THORLABS拉曼光譜儀CCS200

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產(chǎn)品：Thorlabs激光器，光機(jī)械儀器，光纖，光隔離器等

Thorlabs 生產(chǎn)：光隔離器、光學(xué)元件、

Thorlabs公司已經(jīng)成長為光電子社會(huì)的一個(gè)組成部分。

Thorlabs公司擁有位于世界各地的10個(gè)國家的15個(gè)實(shí)質(zhì)性的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)設(shè)施。

拉曼光譜儀：途徑

拉曼光譜是一種光譜技術(shù)，可以檢測經(jīng)歷了拉曼散射的光子。由于拉曼散射比瑞利散射較弱，因此拉曼光譜儀的一個(gè)主要?dú)v史問題是將較弱的拉曼信號(hào)從較強(qiáng)的瑞利信號(hào)分離。今天，這個(gè)問題可以很容易用陷波濾光片或邊通濾光片來解決。類似地，由于CCD光譜儀的出現(xiàn)，記錄拉曼光譜容易了很多。下圖為在Thorlabs構(gòu)造的一個(gè)拉曼光譜儀系統(tǒng)。這個(gè)特定的拉曼光譜儀用于780 nm的光，利用TLK-780M可調(diào)諧激光器套件將光饋送到錐形放大器中。

在這種側(cè)面散射的配置中，激光的偏振設(shè)置為相對于桌面垂直(水平偏振光無法水平散射)。樣品(保存在比色皿中)安裝在Thorlabs的CVH100比色皿架中，它使得光可以照射在比色皿的四個(gè)面上，對拉曼光譜儀而言非常理想。散射光通過光纖收集，并饋送到Thorlabs的CCS200光譜儀中。右下方給出了用這個(gè)780 nm拉曼光譜儀測量的異丙醇的拉曼光譜。

拉曼光譜儀的功率

拉曼測量中功率很重要。拉曼散射不僅弱，而且以1/λ4的比例降低。數(shù)據(jù)采集的靈敏度和積分時(shí)間隨著功率增大而改善，只要陷波濾光片或邊通濾光片能夠衰減較強(qiáng)的瑞利信號(hào)且功率低于裝置的損傷/飽和閾值即可。為解決這個(gè)需求，Thorlabs提供幾種輸出功率在幾百毫瓦的785 nm激光二極管封裝，例如LD785-SE400或LD785-SEV300，它們的功率分別為400 mW和300 mW。

拉曼光譜儀的激光源

當(dāng)利用激光器在樣品中產(chǎn)生拉曼散射時(shí)，功率足夠大很重要，從而可改進(jìn)測量的靈敏度和積分時(shí)間。Thorlabs已經(jīng)在開發(fā)我們的GaAs材料設(shè)計(jì)和處理能力，從而制造可靠的裝置，同時(shí)改善輸出功率和可用波長。

下面概括了可用于拉曼光譜儀的Thorlabs激光源選擇。

基于GaAs的法布里-珀羅和DFB半導(dǎo)體激光二極管
我們基于GaAs的增益芯片和二極管激光器的產(chǎn)品線可改善儀器信號(hào)質(zhì)量，通過加入更高功率的替換元件或針對定制二極管設(shè)計(jì)新的儀器來實(shí)現(xiàn)。傳統(tǒng)上，許多拉曼光譜儀都是圍繞785 nm的芯片制造的。我們提供兩種Ø9 mm TO封裝、波長在785 nm的激光二極管，其中一種是功率為400 mW的二極管(LD785-SE400)，另一種是波長穩(wěn)定的激光二極管(LD785-SEV300)，功率為300 mW。

對于一些應(yīng)用，可能需要其它波長來平衡1/λ4拉曼信號(hào)與特定樣品的背景熒光的依賴性。GaAs材料系統(tǒng)可設(shè)計(jì)用于產(chǎn)生從630 nm到約1050 nm的波長。在這些情況下，Thorlabs的OEM制造能力能夠開發(fā)出一種解決方案來滿足特定應(yīng)用

 CCS175

CVH100

CV10Q3500

CV10Q700

拉曼光譜：基礎(chǔ)知識(shí)

