拉曼光譜儀是什么？

拉曼光譜儀不僅需要將高強(qiáng)度的激光輸送到非常小的焦點(diǎn)，同時(shí)還需要靈敏地檢測不到百萬分之一的散射光子。那么，拉曼光譜儀如何將光傳遞到樣品并從樣品中收集光，對收集的數(shù)據(jù)質(zhì)量和整套系統(tǒng)的最終靈敏度具有重大影響。

拉曼光譜儀類型多種可選，比如光纖耦合探頭&光譜儀、帶定制光學(xué)元件的自由空間耦合光譜儀，或帶集成激光器的光譜儀系統(tǒng)——使用者會根據(jù)樣品類型、環(huán)境和使用需求對拉曼光譜儀進(jìn)行選擇。在這篇技術(shù)講解文中，我們將根據(jù)多個(gè)示例，討論每種耦合方法的優(yōu)缺點(diǎn)，并針對如何獲得最佳結(jié)果進(jìn)行探討。無論您的使用需求如何，Wasatch Photonics都能針對您的應(yīng)用需求，提供優(yōu)化的樣品耦合選項(xiàng)。

光纖耦合光譜儀和探頭

通過光纖對激光的快速耦合及準(zhǔn)直，大大地簡化了拉曼系統(tǒng)的安裝。拉曼探頭采用SMA端口與光譜儀連接，采用FC端口與激光器連接，只需快速旋轉(zhuǎn)幾下即可完成拉曼光譜儀的安裝，并開始測量，這種簡易的拉曼光譜儀工作模式，是現(xiàn)場工作的理想方式，因而非常有利于拉曼光譜儀在教學(xué)實(shí)驗(yàn)工作的展開。日常在測樣時(shí)，無需精細(xì)調(diào)整，只需將樣品對準(zhǔn)光譜儀端口，探頭輸出的光束則直達(dá)樣品，這樣對于測量不規(guī)則形狀的固體樣品和生物樣品非常有利，同時(shí)也可以與比色皿或SERS（表面增強(qiáng)拉曼光譜）基板配合使用。

相比于自由空間光設(shè)計(jì)，光纖耦合的缺點(diǎn)是損耗更高。在光纖耦合結(jié)構(gòu)中，由于激光引起的光纖內(nèi)自發(fā)熒光也必須濾除，否則會給測量增加背景噪聲。同時(shí)如果在探頭設(shè)計(jì)中處理不當(dāng)，未過濾的激光也可能造成同樣的影響。

那么，提高測量信噪比的一種方法就是要選擇高效光譜儀，并使用數(shù)值孔徑（NA）與光譜儀輸入相匹配的拉曼探頭。Wasatch Photonics的拉曼光譜儀使用f/1.3光學(xué)孔徑，相比典型的f/3至f/4二極管陣列光譜儀能捕獲更多的光，并通過使用基于衍射極限、透射增強(qiáng)（AR涂層）光學(xué)器件的高效光學(xué)設(shè)計(jì)來保留并檢測更多的光。另外 ，Wasatch Photonics的拉曼光譜儀具有0.36 NA輸入，與標(biāo)準(zhǔn)0.22 NA多模光纖對接時(shí)，輸入光不會填充通光孔徑。雖然在與0.22 NA探頭配合使用時(shí)仍然可以提供良好的信噪比，但當(dāng)與Wasatch Photonics的0.36 NA拉曼探頭配合使用時(shí)，效果會更好。

Wasatch Photonics的拉曼探頭還能通過精細(xì)的濾波實(shí)現(xiàn)最大的傳輸和耦合效率，以及最小的背景噪聲，再搭配Wasatch Photonics的光譜儀一起使用時(shí)即可提供高的信噪比，并且能在所有可用的激發(fā)波長下使用。

★Wasatch Photonics的光纖耦合拉曼探頭、光譜儀和激光器均從可見光到近紅外可選。

自由空間耦合光譜儀和定制光學(xué)元件

自由空間耦合光譜儀有一個(gè)圓柱形耦合端口，可提供0.36 NA視場（~42°錐體），這就要求使用者完成激光與樣品、樣品到光譜儀輸入端口的所有準(zhǔn)直工作，是非常不適合現(xiàn)場使用的。

