调节架，固定于可旋转支架上，用于调节其相对于入射光的偏摆角度。聚焦透镜209放置于三维调节架上，通过调节该三维调节架，可使拉曼散射光精确聚焦入射至信号检测模块30；至少一个第二反射镜201，该第二反射镜201均置于一竖直二维角度调节架上，用于使所述照射至样品205表面的单色光反射至所述分束器203的中心；至少一个第三反射镜202，该第三反射镜202用于使经由所述分束器203的样品205表面反射的拉曼散射光射入所述聚焦透镜209。

可调谐边带滤光片207和可调谐边带滤光片208的截止边带随工作角度连续可调，而且在调节过程中，s波与p波的截止波长在一定范围内没有差异，可调谐边带滤光片207和可调谐边带滤光片208对瑞利散射光的透过率大于等于90％，可调谐边带滤光片207和可调谐边带滤光片208对瑞利散射光的透过率小于0.0001％。

本公开实施例中的拉曼光谱测试系统中的信号检测模块30包括：光谱探测装置，包括：单光栅光谱仪及探测器305，该光谱探测装置用于接收所述拉曼散射光并进行检测，得到所述样品205的拉曼光谱。

该信号检测模块30还包括响应的控制电路。信号检测模块30中的单光栅光谱仪包括狭缝301、第五反射镜302、衍射光栅303、第六反射镜304和探测器305，其中，来自狭缝301的拉曼散射光入射到第五反射镜302，经第五反射镜302反射后的信号光照射到衍射光栅303上，经衍射光栅303色散后的信号光由第六反射镜304进行收集并反射到探测器305进行检测。

在本公开的一些实施例中，反射镜、分束器、可调谐边带滤光片都固定在二维竖直可调节架上，每个调节架都可实现二维方向精细调节。部分所述二维竖直可调节架至于可旋转支架上，所述可旋转支架可插拔地置于固定在光谱仪基底的支柱上。基于此，在切换不同波长单色光和改变可调谐边带滤光片的截止边带时，能够快速地准直调节光路。

另外，在本公开的一些实施例中，当采用拉曼光谱测试系统进行测试的过程中，还采用单色光波长测量装置106来测量经由光阑104和105后的单色光的波长；可选地，该单色光波长测量装置106可以为光纤光谱仪或其他可测试激发光波长的设备。

具体地，本公开是这样来实现的，其方法包括如下操作S1至操作S4：

操作S1：设置超快激光器101输出的超短脉冲激光的输出波长，其应被涵盖在本装置中其他光学元件的工作范围之内；

操作S2：转动单色化光模块10中透射光栅102和第一反射镜103所在的可旋转支架，改变衍射光栅102和第一反射镜103相对于入射光路的偏摆角度，从而改变超快激光器101输出的超短脉冲激光经透射光栅102分光后的负一级光谱带到达第一光阑104上的位置。第一光阑104和第二光阑105用于限制所述单色光光束的大小及过滤不同波长的单色光，得到照射至样品205表面的单色光。用单色光波长测量装置106测量经由第二光阑105出射的单色光波长。

操作S3：通过配置第一反射镜103将所述单色化光模块10中出射的单色光入射到第二反射镜201，并经由第三反射镜202反射到分束器203，进而经分束器203反射后的单色光经由显微物镜204聚焦到样品205表面。同时，来自样品205的瑞利散射光和拉曼散射光，经由显微物镜204收集后入射到分束器203，再经由第三反射镜202反射到第一可调谐边带滤光片207和第二可调谐边带滤光片208。根据入射的单色光波长，转动位于可旋转支架上的第一可调谐边带滤光片207和第二可调谐边带滤光片208，以改变它们相对于入射光的偏摆角度，调整它们的截止边带至适合的波数。第一可调谐边带滤光片207和第二可调谐边带滤光片208将瑞利散射光滤除并衰减到只有原来的至少1/10⁶，而使得绝大部分的拉曼散射光透过，并经聚焦透镜209聚焦进入信号检测模块30中单光栅光谱仪的狭缝301后供单光栅光谱仪检测。

操作S4：重复上述操作S2、操作S3，只需对光路中的光学元件进行微小调节，即可进行下一个单色波长的测试。

以下列举本公开的一种拉曼光谱测试系统的应用实施例。

实施例一：

如图1所示，本实施例公开了一种拉曼光谱测试系统，单色光模块10、光路耦合与输出模块20及信号检测模块30。

作为一个可选实施例，利用此拉曼光谱测试系统，测试转角双层石墨烯G模和金刚石晶体一阶拉曼模的拉曼光谱，得到两者的比值随单色光激发波长在1.68eV至2.21eV内连续变化的拉曼光谱共振轮廓。

