【激光技術(shù)分享】淺談拉曼光譜學(xué)應(yīng)用中的光源選擇
拉曼光譜技術(shù)作為一種先進(jìn)的探測分析手段，在眾多領(lǐng)域都在發(fā)揮著越來越重要的作用。這種技術(shù)通過分析單色光源照射在樣品表面被散射的光譜獲取被測物質(zhì)的相關(guān)信息，從而達(dá)到成分分析、檢測成像等應(yīng)用目的。
因此，拉曼光譜探測技術(shù)的一個(gè)關(guān)鍵因素在于單色驅(qū)動光源，早期拉曼光譜探測技術(shù)的發(fā)展就是受限于能夠使用的單色光源，甚至拉曼現(xiàn)象本身的發(fā)現(xiàn)就是利用了太陽光和窄帶濾波片創(chuàng)造出的單色光源。
如今得益于激光技術(shù)的快速發(fā)展，拉曼光譜技術(shù)的相關(guān)研究也得到了長足發(fā)展。本文將針對拉曼光譜學(xué)應(yīng)用中常用的激光光源特性進(jìn)行簡要介紹，希望為大家提供一些參考。
圖1. 拉曼光譜構(gòu)成的能級圖
圖2. 人體食道組織的拉曼光譜成像圖
一、波長選擇
目前已知能夠應(yīng)用于拉曼光譜學(xué)的光源光譜覆蓋范圍非常廣泛，從UV，可見光到NIR都能夠找到特定的應(yīng)用領(lǐng)域。那么針對特定材料應(yīng)當(dāng)如何選擇合適的波長呢？
一般來說相對于照射激光，待測的拉曼信號本身非常微弱，因此為了獲得準(zhǔn)確的測量結(jié)果應(yīng)當(dāng)盡量獲取高亮度、高分辨率的散射信號。
首先拉曼散射的強(qiáng)度與照射激光波長的四次方成反比，因此除非特殊材料，不建議選擇長波長的激光作為驅(qū)動光源。
但短波的驅(qū)動光也并非十全十美，很多材料在受到UV光激發(fā)后除了產(chǎn)生拉曼信號，還伴有相當(dāng)強(qiáng)的熒光輻射（fluorescence emission），使得本來就微弱的散射信號淹沒其中，大大降低了對拉曼信號的探測精度。
在這種情況下應(yīng)注意采取一些措施濾除或避免熒光輻射的影響。
在熒光輻射相對于驅(qū)動光不敏感的情況下，可采用一束與原驅(qū)動光除波長略有差別外其它條件完全相同的光作為參考光。
將兩束光以盡量相同的條件照射樣品后，把得到的兩個(gè)光譜結(jié)果相減，這樣能夠消除絕大部分波長不敏感的熒光信號。這種方法稱為：shifted excitation Raman difference spectroscopy (SERDS)
而對有些材料來說，正確選擇驅(qū)動光的波長就可避免熒光輻射的影響，如圖3所示，驅(qū)動光、拉曼信號、熒光輻射三者能夠清晰的按照波段區(qū)分，只要選用合適的濾光片就能夠得到有效的拉曼信號。
圖3. 使用恰當(dāng)驅(qū)動光源獲得高分辨率拉曼信號
二、激光參數(shù)
除了波長之外，在選擇用于拉曼實(shí)驗(yàn)的最佳激光源時(shí)還應(yīng)考慮許多重要的性能參數(shù)。這些關(guān)鍵性能參數(shù)包括：光譜線寬、頻率穩(wěn)定性、光譜純度、光束質(zhì)量、輸出功率和功率穩(wěn)定性以及光學(xué)隔離度。
1. 光譜線寬：
光譜線寬主要對記錄的拉曼光譜分辨率有限制（光譜線寬決定了可以檢測到的斯托克斯位移的精度）。對于大多數(shù)固定光柵系統(tǒng)，為了不限制系統(tǒng)的光譜分辨率，激光線寬應(yīng)為幾十pm或更短，而對于一些高分辨率系統(tǒng)線寬甚至小于1 MHz。
2. 頻率穩(wěn)定性：
通常，隨著時(shí)間的推移和環(huán)境溫度抖動，激光輸出頻率可能有所變化，為避免拉曼光譜的測量分辨率降低，激光器的頻率漂移應(yīng)小于10pm。
3. 光譜純度：
