拉曼光譜儀是什么？

拉曼光譜儀不僅需要將高強度的激光輸送到非常小的焦點，同時還需要靈敏地檢測不到百萬分之一的散射光子。那么，拉曼光譜儀如何將光傳遞到樣品并從樣品中收集光，對收集的數據質量和整套系統的最終靈敏度具有重大影響。

拉曼光譜儀類型多種可選，比如光纖耦合探頭&光譜儀、帶定制光學元件的自由空間耦合光譜儀，或帶集成激光器的光譜儀系統——使用者會根據樣品類型、環境和使用需求對拉曼光譜儀進行選擇。在這篇技術講解文中，我們將根據多個示例，討論每種耦合方法的優缺點，并針對如何獲得最佳結果進行探討。無論您的使用需求如何，Wasatch Photonics都能針對您的應用需求，提供優化的樣品耦合選項。

光纖耦合光譜儀和探頭

通過光纖對激光的快速耦合及準直，大大地簡化了拉曼系統的安裝。拉曼探頭采用SMA端口與光譜儀連接，采用FC端口與激光器連接，只需快速旋轉幾下即可完成拉曼光譜儀的安裝，并開始測量，這種簡易的拉曼光譜儀工作模式，是現場工作的理想方式，因而非常有利于拉曼光譜儀在教學實驗工作的展開。日常在測樣時，無需精細調整，只需將樣品對準光譜儀端口，探頭輸出的光束則直達樣品，這樣對于測量不規則形狀的固體樣品和生物樣品非常有利，同時也可以與比色皿或SERS（表面增強拉曼光譜）基板配合使用。

相比于自由空間光設計，光纖耦合的缺點是損耗更高。在光纖耦合結構中，由于激光引起的光纖內自發熒光也必須濾除，否則會給測量增加背景噪聲。同時如果在探頭設計中處理不當，未過濾的激光也可能造成同樣的影響。

那么，提高測量信噪比的一種方法就是要選擇高效光譜儀，并使用數值孔徑（NA）與光譜儀輸入相匹配的拉曼探頭。Wasatch Photonics的拉曼光譜儀使用f/1.3光學孔徑，相比典型的f/3至f/4二極管陣列光譜儀能捕獲更多的光，并通過使用基于衍射極限、透射增強（AR涂層）光學器件的高效光學設計來保留并檢測更多的光。另外 ，Wasatch Photonics的拉曼光譜儀具有0.36 NA輸入，與標準0.22 NA多模光纖對接時，輸入光不會填充通光孔徑。雖然在與0.22 NA探頭配合使用時仍然可以提供良好的信噪比，但當與Wasatch Photonics的0.36 NA拉曼探頭配合使用時，效果會更好。

Wasatch Photonics的拉曼探頭還能通過精細的濾波實現最大的傳輸和耦合效率，以及最小的背景噪聲，再搭配Wasatch Photonics的光譜儀一起使用時即可提供高的信噪比，并且能在所有可用的激發波長下使用。

★Wasatch Photonics的光纖耦合拉曼探頭、光譜儀和激光器均從可見光到近紅外可選。

自由空間耦合光譜儀和定制光學元件

自由空間耦合光譜儀有一個圓柱形耦合端口，可提供0.36 NA視場（~42°錐體），這就要求使用者完成激光與樣品、樣品到光譜儀輸入端口的所有準直工作，是非常不適合現場使用的。

但這種配置又常用于研究人員和OEM系統設計人員，他們希望對采樣光學器件的設計（從光斑尺寸到工作距離）擁有自主控制權。而Wasatch Photonics設計的低f/#光譜儀不僅為這些用戶提供了高品質的信號，還大大地提高了光通量和靈敏度，因此這種自由空間耦合光譜儀在批量生產的生產線或掃描應用中非常有用。

★Wasatch Photonics所有的拉曼光譜儀均能提供自由空間耦合輸入版本。

帶自由空間耦合的集成系統

Wasatch Photonics的集成拉曼系統可以使用戶在盡可能小的體積內獲得最佳的信噪比和靈敏度，其波長覆蓋的范圍從可見光到近紅外可選。集成拉曼系統還簡化了用戶的操作，通過軟件集成激光控制，以確保使用安全和操作方便，最終實現自動或遠程測量。同時，還優化了集成拉曼系統的樣品耦合光學元件，在標準的50 mm 工作距離上提供25 μm的激光光斑。使拉曼信號采集利用光譜儀的全f/1.3視場，在最短的采集時間內獲得最大的靈敏度。OD 6濾光片可阻止不需要的散射光反射回系統，拉曼信號譜寬高達~200 cm-1（主要取決于激發波長）。

同時，Wasatch Photonics使用高效的光學器件、精細濾波和內部雜散光管理，保證集成系統具有低背景光和低噪聲，并且能更好地匹配NA探頭/光譜儀系統設計。

如上圖所示，在830 nm激光激發環己烷的研究中可以看出，集成系統在信號水平方面優于模塊化光譜儀/探頭系統。通過下面的案例研究可以看出，集成拉曼系統對于檢測極限方面的提升具有切實可行的優勢。

案例研究：模塊化探頭VS集成系統檢測極限，激光器@1064 nm 為了比較基于探頭與集成系統的絕對靈敏度差異，此處使用帶有快速安裝比色皿座的WP 1064L拉曼系統與配置了1064 nm激光器和RP 1064拉曼探頭的模塊化WP 1064光譜儀進行水中異丙醇檢測極限（LOD）和定量極限（LOQ）的測試。 使用帶有快速安裝比色皿座，充分利用光譜儀的整個f / 1.3孔徑，并最大限度地減少光耦合損耗，從而產生比探頭耦合配置更高的信號。為了量化靈敏度的增強，此時測量了濃度為0.1 – 100%異丙醇在水中稀釋的樣品，并依據“技術說明文件"中“熒光檢測極限"描述方法計算出檢測極限（LOD）和定量極限（LOQ）。在本次研究中LOD定義為信噪比（SNR）=3：1時的濃度，LOQ定義為SNR=10：1時的濃度。 與基于探頭的系統相比，集成拉曼系統的LOD提高了2倍，LOQ也有部分提高。

由此可見，Wasatch Photonics集成拉曼系統是實驗室使用和概念驗證的理想選擇，雖然如此，Wasatch Photonics也為OEM集成，提供更精簡的定制光學設計和更小巧的系統尺寸。
★Wasatch Photonics會不斷擴展集成拉曼系統產品線，持續為您帶來更多驚喜。

Wasatch Photonics始終關注您在拉曼光譜系統設計時，希望擁有完整自主性和最大靈活性的想法。這就是為什么Wasatch Photonics在量程、分辨率、探測器冷卻和樣品耦合提供如此多定制化選項的原因——用Wasatch Photonics的建議和經驗以及技術說明來支持每個選項，從而指導您的系統設計。讓Wasatch Photonics幫助您創建適合您需求的系統。如需了解產品更多詳情，請隨時聯系我們！