其中，单色化光模块10至少包括一个超快激光器101、一个透射光栅102、一个反射镜103和两个光阑104和105，该单色化光模块10用于发出并选择单色光。可选择性的包括一个单色光波长测量装置106，用于测量经由第二光阑105后的单色光波长。

作为可选，单色化光模块10中的超快激光器101包括：Chameleon Ultra II自锁模钛宝石激光器，用于提供680～1080nm的宽带可调谐范围；Chameleon Compact OPO光参量振荡器，用于搭配钛宝石激光器使用提供1000～1600nm的宽带可调谐范围；二次谐波配件，用于搭配钛宝石激光器及光参量振荡器使用提供倍频输出，可分别提供340～540nm及500～800nm的宽带可调谐范围。在大部分输出波长范围内，能够提供数百毫瓦以上的输出，从而保证了超短脉冲激光经光栅分光后仍有足够的功率用于激发样品205。

单色光模块10中透射光栅102和第一反射镜103固定于一个可旋转支架上，使它们相对于入射光路的偏摆角度可以调节。当透射光栅102和第一反射镜103如图1放置时，超快激光器101输出的超短脉冲激光经透射光栅102分光后的负一级光谱带到达第一光阑104，通过透射光栅102和第一反射镜103相对于入射光源的偏摆角度，可改变负一级衍射光光谱带到达光阑104上的位置，利用光阑104限制所述单色光光束的大小，光阑105用于进一步限制经光阑104出射的单色光光束的大小。

作为可选，所述单色光模块10中的透射光栅102的型号为FSTG-XVIS1274-920，工作波段为360～830nm，光栅分辨率为1274mm-¹。

光路耦合与输出模块20包括至少第二反射镜201和第三反射镜202、分束器203、显微物镜204、第四反射镜206、第一可调谐边带滤光片207、第二可调谐边带滤光片208和聚焦透镜209，用于将所述单色光模块10得到的单色光通过两反射镜201、202反射到分束器203的中心，分束器203再将单色光束导向显微物镜204，经显微物镜204聚焦到样品205，来自样品205的瑞利散射光和拉曼散射光经显微物镜204收集后回射到分束器203的中心，经过可调谐边带滤光片207和208来获得纯净的拉曼散射光，进而由聚焦透镜209汇聚到后续的信号检测模块30。

作为可选，光路耦合与输出模块20中，第二反射镜201、第三反射镜202和第四反射镜206均固定于二维竖直可调节架上，使它们的角度均二维可调；调节第二反射镜201使得单色光束可以入射到分束器203的中心。

作为可选，光路耦合与输出模块20中，分束器203、第一可调谐边带滤光片207和第二可调谐边带滤光片208以可插拔的方式分别设置于二维竖直可调节架上，从而能够对其位置和偏摆角度进行精确调节。

进一步地，分束器203的透射率为55％、反射率为45％。分束器203的二维竖直可调节架还包括调节螺纹，能够对二维竖直可调节架上支撑的滤光片的位置和角度进行进一步精细调节。

作为可选，可调谐边带滤光片207和可调谐长波边带滤光片208的型号为TLP01-628(截止边带的可调能量范围为1.97～2.21eV，截止边带的可调波长范围为628～561nm)及TLP01-704(截止边带的可调能量范围为1.76～1.97eV，截止边带的可调波长范围为704～628nm)，在通带内透过率大于90％。其二维竖直可调节架固定于一可旋转支架上，该可旋转支架可插拔地置于固定在光谱仪基底的支柱上，能够对可调谐边带滤光片207和208的位置和偏摆角度进行进一步精细调节。

作为可选，光路耦合与输出模块20中，显微物镜204使用了100倍莱卡显微物镜(数值孔径NA＝0.9)，达到样品205的单色光斑直径为1～2微米。

经过显微物镜204到达样品205表面的单色光的功率可达毫瓦量级，足以满足大多数拉曼光谱测量的功率要求。

作为可选，使用衰减片将经过显微物镜204到达样品205表面的单色光的功率降低至0.5mW，以避免对样品205进行加热及灼伤样品205。

作为可选，聚焦透镜209放置于三维平移调节架上，通过调节三维平移调节架的三个平移轴，不仅能够在二维竖直方向上调节聚焦透镜209的位置，还能够沿垂直于狭缝301的方向调节聚焦透镜209的位置，使得拉曼散射光能够精确入射并聚焦到信号检测模块30的狭缝301，以供信号检测模块30所检测。

信号信号检测模块30中的单光栅光谱仪包括狭缝301、第五反射镜302、衍射光栅303、第六反射镜304和探测器305，其中来自狭缝301的拉曼散射光入射到第五反射镜302，经第五反射镜302反射后的信号光照射到衍射光栅303上，经衍射光栅303色散后的信号光由第六反射镜304进行收集并反射到探测器305进行检测。

