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(yè)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(fā)出幾種創(chuàng)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(zhí)行拉曼光譜測量的無像差光譜儀設計的優(yōu)勢。 IsoPlane 81是Princeton Instruments 的完全集成光譜儀系統(tǒng)，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(tǒng)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(yōu)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(tǒng)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(yè)中許多不同光譜和成像應用的完美系統(tǒng)。

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(tǒng)(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(wěn)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(fā)射 (AE) 燈和石英鹵鎢 (QTH) 燈來創(chuàng)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(yè)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(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)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(fā)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(qū)域顯示小發(fā)射峰。低讀取噪聲和系統(tǒng)冷卻 CCD 產生的低暗噪聲保持了寬動態(tài)范圍。

得益于IsoPlane 81光譜儀系統(tǒng)的高光通量和深冷 CCD，可以測量小發(fā)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(yōu)勢。所使用的實驗設置是利用IsoPlane 81系統(tǒng)的強大功能來提高數據質量的初步嘗試。這種高性能系統(tǒng)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(tǒng)可以提供無與倫比的性能。

審核編輯 黃宇