提高拉曼光谱的采集效率

图 1：不同能级下的 X 射线衰减长度。

介绍

激光拉曼光谱是一项强大的技术，已成功应用于各种科学研究和工业应用。拉曼散射提供的横截面通常比其他光学光谱方法(例如红外吸收、激光诱导荧光和紫外-可见光吸收)低几个数量级，这在许多情况下限制了其实用性。虽然已经开发出几种创新方法(包括表面增强拉曼光谱、共振拉曼光谱和紫外拉曼光谱)，但有效

虽然增强拉曼散射截面以提高灵敏度，但这些方法并不普遍适用于所有化学品和材料。

在本文中，我们讨论了用于执行拉曼光谱测量的无像差光谱仪设计的优势。 IsoPlane 81是Princeton Instruments 的完全集成光谱仪系统，用于演示。

由于IsoPlane 81设计消除了所有波长的彗差和像散像差，因此在整个探测器平面上实现了均匀的衍射极限成像和光谱分辨率。这一独特的功能允许对整个探测器进行光谱合并，从而提高数据的信噪比，而不会损失任何光谱分辨率。

为了充分利用系统的集光率(扩展)，采用圆转线光纤束探头进行光谱采集。据观察，光纤束提供的光吞吐量明显优于单光纤设置的吞吐量。

尽管本研究中只测量了几种化学物质，但本文描述的实验设置很容易适用于不同的材料。该装置还可以通过使用IsoPlane 81系统的多功能 CUBE 附件轻松扩展，以实现高光谱成像或光谱显微成像测量。

为什么是等值面?

IsoPlane 81是 Princeton Instruments 最新推出的无像差光谱仪。出色的性能使其成为研究和工业中许多不同光谱和成像应用的完美系统。

实验装置

带有内置背照式 CCD 摄像机的IsoPlane 81集成成像光谱仪系统(见图 1)用于报告的所有数据收集。研究中，探测器的 256 x 1024 光敏阵列(像素间距：13 x 13 µm)被热电冷却至-55 °C，使用焦距为 80 mm 的摄谱仪、600 g/mm 光栅和通过 105 µm 芯光缆耦合到拉曼探头的 785 nm 波长稳定多模激光器。

使用两种不同的设置将拉曼散射耦合到IsoPlane 81光谱仪中：(1) 第一种设置通过单根 400 µm芯光缆耦合散射光; (2) 第二种设置通过圆形到线性光纤束耦合散射光。单芯光缆连接到聚焦立方体，聚焦立方体将光聚焦在光谱仪的狭缝上。所有单光纤数据收集均使用 100 µm 狭缝。与此同时，光纤束有50 个二氧化硅芯，芯尺寸为 50 µm。纤维束的线性端放置在光谱仪的狭缝平面处，并且没有使用物理狭缝来收集纤维束的数据。

还使用了普林斯顿仪器公司的原子发射 (AE) 灯和石英卤钨 (QTH) 灯来创建本说明中提供的一些数据和图像。

图 2： A) 前照式深耗尽 CCD 的横截面。B) 背照式 CCD 的横截面。 C) 背部横截面-照明深耗尽 CCD。

化学样品从商业来源获得，未经任何进一步纯化。

结果与讨论

衍射限制成像质量的表征

IsoPlane 81系统的专有光学设计消除了所有波长的像差(慧差和像散)。图 2 显示了放置在狭缝入口处的光纤束线性端的图像，其中包含 50 个芯。右侧的放大图像显示垂直长度为 2.5 毫米的紧密间距，略低于狭缝入口的垂直尺寸。每根纤维的直径为 3.85 像素(50 µm)，清晰可辨。

图 2.具有 50 个纤芯的光纤束线性端的图像。

图 3 显示了分别使用 (a) QTH 灯和 (b) AE 灯作为光源的光纤束的高光谱图像。 600 g/mm 光栅提供以 800 nm 为中心的~300 nm光谱覆盖范围

图 3.使用 (a) QTH 灯和 (b) AE 灯对光纤束进行光谱成像。比较(b) 中的插图显示了用 Czerny-Turner 摄谱仪拍摄的图像

为了进行比较，之前使用Czerny-Turner (CT) 光谱仪收集的略有不同的纤维束图像如图 3(b) 的插图所示。车尔尼-特纳设计及其变体可能代表了基于光栅的光谱仪最常用的光学设计。这种传统的、经过验证的技术使用最少数量的光学器件，并为简单的光谱数据收集提供足够的性能。然而，车尔尼-特纳光谱仪的最佳性能只能在焦平面的中心实现。由于像差效应，随着远离中心，图像质量会显着下降。

相比之下，IsoPlane 81 系统专有的无像差设计消除了所有像差影响。在图 3(a) 中，每条水平线对应于一根光纤的 QTH 光谱，并且在整个光谱范围内保持衍射极限的空间分辨率。在图 3(b) 中，每条垂直线对应于AE 灯的离散原子发射线，并且垂直(空间轴)和水平(光谱轴)均保持衍射极限空间分辨率。

图 4 显示了通过垂直合并图 3(b) 中的AE 图像而获取的 AE 灯的光谱。使用光纤束作为收集光学器件，曝光时间为 1 毫秒。

图 4. AE 灯的垂直分档光谱：(a) 全光谱加上(b) 放大区域显示小发射峰。低读取噪声和系统冷却 CCD 产生的低暗噪声保持了宽动态范围。

得益于IsoPlane 81光谱仪系统的高光通量和深冷 CCD，可以测量小发射线，如图 4(b) 所示。

固体和液体样品的拉曼测量

所有拉曼光谱测量均使用最大输出为 475 mW 的 785 nm 激光器。图 5 所示的石墨拉曼光谱是使用光纤束或单芯光纤将拉曼散射耦合到IsoPlane 81 光谱仪中收集的。光纤束的信号比单根光纤提高了约 3 倍。图 5 中所示的强 D 带表明石墨样品中存在大量缺陷，而 2D 带的不对称形状与样品的多层石墨烯结构一致。

测量液体(丙酮)样品时也出现了类似的信号改善，如图 6 所示。使用光纤束收集的数据再次比使用单根光纤收集的数据强约 3 倍。

图 5.石墨的拉曼光谱

图 6.丙酮的拉曼光谱。

结论

在本文中，我们展示了使用无像差光谱仪测量拉曼光谱的优势。所使用的实验设置是利用IsoPlane 81系统的强大功能来提高数据质量的初步尝试。这种高性能系统对于石墨或石墨烯材料等样品的拉曼测量尤其重要，其中需要仔细控制激光功率以避免样品损坏。为了准确测量石墨烯和石墨的特性，包括石墨烯结构的厚度和缺陷，还需要在整个焦平面上具有均匀的高分辨率。

除了材料的光谱测量之外，我们预计IsoPlane 81 光谱仪还可用于福特高光谱成像和光谱显微成像应用，在这些应用中，无像差系统可以提供无与伦比的性能。

审核编辑 黄宇