本实施例的拉曼光谱的信号获取及分析过程包括以下操作S5至操作S8：

操作S5：设置超快激光器101输出的超短脉冲激光的中心波长为某一值，其应被涵盖在本装置中其他光学元件的工作范围之内；

操作S6：转动单色化光模块10中透射光栅102和第一反射镜103所在的可旋转支架，改变透射光栅102和第一反射镜103相对于入射光路的偏摆角度，改变超快激光器101输出的超短脉冲激光经透射光栅102分光后的负一级衍射光光谱带到达第一光阑104上的位置。第一光阑104和第二光阑105用于限制所述单色光光束的大小，得到照射至样品205表面的单色光。用单色光波长测量装置106测量经由第二光阑105出射的单色光波长。

操作S7：通过配置第一反射镜103将所述单色化光模块10中出射的单色光入射到第二反射镜201，并经由第三反射镜202反射到分束器203，进而经分束器203反射后的单色光经由显微物镜204聚焦到样品205表面。同时，来自样品205的单色光反射光和拉曼散射光，经由显微物镜204收集后入射到分束器203，再经由第三反射镜202反射到第一可调谐边带滤光片207和第二可调谐边带滤光片208。根据入射的单色光波长，转动位于可旋转支架上的第一可调谐边带滤光片207和第二可调谐边带滤光片208，以改变它们相对于入射光的偏摆角度，调整它们的截止边带至适合的波数。第一可调谐边带滤光片207和第二可调谐边带滤光片208将瑞利散射光滤除并衰减到只有原来的至少1/10⁶，而使得绝大部分的拉曼散射光透过，并经聚焦透镜209聚焦进入信号检测模块30中单光栅光谱仪的狭缝301后供单光栅光谱仪检测。

操作S8：重复上述操作S6、操作S7，只需对光路中的光学元件进行微小调节，即可进行下一个单色波长的测试。

如图2所示为超快激光器101发射的超短脉冲激光和单色光模块10出射的能量约为1.85eV的单色光的光谱图，从图中可看出，超快激光器101发射的超短脉冲激光的半宽有13.6meV，而单色光模块10出射的单色光半宽小于1.0meV，可见具有非常好的单色性。

下面利用本实施例的拉曼光谱测试系统，测试转角双层石墨烯的G模的共振轮廓。

如图3所示，为采用本实施例的拉曼光谱测试系统分别在能量为2.14eV和1.85eV的单色光激发下，所测得的转角双层石墨烯的G模(～1580cm^-1)的拉曼光谱。

因为拉曼信号的强度与激光功率有关，得到共振强度谱需要对激发光功率进行归一。如图4所示，在此实施例中，为采用本实施例的拉曼光谱测试系统所测得的转角双层石墨烯的G模的拉曼强度在1.68～2.21eV能量范围内相对于单色激发光变化的关系，不同能量激发下的转角双层石墨烯的G模的拉曼强度已用金刚石晶体的一阶拉曼模强度进行归一，从而得到转角双层石墨烯的G模在此范围内的共振轮廓。

还需要说明的是，实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本公开的保护范围。贯穿附图，相同的元素由相同或相近的附图标记来表示。在可能导致对本公开的理解造成混淆时，将省略常规结构或构造，并且图中各部件的形状和尺寸不反映真实大小和比例，而仅示意本公开实施例的内容。

除非有所知名为相反之意，本说明书及所附权利要求中的数值参数是近似值，能够根据通过本公开的内容所得的所需特性改变。具体而言，所有使用于说明书及权利要求中表示组成的含量、反应条件等等的数字，应理解为在所有情况中是受到“约”的用语所修饰。一般情况下，其表达的含义是指包含由特定数量在一些实施例中±10％的变化、在一些实施例中±5％的变化、在一些实施例中±1％的变化、在一些实施例中±0.5％的变化。

说明书与权利要求中所使用的序数例如“第一”、“第二”、“第三”等的用词，以修饰相应的元件，其本身并不意味着该元件有任何的序数，也不代表某一元件与另一元件的顺序、或是制造方法上的顺序，该些序数的使用仅用来使具有某命名的一元件得以和另一具有相同命名的元件能做出清楚区分。

此外，除非特别描述或必须依序发生的步骤，上述步骤的顺序并无限制于以上所列，且可根据所需设计而变化或重新安排。并且上述实施例可基于设计及可靠度的考虑，彼此混合搭配使用或与其他实施例混合搭配使用，即不同实施例中的技术特征可以自由组合形成更多的实施例。

以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。