“双激光器+单探测器”拉曼光谱仪的设计与制造
2024-11-23 16:42:24 来源：麦姆斯咨询 评论：0 点击：
研究团队设计和制造了一种无可移动组件的双激光器拉曼光谱仪，并且可通过单个探测器收集数据。该仪器由两个对称合并的切尔尼-特纳光学装置构成。
近期关于光谱仪的研究大多集中于如何将多个光谱仪集成到单一系统中，从而带来诸多优势。这些优势包括使用便携式系统进行快速分析、降低制造成本、快速精准的光谱测量以及无需重复波长校准。双激光器拉曼系统将两个光谱仪结合在一起，并且无需可移动组件，代表了该领域的重要进展。
据麦姆斯咨询报道，近日，伊朗沙希德·贝赫什提大学（Shahid Beheshti University）的研究团队设计和制造了一种无可移动组件的双激光器拉曼光谱仪，并且可通过单个探测器收集数据。该仪器由两个对称合并的切尔尼-特纳（Czerny–Turner）光学装置构成。该双光谱仪单探测器（DSSD）配有两个光输入端，每个光输入端通过各自独立的光路将光聚焦到一个线性电荷耦合器件（CCD）探测器上。在这种创新的光谱仪设计中，未使用任何光学可移动部件，因此重复光谱实验时，波长位移误差为零。此外，光路的独立性使得两个光谱仪可以分别优化，而不会相互干扰。最终，该双激光器拉曼光谱仪在532 ~ 708 nm和784.65 ~ 1100 nm波段的半峰全宽（FWHM）（即光谱分辨率）分别达到4.6 cm⁻¹和6.11 cm⁻¹。这项研究成果以“Design and fabrication of a dual laser Raman spectrometer with a single one-dimensional CCD detector”为题发表在Scientific Reports期刊上。
这项研究主要利用光学元件取向与彗差程度之间的相关性来优化光学装置。图1展示了入射光束照射光栅形成的角度，以及光束色散的角度。研究人员通过优化光学元件的角度关系，可以实现精确的波长校准，并有效去除背景荧光干扰。
图1 沿着光栅表面的光路示意图
该双激光器拉曼光谱系统的示意图如图2所示。在该系统中，两个激光器产生的拉曼光谱通过光纤收集。532 nm激光器产生的拉曼光谱通过一侧光纤通道进入对应的狭缝入口。同样，784.65 nm激光器产生的拉曼光谱通过另一侧光纤通道进入相应的狭缝入口。两个激光器分别单独启动，每次只有一束激光通过光路照射样品。两个Czerny–Turner光学装置以对称方式相邻放置，探测器直接位于它们之间的中央位置。每个光谱仪的第二面反射镜通过柱架相连，以确保中心波长的光束垂直聚焦到探测器上。通过在柱架上垂直安装反射镜聚焦光栅的色散光，使整个系统更加紧凑高效。
图2 左图为双激光器拉曼光谱系统的原理图，右侧为双光谱仪单探测器设置的原理图
光学平面包含多个点，包括反射镜的中心点、衍射光栅、狭缝的中点以及与探测器中点相交且平行于探测器长度的水平线。图3展示了水平面与光学平面之间的夹角（10度）。在完成该双激光器拉曼光谱仪的构建后，研究人员还对其光谱分辨率、信噪比等关键指标进行了评估测试。
图3 双光谱仪单探测器中水平面与光学平面的夹角：（a）532 nm光谱仪设置；（b）784.65 nm光谱仪设置
综上所述，这项研究开发了一种专为双激光器拉曼光谱系统设计的、具有两个光狭缝入口的光谱仪。该仪器使用波长为532 nm和784.65 nm的两种激光器，分别覆盖0 ~ 4686 cm⁻¹和0 ~ 4386 cm⁻¹的拉曼位移范围。通过在光学装置中加入10度的倾角，光谱分辨率和输出光谱强度几乎不受影响。记录光谱和显示光谱两种模式之间的切换仅需几分之一秒即可完成。该系统的重要特点在于无任何光学可移动部件，从而降低了光谱测量过程中出现波长误差的风险。在保持光学组件尺寸不变的情况下，光谱仪能够记录足够信噪比的拉曼光谱。532 nm激光器拉曼光谱仪的光谱分辨率（FWHM）为0.17 nm（相当于4.6 cm⁻¹），784.65 nm激光器拉曼光谱仪的光谱分辨率（FWHM）为0.44 nm（相当于6.11 cm⁻¹）。该系统在两种配置下的光谱分析所需的积分时间均为500 µs。
论文链接：https://doi.org/10.1038/s41598-024-79882-2
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