1928年，Krishna和拉曼發(fā)現(xiàn)了拉曼光譜，由此產(chǎn)生了從線性拉曼光譜到相干反斯托克斯拉曼光譜等多種專門的技術(shù)，從而證明它是光譜分析的一種強(qiáng)大工具。拉曼光譜的一種應(yīng)用是測量系統(tǒng)(例如分子)的振動(dòng)、旋轉(zhuǎn)和其他低頻模式。

分子產(chǎn)生的拉曼散射是一種非彈性散射，其終和初始能態(tài)不同，導(dǎo)致分子處于不同的量子態(tài)。拉曼散射與瑞利散射相反，后者是一種彈性散射，其終能量狀態(tài)和初始能量狀態(tài)相同(即能量守恒)，且分子保持相同的量子態(tài)。瑞利散射和拉曼散射都取決于分子的極化率：分子的極化率越強(qiáng)，散射截面越大。雖然瑞利散射和拉曼散射都是二階過程，比例為1/λ4，但瑞利散射的散射速率比拉曼散射的散射速率大103倍[1]。一般而言，在拉曼光譜學(xué)中，必須提取更強(qiáng)的瑞利信號(hào)，因?yàn)樗鼛缀醪粫?huì)提供關(guān)于振動(dòng)模式的相關(guān)信息。

由于拉曼光譜要求極化率變化是簡正坐標(biāo)函數(shù)，因此其中的一個(gè)局限在于它不能直接測量偶極子躍遷。鑒于此，拉曼光譜有時(shí)與其他技術(shù)一起使用，以全面測量分子的振動(dòng)和旋轉(zhuǎn)狀態(tài)。例如，在二氧化碳分子中，對于右圖所示的三種振動(dòng)態(tài)，只有ν1(對稱拉伸)是拉曼激活的。另外兩種振動(dòng)狀態(tài)(彎曲和反對稱拉伸)是紅外激活的[2]；因此，拉曼光譜和紅外光譜構(gòu)成了互補(bǔ)性測量。

使用532 nm拉曼光譜儀(下圖)測量丙酮的拉曼光譜，并與公布的結(jié)果(上圖)比較。

拉曼散射包含兩個(gè)光子過程，首先，入射光子(hνi)被分子吸收，然后分子被激發(fā)到“虛擬”水平(不一定是固定的本征態(tài))。達(dá)到虛擬水平之后，分子衰減到激發(fā)態(tài)并發(fā)射“散射”光子(hνs)。通常，分子的初始狀態(tài)是基態(tài)，因此，散射光子的能量小于入射光子的能量。這種能量差異與分子的振動(dòng)、旋轉(zhuǎn)或電子能量有關(guān)[2]。能量比入射光子更少的散射光子的發(fā)射稱為斯托克斯輻射，而能量比入射光子更多的散射光子的發(fā)射則稱為反斯托克斯輻射。左圖顯示了斯托克斯和反斯托克斯輻射。由于反斯托克斯輻射要求分子在散射之前就已經(jīng)處于激發(fā)態(tài)，因此反斯托克斯信號(hào)的峰值強(qiáng)度低于斯托克斯信號(hào)的峰值強(qiáng)度。

右圖顯示了使用Thorlabs的DJ532-40激光二極管測得丙酮的典型拉曼光譜與公布的結(jié)果相比較。對于標(biāo)準(zhǔn)的線性拉曼光譜，通過幾次測量獲得關(guān)于分子的信息。散射輻射的線寬可能會(huì)產(chǎn)生大量關(guān)于系統(tǒng)的各種信息。例如，在氣體樣品中，線寬可以表示多普勒寬度、碰撞展寬、自然線寬等。拉曼光譜的極性分析還產(chǎn)生關(guān)于各向異性和極化性張量的附加信息。另外，可以從極化分析中提取關(guān)于分子取向或振動(dòng)對稱性的信息。后，拉曼線的強(qiáng)度與初始狀態(tài)下分子的散射截面和密度有關(guān)10

