拉曼光譜測試系統的搭建

背景介紹

與瑞利散射不同，拉曼散射相對入射光有一定的頻移。另外，重要的一點是拉曼信號極其微弱，通常每10⁹ ~ 10¹¹個光子中只有一個光子發生拉曼散射。正如C. V. Raman本人所說，“迄今為止阻礙我們研究這個新現象（拉曼散射）的最大難點就是極其微弱的信號”。然而，隨著科技的進步，包括光源、濾光片和探測器等主要器件的升級，這一難題也逐漸被攻克，拉曼光譜測試技術也因而變得愈來愈流行。

本文將介紹如何使用一些基本光學元件搭建一套簡單實用的拉曼光譜測試系統，并通過測量一些標準化學物（包括液體和有機混合物）光譜來展示系統的靈敏度和分辨率。

實驗裝置

Newport TAC拉曼光譜測試系統示意圖及實物照片

上圖顯示的便是Newport技術與應用中心（Technology & Application Center, TAC）搭建的拉曼光譜測試系統。光源選用的是波長532 nm的連續二極管泵浦固態激光器（Excelsior^?,Spectra-Physics）。通常為了避免熒光的干擾，我們還可以選用更長波長的激光器，例如Newport也提供785 nm拉曼激光模塊。激光器輸出經由一個可變衰減器（Application Note 26，隨后介紹）控制強度，再通過特定的光路由物鏡聚焦到樣品上。物鏡前的光路中安裝有一個二向色鏡，其主要作用是反射激發光、透射拉曼散射光并削弱背向散射的激發光。樣品放置于XY平移臺上，移動平移臺及物鏡便可控制激光焦點在樣品中的位置，從而獲得樣品內不同區域的拉曼信息。背向散射的拉曼信號被物鏡收集準直，透過二向色鏡，由一個聚光透鏡聚焦到光譜儀入射狹縫，狹縫前的長波通濾光片可以進一步阻擋剩余的激發光。光譜儀由一個單色儀（MS260i? 1/4 m Spectrograph）和一個CCD相機（InstaSpec^? X）構成，拉曼信號被單色儀色散開后成像到CCD相機。