光纤拉曼采样探头中的背景过滤

介绍

拉曼光谱是一种特别的技术，是对红外吸收光谱的补充。 对于远程分析，拉曼实验的优势在于它可以在比“中红外”区域更短的波长下进行，从而能够使用更高效的光纤材料测量基本振动模式。 例如，当在可见光或近红外区域使用激发源时，石英光纤能够有效地传输激光并收集来自样品的散射辐射。

光纤拉曼探头的最简单设计由两根紧密安装在一起的单根光纤组成。 在这种配置中，一根光纤连接到激光激发源并照亮采样区域。 另一根光纤收集散射光并将能量传输到光谱仪。 通过使用更多的收集光纤或通过添加聚焦光学器件来改善激发和收集光纤之间的重叠，可以放大光的收集。

光纤背景

二氧化硅光纤很容易在光谱的近红外和可见光区域进行传输。在拉曼实验中，激光源通过光缆照射。在光纤的另一端，激光线从光纤传输时几乎没有衰减；然而，光输出还包含由石英光纤材料本身产生的拉曼带。样品激发后，大部分散射光强度与入射激光束（瑞利线）的频率相同。在收集并随后通过第二根光纤传输之后，二氧化硅拉曼谱带明显比典型样品产生的谱带更强烈。除了在测量后使用光谱减法之外，无法从结果数据中去除这些干扰带或“光纤背景”。根据样品的散射强度和光纤的长度，二氧化硅背景可以完全覆盖所产生的光谱。

从拉曼光谱中去除光纤背景的一种方法是准确的光学过滤。 过滤是一个两步过程，因为须从两条光纤中过滤/防止频带； 这是通过在激发和收集光纤之间加入各种滤光片来实现的。 这些光学元件只允许激光线照射到样品上，并且在散射光通过收集光纤传输之前有效地去除瑞利线。

• 同轴设计通过使用公共透镜确保激发和收集光纤之间的**重叠； 激发光纤和收集光纤被成像到空间中的同一点。

• 具有聚焦光束可以准确定位采样位置； 测量可以通过厚玻璃容器通过聚焦在容器壁外来进行。

• 单根光纤可以通过直接耦合到附加光纤来扩展； 这也可以挽救损坏的探头光缆。

具有高效过滤的同轴设计

RamanProbeTM可在完全去除光纤背景的同时优化光通量。 它是一个同轴、两根光纤的探头； 一根光纤用于激发，另一根光纤用于收集。 通过使用透镜聚焦激光并收集散射辐射来优化两个光纤末端之间的重叠。

光束路径如附图所示。在激发光纤的末端，一个透镜用于准直激光。带通滤光片去除二氧化硅拉曼谱线，只传输纯激光。二向色滤光片还将另一个透镜聚焦的激光线传输到样品上。同一个透镜收集从激光方向散射 180 度的光（反向散射）。收集到的信号然后由二向色滤光片通过长通滤光片组件反射，该滤光片组件仅传输斯托克斯散射光。最后一组滤光片将瑞利谱线衰减了 108 倍，从而防止在收集光纤中出现的二氧化硅拉曼谱观察到瑞利线。最后，另一个透镜用于将光聚焦到输出光纤上，仅由样品的谱线组成。所有这些光学元件都包含在一个 0.5 英寸（25.4 毫米）直径的不锈钢外壳中，非常适合手持使用，并且可以进行定制修改。

RamanProbe 中的过滤非常有效，以至于整个光谱范围（包括激光线）都可以成像到 CCD 芯片上，而无需在光谱仪中进行额外的过滤。 光学元件能够承受高温（约 200 C），并且通过添加延长管，可以将其移离样品更远的位置，以用于更高温度的应用。

单光纤与束收集

与束设计相比，同轴探头具有许多优点：

• 在收集光纤和激发光纤之间的准直光束路径中安装滤光片是消除光纤背景的较有效方法。

• 激发和收集光纤之间的光泄漏（称为“串扰”）是不可能的，因为光纤本身是相互隔离的。

概括

未过滤的束探头适用于非常短的长度（例如 < 1 m）和测量高散射样品时。 在散射较弱且需要更长的电缆长度（例如 100 m 或更长）的情况下，具有高效过滤功能的同轴探头可以提供高质量的拉曼光谱，而没有任何二氧化硅背景。 RamanProbe 将最少数量的光学元件集成在一个小巧、坚固的探头中，以实现优良性能和实验多功能性。