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如何快速制造教学用低成本拉曼光谱仪

发布时间:2022-09-06 13:26:53 浏览量:1872 作者:Leon

摘要

拉曼光谱(RS)是基于C.V.拉曼发明的非弹性散射概念,提供指纹振动信息和可靠的物质鉴别技术。与基于吸收的红外光谱相比,RS依赖于散射,为仪器设计和样品处理提供了相当大的灵活性。随着新一代激光器和光学元件的出现,目前甚至可以通过手持和电池操作系统获得拉曼光谱,这提高了应用的潜力。


正文


如何快速制造教学用低成本拉曼光谱



激发光源


激发源的技术指标,如波长、线宽(单色性)、光功率等,是获得高质量拉曼光谱的关键。通常,拉曼光谱出现在激发波长(Stokes)以上和(反Stokes)以下的约10 ~ 200 nm。拉曼散射效率与激发波长的四次方成反比。因此,较低激发波长(UV和可见光)的激光器比红外光源产生更好的拉曼信号。我们使用了一种低成本和易于获得的绿色(~ 532 nm)激光笔,二极管泵浦固态激光器(DPSS)作为激发源。内置的Nd:YAG和KTP晶体将激光二极管的主发射波长808 nm先转换为1064 nm再转换为532 nm。有利的是,该激光笔带有必要的电子驱动电路、被动散热装置和准直透镜组件,无需额外的组件。激光束直径为~ 2.5 mm,光输出功率为~ 70 mW,足以产生容易被探测到的拉曼散射光子。测量的光谱剖面显示,中心波长和半高宽分别为531.8 nm和0.78 nm。


由此估计,最小可达到的拉曼光谱分辨率范围为20 ~ 28 cm1对应于300 ~ 3000 cm - 1的拉曼位移,Stokes线将落在540 ~ 630 nm的范围内,典型的硅探测器在这个范围内表现出最高的效率。这些因素使得低成本的ccd探测器能够很容易地探测到拉曼散射光子。另外,人们也可以使用商业上可用的激光二极管,如Thorlabs DJ532-40,它也基于相同的原理工作。


由于以下原因,在激光器内部由二极管产生的发射剖面中存在额外减弱的强度808 nm线,不影响测量:

(i)其强度几乎比532 nm弱25倍。

(ii)与532 nm相比,808 nm发射光谱红移了276 nm,因此散射截面弱了100倍。

(iii)它的斯托克斯线出现在光谱仪的敏感区域之外。

(iv)它的反斯托克斯线出现在波长范围650 - 795 nm,超出感兴趣的区域。


探测光学


探头光学的主要首选配置是传输、90°后向散射和空间偏移。第三种是最简单的,因为它很容易设置最小的组件和对齐。主要考虑:(i)最大限度地提高弱拉曼辐射的收集效率;(ii)阻止强瑞利辐射进入探测单元。这些目标是通过聚焦透镜、分束器和长通滤波实现的。


来自激光二极管的准直光通过分束器和聚焦透镜(L1)定向到样品。分束器的作用是将激发光路与收集光路分开。我们没有使用专门设计的分束器,而是使用了一块正方形的显微镜切片(25 mm × 25 mm × 1 mm),当与激发光路保持45°时,反射/透射比为30:70。后向散射辐射由同一个透镜(L1)收集,该光束的一部分直接通过分束器,通过第二聚焦透镜(L2)聚焦在分光光度计的入口狭缝上。瑞利散射光被挡住了,在分束器和L2透镜之间使用截止波长为550 nm的长通滤波器。


探测器


使用的探测器是Science-Surplus制造的,光谱范围为450 - 700 nm。然而,目前的设计并不限制阅读器使用任何其他商业可用或内部制造的光谱仪。Science-Surplus光谱仪主要由一个50 μm的入口狭缝、凹面镜作为聚焦元件、一个1800线/毫米的衍射光栅和一个索尼ILX511线性硅CCD探测器组成。光谱仪的分辨率为~ 1 nm,在532 nm激发下,最大可达到的拉曼光谱分辨率在100 cm1时为~  35 cm1在3000cm1时为~ 25 cm1光谱仪在工厂进行了预校准,软件模块内置了拉曼位移模式下的光谱记录功能。另外,

光谱仪也可以单独校准,然而几乎没有什么不同。


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