光纖拉曼采樣探頭中的背景過濾

介紹

拉曼光譜是一種特別的技術(shù)，是對紅外吸收光譜的補(bǔ)充。 對于遠(yuǎn)程分析，拉曼實(shí)驗(yàn)的優(yōu)勢在于它可以在比“中紅外”區(qū)域更短的波長下進(jìn)行，從而能夠使用更高效的光纖材料測量基本振動模式。 例如，當(dāng)在可見光或近紅外區(qū)域使用激發(fā)源時，石英光纖能夠有效地傳輸激光并收集來自樣品的散射輻射。

光纖拉曼探頭的簡單設(shè)計(jì)由兩根緊密安裝在一起的單根光纖組成。 在這種配置中，一根光纖連接到激光激發(fā)源并照亮采樣區(qū)域。 另一根光纖收集散射光并將能量傳輸?shù)焦庾V儀。 通過使用更多的收集光纖或通過添加聚焦光學(xué)器件來改善激發(fā)和收集光纖之間的重疊，可以放大光的收集。

光纖背景

二氧化硅光纖很容易在光譜的近紅外和可見光區(qū)域進(jìn)行傳輸。在拉曼實(shí)驗(yàn)中，激光源通過光纜照射。在光纖的另一端，激光線從光纖傳輸時幾乎沒有衰減；然而，光輸出還包含由石英光纖材料本身產(chǎn)生的拉曼帶。樣品激發(fā)后，大部分散射光強(qiáng)度與入射激光束（瑞利線）的頻率相同。在收集并隨后通過第二根光纖傳輸之后，二氧化硅拉曼譜帶明顯比典型樣品產(chǎn)生的譜帶更強(qiáng)烈。除了在測量后使用光譜減法之外，無法從結(jié)果數(shù)據(jù)中去除這些干擾帶或“光纖背景”。根據(jù)樣品的散射強(qiáng)度和光纖的長度，二氧化硅背景可以*覆蓋所產(chǎn)生的光譜。

從拉曼光譜中去除光纖背景的一種方法是準(zhǔn)確的光學(xué)過濾。 過濾是一個兩步過程，因?yàn)轫殢膬蓷l光纖中過濾/防止頻帶； 這是通過在激發(fā)和收集光纖之間加入各種濾光片來實(shí)現(xiàn)的。 這些光學(xué)元件只允許激光線照射到樣品上，并且在散射光通過收集光纖傳輸之前有效地去除瑞利線。

• 同軸設(shè)計(jì)通過使用公共透鏡確保激發(fā)和收集光纖之間的最大重疊； 激發(fā)光纖和收集光纖被成像到空間中的同一點(diǎn)。

• 具有聚焦光束可以準(zhǔn)確定位采樣位置； 測量可以通過厚玻璃容器通過聚焦在容器壁外來進(jìn)行。

• 單根光纖可以通過直接耦合到附加光纖來擴(kuò)展； 這也可以挽救損壞的探頭光纜。

具有高效過濾的同軸設(shè)計(jì)

RamanProbeTM可在*去除光纖背景的同時優(yōu)化光通量。 它是一個同軸、兩根光纖的探頭； 一根光纖用于激發(fā)，另一根光纖用于收集。 通過使用透鏡聚焦激光并收集散射輻射來優(yōu)化兩個光纖末端之間的重疊。

光束路徑如附圖所示。在激發(fā)光纖的末端，一個透鏡用于準(zhǔn)直激光。帶通濾光片去除二氧化硅拉曼譜線，只傳輸純激光。二向色濾光片還將另一個透鏡聚焦的激光線傳輸?shù)綐悠飞?。同一個透鏡收集從激光方向散射 180 度的光（反向散射）。收集到的信號然后由二向色濾光片通過長通濾光片組件反射，該濾光片組件僅傳輸斯托克斯散射光。最后一組濾光片將瑞利譜線衰減了 108 倍，從而防止在收集光纖中出現(xiàn)的二氧化硅拉曼譜觀察到瑞利線。最后，另一個透鏡用于將光聚焦到輸出光纖上，僅由樣品的譜線組成。所有這些光學(xué)元件都包含在一個 0.5 英寸（25.4 毫米）直徑的不銹鋼外殼中，非常適合手持使用，并且可以進(jìn)行定制修改。

RamanProbe 中的過濾非常有效，以至于整個光譜范圍（包括激光線）都可以成像到 CCD 芯片上，而無需在光譜儀中進(jìn)行額外的過濾。 光學(xué)元件能夠承受高溫（約 200 C），并且通過添加延長管，可以將其移離樣品更遠(yuǎn)的位置，以用于更高溫度的應(yīng)用。

單光纖與束收集

與束設(shè)計(jì)相比，同軸探頭具有許多優(yōu)點(diǎn)：

• 在收集光纖和激發(fā)光纖之間的準(zhǔn)直光束路徑中安裝濾光片是消除光纖背景的較有效方法。

• 激發(fā)和收集光纖之間的光泄漏（稱為“串?dāng)_”）是不可能的，因?yàn)楣饫w本身是相互隔離的。

概括

未過濾的束探頭適用于非常短的長度（例如 < 1 m）和測量高散射樣品時。 在散射較弱且需要更長的電纜長度（例如 100 m 或更長）的情況下，具有高效過濾功能的同軸探頭可以提供高質(zhì)量的拉曼光譜，而沒有任何二氧化硅背景。 RamanProbe 將最少數(shù)量的光學(xué)元件集成在一個小巧、堅(jiān)固的探頭中，以實(shí)現(xiàn)優(yōu)良性能和實(shí)驗(yàn)多功能性。