圖 1：不同能級下的 X 射線衰減長度。

介紹

激光拉曼光譜是一項強大的技術，已成功應用于各種科學研究和工業應用。拉曼散射提供的橫截面通常比其他光學光譜方法(例如紅外吸收、激光誘導熒光和紫外-可見光吸收)低幾個數量級，這在許多情況下限制了其實用性。雖然已經開發出幾種創新方法(包括表面增強拉曼光譜、共振拉曼光譜和紫外拉曼光譜)，但有效

雖然增強拉曼散射截面以提高靈敏度，但這些方法并不普遍適用于所有化學品和材料。

在本文中，我們討論了用于執行拉曼光譜測量的無像差光譜儀設計的優勢。 IsoPlane 81是Princeton Instruments 的完全集成光譜儀系統，用于演示。

由于IsoPlane 81設計消除了所有波長的彗差和像散像差，因此在整個探測器平面上實現了均勻的衍射極限成像和光譜分辨率。這一獨特的功能允許對整個探測器進行光譜合并，從而提高數據的信噪比，而不會損失任何光譜分辨率。

為了充分利用系統的集光率(擴展)，采用圓轉線光纖束探頭進行光譜采集。據觀察，光纖束提供的光吞吐量明顯優于單光纖設置的吞吐量。

盡管本研究中只測量了幾種化學物質，但本文描述的實驗設置很容易適用于不同的材料。該裝置還可以通過使用IsoPlane 81系統的多功能 CUBE 附件輕松擴展，以實現高光譜成像或光譜顯微成像測量。

為什么是等值面?

IsoPlane 81是 Princeton Instruments 最新推出的無像差光譜儀。出色的性能使其成為研究和工業中許多不同光譜和成像應用的完美系統。

實驗裝置

帶有內置背照式 CCD 攝像機的IsoPlane 81集成成像光譜儀系統(見圖 1)用于報告的所有數據收集。研究中，探測器的 256 x 1024 光敏陣列(像素間距：13 x 13 μm)被熱電冷卻至-55 °C，使用焦距為 80 mm 的攝譜儀、600 g/mm 光柵和通過 105 μm 芯光纜耦合到拉曼探頭的 785 nm 波長穩定多模激光器。

使用兩種不同的設置將拉曼散射耦合到IsoPlane 81光譜儀中：(1) 第一種設置通過單根 400 μm芯光纜耦合散射光; (2) 第二種設置通過圓形到線性光纖束耦合散射光。單芯光纜連接到聚焦立方體，聚焦立方體將光聚焦在光譜儀的狹縫上。所有單光纖數據收集均使用 100 μm 狹縫。與此同時，光纖束有50 個二氧化硅芯，芯尺寸為 50 μm。纖維束的線性端放置在光譜儀的狹縫平面處，并且沒有使用物理狹縫來收集纖維束的數據。

還使用了普林斯頓儀器公司的原子發射 (AE) 燈和石英鹵鎢 (QTH) 燈來創建本說明中提供的一些數據和圖像。

圖 2： A) 前照式深耗盡 CCD 的橫截面。B) 背照式 CCD 的橫截面。 C) 背部橫截面-照明深耗盡 CCD。

化學樣品從商業來源獲得，未經任何進一步純化。

結果與討論

衍射限制成像質量的表征

IsoPlane 81系統的專有光學設計消除了所有波長的像差(慧差和像散)。圖 2 顯示了放置在狹縫入口處的光纖束線性端的圖像，其中包含 50 個芯。右側的放大圖像顯示垂直長度為 2.5 毫米的緊密間距，略低于狹縫入口的垂直尺寸。每根纖維的直徑為 3.85 像素(50 μm)，清晰可辨。

圖 2.具有 50 個纖芯的光纖束線性端的圖像。

圖 3 顯示了分別使用 (a) QTH 燈和 (b) AE 燈作為光源的光纖束的高光譜圖像。 600 g/mm 光柵提供以 800 nm 為中心的~300 nm光譜覆蓋范圍

圖 3.使用 (a) QTH 燈和 (b) AE 燈對光纖束進行光譜成像。比較(b) 中的插圖顯示了用 Czerny-Turner 攝譜儀拍攝的圖像

為了進行比較，之前使用Czerny-Turner (CT) 光譜儀收集的略有不同的纖維束圖像如圖 3(b) 的插圖所示。車爾尼-特納設計及其變體可能代表了基于光柵的光譜儀最常用的光學設計。這種傳統的、經過驗證的技術使用最少數量的光學器件，并為簡單的光譜數據收集提供足夠的性能。然而，車爾尼-特納光譜儀的最佳性能只能在焦平面的中心實現。由于像差效應，隨著遠離中心，圖像質量會顯著下降。

相比之下，IsoPlane 81 系統專有的無像差設計消除了所有像差影響。在圖 3(a) 中，每條水平線對應于一根光纖的 QTH 光譜，并且在整個光譜范圍內保持衍射極限的空間分辨率。在圖 3(b) 中，每條垂直線對應于AE 燈的離散原子發射線，并且垂直(空間軸)和水平(光譜軸)均保持衍射極限空間分辨率。

圖 4 顯示了通過垂直合并圖 3(b) 中的AE 圖像而獲取的 AE 燈的光譜。使用光纖束作為收集光學器件，曝光時間為 1 毫秒。

圖 4. AE 燈的垂直分檔光譜：(a) 全光譜加上(b) 放大區域顯示小發射峰。低讀取噪聲和系統冷卻 CCD 產生的低暗噪聲保持了寬動態范圍。

得益于IsoPlane 81光譜儀系統的高光通量和深冷 CCD，可以測量小發射線，如圖 4(b) 所示。

固體和液體樣品的拉曼測量

所有拉曼光譜測量均使用最大輸出為 475 mW 的 785 nm 激光器。圖 5 所示的石墨拉曼光譜是使用光纖束或單芯光纖將拉曼散射耦合到IsoPlane 81 光譜儀中收集的。光纖束的信號比單根光纖提高了約 3 倍。圖 5 中所示的強 D 帶表明石墨樣品中存在大量缺陷，而 2D 帶的不對稱形狀與樣品的多層石墨烯結構一致。

測量液體(丙酮)樣品時也出現了類似的信號改善，如圖 6 所示。使用光纖束收集的數據再次比使用單根光纖收集的數據強約 3 倍。

圖 5.石墨的拉曼光譜

圖 6.丙酮的拉曼光譜。

結論

在本文中，我們展示了使用無像差光譜儀測量拉曼光譜的優勢。所使用的實驗設置是利用IsoPlane 81系統的強大功能來提高數據質量的初步嘗試。這種高性能系統對于石墨或石墨烯材料等樣品的拉曼測量尤其重要，其中需要仔細控制激光功率以避免樣品損壞。為了準確測量石墨烯和石墨的特性，包括石墨烯結構的厚度和缺陷，還需要在整個焦平面上具有均勻的高分辨率。

除了材料的光譜測量之外，我們預計IsoPlane 81 光譜儀還可用于福特高光譜成像和光譜顯微成像應用，在這些應用中，無像差系統可以提供無與倫比的性能。

審核編輯 黃宇