但這種配置又常用于研究人員和OEM系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員，他們希望對采樣光學(xué)器件的設(shè)計(jì)（從光斑尺寸到工作距離）擁有自主控制權(quán)。而Wasatch Photonics設(shè)計(jì)的低f/#光譜儀不僅為這些用戶提供了高品質(zhì)的信號，還大大地提高了光通量和靈敏度，因此這種自由空間耦合光譜儀在批量生產(chǎn)的生產(chǎn)線或掃描應(yīng)用中非常有用。

★Wasatch Photonics所有的拉曼光譜儀均能提供自由空間耦合輸入版本。

帶自由空間耦合的集成系統(tǒng)

Wasatch Photonics的集成拉曼系統(tǒng)可以使用戶在盡可能小的體積內(nèi)獲得最佳的信噪比和靈敏度，其波長覆蓋的范圍從可見光到近紅外可選。集成拉曼系統(tǒng)還簡化了用戶的操作，通過軟件集成激光控制，以確保使用安全和操作方便，最終實(shí)現(xiàn)自動(dòng)或遠(yuǎn)程測量。同時(shí)，還優(yōu)化了集成拉曼系統(tǒng)的樣品耦合光學(xué)元件，在標(biāo)準(zhǔn)的50 mm 工作距離上提供25 μm的激光光斑。使拉曼信號采集利用光譜儀的全f/1.3視場，在最短的采集時(shí)間內(nèi)獲得最大的靈敏度。OD 6濾光片可阻止不需要的散射光反射回系統(tǒng)，拉曼信號譜寬高達(dá)~200 cm-1（主要取決于激發(fā)波長）。

同時(shí)，Wasatch Photonics使用高效的光學(xué)器件、精細(xì)濾波和內(nèi)部雜散光管理，保證集成系統(tǒng)具有低背景光和低噪聲，并且能更好地匹配NA探頭/光譜儀系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

如上圖所示，在830 nm激光激發(fā)環(huán)己烷的研究中可以看出，集成系統(tǒng)在信號水平方面優(yōu)于模塊化光譜儀/探頭系統(tǒng)。通過下面的案例研究可以看出，集成拉曼系統(tǒng)對于檢測極限方面的提升具有切實(shí)可行的優(yōu)勢。

案例研究：模塊化探頭VS集成系統(tǒng)檢測極限，激光器@1064 nm 為了比較基于探頭與集成系統(tǒng)的絕對靈敏度差異，此處使用帶有快速安裝比色皿座的WP 1064L拉曼系統(tǒng)與配置了1064 nm激光器和RP 1064拉曼探頭的模塊化WP 1064光譜儀進(jìn)行水中異丙醇檢測極限（LOD）和定量極限（LOQ）的測試。 使用帶有快速安裝比色皿座，充分利用光譜儀的整個(gè)f / 1.3孔徑，并最大限度地減少光耦合損耗，從而產(chǎn)生比探頭耦合配置更高的信號。為了量化靈敏度的增強(qiáng)，此時(shí)測量了濃度為0.1 – 100%異丙醇在水中稀釋的樣品，并依據(jù)“技術(shù)說明文件"中“熒光檢測極限"描述方法計(jì)算出檢測極限（LOD）和定量極限（LOQ）。在本次研究中LOD定義為信噪比（SNR）=3：1時(shí)的濃度，LOQ定義為SNR=10：1時(shí)的濃度。 與基于探頭的系統(tǒng)相比，集成拉曼系統(tǒng)的LOD提高了2倍，LOQ也有部分提高。

由此可見，Wasatch Photonics集成拉曼系統(tǒng)是實(shí)驗(yàn)室使用和概念驗(yàn)證的理想選擇，雖然如此，Wasatch Photonics也為OEM集成，提供更精簡的定制光學(xué)設(shè)計(jì)和更小巧的系統(tǒng)尺寸。
★Wasatch Photonics會不斷擴(kuò)展集成拉曼系統(tǒng)產(chǎn)品線，持續(xù)為您帶來更多驚喜。

Wasatch Photonics始終關(guān)注您在拉曼光譜系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，希望擁有完整自主性和最大靈活性的想法。這就是為什么Wasatch Photonics在量程、分辨率、探測器冷卻和樣品耦合提供如此多定制化選項(xiàng)的原因——用Wasatch Photonics的建議和經(jīng)驗(yàn)以及技術(shù)說明來支持每個(gè)選項(xiàng)，從而指導(dǎo)您的系統(tǒng)設(shè)計(jì)。讓W(xué)asatch Photonics幫助您創(chuàng)建適合您需求的系統(tǒng)。如需了解產(chǎn)品更多詳情，請隨時(shí)聯(lián)系我們！