將光傳遞到樣品

上述拉曼光譜儀實(shí)驗(yàn)使用Thorlabs的光機(jī)械組件、光學(xué)元件安裝座和光學(xué)元件等許多產(chǎn)品組件構(gòu)造。該裝置利用我們的SM1透鏡套管和30 mm籠式系統(tǒng)搭建在面包板上。組件利用我們的Ø1/2英寸和Ø1英寸接桿配件和基座來進(jìn)行安裝?；蛘撸覀兊谋姸喙鈱W(xué)導(dǎo)軌產(chǎn)品為搭建用于您實(shí)驗(yàn)的支撐結(jié)構(gòu)提供了另一選擇。除了我們標(biāo)準(zhǔn)的光學(xué)元件安裝座產(chǎn)品之外，我們提供低漂移可調(diào)反射鏡安裝座來將光學(xué)元件安裝到需要長期對準(zhǔn)穩(wěn)定性的系統(tǒng)中，尤其是在實(shí)驗(yàn)作業(yè)之間溫度可能循環(huán)的情況。

光學(xué)元件
Thorlabs提供很寬范圍的反射鏡，它們可以用于將光引導(dǎo)通過系統(tǒng)。除了我們的平寬帶介質(zhì)膜和金屬膜反射鏡外，我們也提供凹面和離軸拋物面反射鏡，它們可用于聚焦或準(zhǔn)直系統(tǒng)內(nèi)的光，同時(shí)不引入色差。

相比于通過其它機(jī)制(比如瑞利散射或從樣品發(fā)射的熒光)產(chǎn)生的光信號(hào)，拉曼散射產(chǎn)生一個(gè)相對較弱的信號(hào)?？梢詾V除不需要的信號(hào)的濾波器是拉曼光譜儀系統(tǒng)的重要部分。Thorlabs的優(yōu)質(zhì)硬膜邊通濾波器和帶通濾波器產(chǎn)品系列提供了一個(gè)解決方案。我們的產(chǎn)品線包括長波通濾波器，截止波長在500 nm和1000 nm之間，以及帶通濾波器，中心波長在400 nm和1064 nm之間。

光纖
光纖跳線可以是簡化拉曼光譜儀應(yīng)用中的光引入或光收集的一種簡便方式。它們有多重纖芯尺寸、接頭類型和線纜長度可供選擇。如果您無法找到適合您應(yīng)用的光纖跳線，您可以通過我們的定制光纖跳線服務(wù)來設(shè)計(jì)您自定義的光纖跳線。

保護(hù)激光器免受背反射
來自裝置中的光學(xué)元件的被反射可再次進(jìn)入激光腔內(nèi)，這可能造成跳模、振幅調(diào)制、頻率偏移或者甚至損壞激光源。光學(xué)隔離器是無源磁光器件，它僅允許光在單方向上行進(jìn)，保護(hù)激光源免受被反射或系統(tǒng)中隔離器之后可能出現(xiàn)的其它信號(hào)。Thorlabs的光學(xué)隔離器可選光纖耦合和自由空間配置，中心波長范圍從紫外光到紅外光。雖然我們的隔離器是從庫存發(fā)貨的，發(fā)貨時(shí)間短，但是我們也提供定制隔離器。更多信息或者要求報(bào)價(jià)，請?jiān)L問定制隔離器頁面。

樣品夾持器

使用Thorlabs的CVH100比色皿架將樣品溶液整合到上述拉曼光譜儀中。該比色皿架可與常量與微量比色皿一起使用，且具有四個(gè)光端口。可通過裝配在CVH100頂部槽中的濾光片架添加一個(gè)濾光片。該比色皿架還帶有光纖轉(zhuǎn)接件，它包括一個(gè)準(zhǔn)直透鏡，使輸出光可以光纖耦合到探測器中。

探測

Thorlabs提供CCD光譜儀產(chǎn)品系列，它們可用于記錄拉曼光譜儀裝置產(chǎn)生的光譜。這些小型光譜儀帶SMA接頭的輸入，且附帶一個(gè)SMA轉(zhuǎn)SMA接頭的光纖跳線。每個(gè)光譜儀的波長和振幅都經(jīng)過校正。光譜儀通過一個(gè)軟件包進(jìn)行控制，它包括一個(gè)圖形用戶界面和多組驅(qū)動(dòng)器，用于進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和分析。

