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，是對紅外吸收光譜的補充。 對于遠程分析，拉曼實驗的優勢在于它可以在比“中紅外”區域更短的波長下進行，從而能夠使用更高效的光纖材料測量基本振動模式。 例如，當在可見光或近紅外區域使用激發源時，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計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源并照亮采樣區域。 另一根光纖收集散射光并將能量傳輸到光譜儀。 通過使用更多的收集光纖或通過添加聚焦光學器件來改善激發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域進行傳輸。在拉曼實驗中，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生的拉曼帶。樣品激發后，大部分散射光強度與入射激光束（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生的譜帶更強烈。除了在測量后使用光譜減法之外，無法從結果數據中去除這些干擾帶或“光纖背景”。根據樣品的散射強度和光纖的長度，二氧化硅背景可以*覆蓋所產生的光譜。

從拉曼光譜中去除光纖背景的一種方法是準確的光學過濾。 過濾是一個兩步過程，因為須從兩條光纖中過濾/防止頻帶； 這是通過在激發和收集光纖之間加入各種濾光片來實現的。 這些光學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。

• 同軸設計通過使用公共透鏡確保激發和收集光纖之間的最大重疊； 激發光纖和收集光纖被成像到空間中的同一點。

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

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

具有高效過濾的同軸設計

RamanProbeTM可在*去除光纖背景的同時優化光通量。 它是一個同軸、兩根光纖的探頭； 一根光纖用于激發，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化兩個光纖末端之間的重疊。

光束路徑如附圖所示。在激發光纖的末端，一個透鏡用于準直激光。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到樣品上。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行額外的過濾。 光學元件能夠承受高溫（約 200 C），并且通過添加延長管，可以將其移離樣品更遠的位置，以用于更高溫度的應用。

單光纖與束收集

與束設計相比，同軸探頭具有許多優點：

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

• 激發和收集光纖之間的光泄漏（稱為“串擾”）是不可能的，因為光纖本身是相互隔離的。

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量的拉曼光譜，而沒有任何二氧化硅背景。 RamanProbe 將最少數量的光學元件集成在一個小巧、堅固的探頭中，以實現優良性能和實驗多功能性。