檢測拉曼信號通常需要激光源的光譜純度不低于60dB（這樣能夠忽略邊模成分造成的影響）。在多數(shù)情況下，光譜純度應(yīng)在主峰1～2 nm范圍內(nèi)滿足要求。而對于低頻拉曼應(yīng)用需要更高的邊模抑制比side-mode suppression ratio (SMSR)，光譜純度需要在主峰幾百pm或更短范圍內(nèi)滿足要求。
4. 光束質(zhì)量：
在共焦拉曼成像應(yīng)用中，激光源需為達(dá)到衍射極限的TEM00模式光束，以獲得最佳的空間分辨率。而對于基于探針的定量拉曼分析，該參數(shù)要求不需要太嚴(yán)格。光束質(zhì)量只要允許允許正常耦合到多模光纖（芯徑為50-100μm）內(nèi)即可。
5. 輸出功率及功率穩(wěn)定性：
激光輸出功率受限于波長的選擇，而波長選擇的主要依據(jù)為材料的類型，采樣頻率和成像速度。一般用于拉曼光譜實(shí)驗(yàn)的激光光源輸出功率在10mW-100mW左右（根據(jù)波長不同），功率抖動性應(yīng)低于10%，同時(shí)盡量不受外部環(huán)境溫度影響。
6. 光束隔離度：
激光的回光隔離設(shè)計(jì)在共焦成像裝置中尤其重要，因?yàn)闃悠吠軌驅(qū)⒓ぐl(fā)光原路反射回來，這種回光可引起噪聲和功率不穩(wěn)定性，甚至造成激光器損壞。因此激光器應(yīng)在輸出端配備光學(xué)隔離器以防止上述現(xiàn)象發(fā)生。
三、常用激光器類型
1. 單縱模半導(dǎo)體泵浦固態(tài)激光器Diode-pumped SLM lasers (DPL lasers)
這類激光器基于內(nèi)置的非線性頻率變換模塊能夠覆蓋從UV至NIR的光譜輸出范圍。最高功率最高可達(dá)W量級（1064nm），在可見光波段(660, 640, 561, 532, 515, 491, 473, 457nm)能夠達(dá)到百mW以上，在UV波段輸出10-50mW（355nm）。
用于拉曼光譜應(yīng)用的單縱模半導(dǎo)體泵浦固態(tài)激光器能夠達(dá)到接近TEM00模式的光束質(zhì)量，波長穩(wěn)定幾乎無漂移，線寬遠(yuǎn)小于1MHz，光譜純度（SMSR）在主峰pm范圍內(nèi)能夠達(dá)到60dB以上。
2. 單模半導(dǎo)體激光器Single-mode diode lasers
用于拉曼光譜應(yīng)用的單模半導(dǎo)體激光器體積非常緊湊，成本也相對更低，但各項(xiàng)參數(shù)指標(biāo)相較于單縱模半導(dǎo)體泵浦固態(tài)激光器來講稍顯遜色。一般常用的輸出波長為有：785，830，980，1064 nm，線寬在MHz量級，輸出功率也較低。光譜純度（SMSR）在主峰百pm范圍內(nèi)能夠達(dá)到50dB左右。
3. 基于體布拉格光柵技術(shù)的穩(wěn)頻半導(dǎo)體激光器VBG frequency stabilized diode lasers
這類激光器是將體布拉格光柵器件集成至半導(dǎo)體激光器，這樣大功率的多模半導(dǎo)體激光器同樣能夠提供窄線寬的輸出。這類激光器配合濾波片的使用光譜純度（SMSR）在主峰1-2nm范圍內(nèi)能夠達(dá)到60-70dB左右。
參考文獻(xiàn)：
[1] https://en.wikipedia.org/wiki/Raman_spectroscopy
[2] https://www.laserfocusworld.com/whitepapers/2018/04/have-i-selected-the-right-laser-for-raman.html
超快產(chǎn)品
飛秒激光知識
科研計(jì)算器
關(guān)于我們
網(wǎng)上商城
關(guān)注我們
Copyright ? 2020 北京波量科技有限公司 保留所有權(quán)利。京ICP備17053245號