拉曼光譜：基礎(chǔ)知識(shí)

1928年，Krishna和拉曼發(fā)現(xiàn)了拉曼光譜，由此產(chǎn)生了從線性拉曼光譜到相干反斯托克斯拉曼光譜等多種專門的技術(shù)，從而證明它是光譜分析的一種強(qiáng)大工具。拉曼光譜的一種應(yīng)用是測量系統(tǒng)(例如分子)的振動(dòng)、旋轉(zhuǎn)和其他低頻模式。

分子產(chǎn)生的拉曼散射是一種非彈性散射，其終和初始能態(tài)不同，導(dǎo)致分子處于不同的量子態(tài)。拉曼散射與瑞利散射相反，后者是一種彈性散射，其終能量狀態(tài)和初始能量狀態(tài)相同(即能量守恒)，且分子保持相同的量子態(tài)。瑞利散射和拉曼散射都取決于分子的極化率：分子的極化率越強(qiáng)，散射截面越大。雖然瑞利散射和拉曼散射都是二階過程，比例為1/λ4，但瑞利散射的散射速率比拉曼散射的散射速率大103倍[1]。一般而言，在拉曼光譜學(xué)中，必須提取更強(qiáng)的瑞利信號(hào)，因?yàn)樗鼛缀醪粫?huì)提供關(guān)于振動(dòng)模式的相關(guān)信息。

[Stokes and Anti-Stokes Radiation]

由于拉曼光譜要求極化率變化是簡正坐標(biāo)函數(shù)，因此其中的一個(gè)局限在于它不能直接測量偶極子躍遷。鑒于此，拉曼光譜有時(shí)與其他技術(shù)一起使用，以全面測量分子的振動(dòng)和旋轉(zhuǎn)狀態(tài)。例如，在二氧化碳分子中，對于右圖所示的三種振動(dòng)態(tài)，只有ν1(對稱拉伸)是拉曼激活的。另外兩種振動(dòng)狀態(tài)(彎曲和反對稱拉伸)是紅外激活的[2]；因此，拉曼光譜和紅外光譜構(gòu)成了互補(bǔ)性測量。

[Raman Spectrum for Acetone]
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使用532 nm拉曼光譜儀(下圖)測量丙酮的拉曼光譜，并與公布的結(jié)果(上圖)比較。

拉曼散射包含兩個(gè)光子過程，首先，入射光子(hνi)被分子吸收，然后分子被激發(fā)到“虛擬”水平(不一定是固定的本征態(tài))。達(dá)到虛擬水平之后，分子衰減到激發(fā)態(tài)并發(fā)射“散射”光子(hνs)。通常，分子的初始狀態(tài)是基態(tài)，因此，散射光子的能量小于入射光子的能量。這種能量差異與分子的振動(dòng)、旋轉(zhuǎn)或電子能量有關(guān)[2]。能量比入射光子更少的散射光子的發(fā)射稱為斯托克斯輻射，而能量比入射光子更多的散射光子的發(fā)射則稱為反斯托克斯輻射。左圖顯示了斯托克斯和反斯托克斯輻射。由于反斯托克斯輻射要求分子在散射之前就已經(jīng)處于激發(fā)態(tài)，因此反斯托克斯信號(hào)的峰值強(qiáng)度低于斯托克斯信號(hào)的峰值強(qiáng)度。

右圖顯示了使用Thorlabs的DJ532-40激光二極管測得丙酮的典型拉曼光譜與公布的結(jié)果相比較。對于標(biāo)準(zhǔn)的線性拉曼光譜，通過幾次測量獲得關(guān)于分子的信息。散射輻射的線寬可能會(huì)產(chǎn)生大量關(guān)于系統(tǒng)的各種信息。例如，在氣體樣品中，線寬可以表示多普勒寬度、碰撞展寬、自然線寬等。拉曼光譜的極性分析還產(chǎn)生關(guān)于各向異性和極化性張量的附加信息。另外，可以從極化分析中提取關(guān)于分子取向或振動(dòng)對稱性的信息。后，拉曼線的強(qiáng)度與初始狀態(tài)下分子的散射截面和密度有關(guān)

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