如何選擇拉曼光譜儀的光學元件？

　　導語：在上期中，我們對拉曼光譜及其便攜式光譜儀作了簡單的介紹，這次就讓我們來看看光譜儀光學模塊的內部構造吧。便攜式拉曼光譜儀的光學模塊主要包括激發光源、拉曼探頭以及分光系統。

　　激發光源的選擇

　　拉曼散射的產生需要光進行激發。由于拉曼散射的光強較弱，所以拉曼光譜儀的理想激光光源必須具有良好單色性，高強度和良好的偏振性。

　　目前，大多數的拉曼光譜儀使用波長為532nm和785nm的激光源，另外還有 633nm，1064nm等波長。拉曼位移與選用的激光源波長是多少nm無關。雖然同一樣品用不同激光照射所產生的頻移相同，但仍需要對激光光源的波長進行選擇。

　　激光光源的波長越小，拉曼散射光強越大，但拉曼信號也越容易被熒光遮蔽。對于生物樣本，如果采用 532nm的激光，拉曼信號會被熒光背景遮蔽，這種情況下，使用633nm或785nm的激發波長可以有效地降低熒光背景。

　　使用波長較長的激光源時如1064nm，拉曼散射光強低，為了讓拉曼散射光容易觀察，就需要增大激光源的功率，或者提高曝光時間。對于生物樣本，用波長較長的激光源顯然具有更好的效果，但也需要主要光強的問題。

　　因此，需要綜合考慮熒光背景噪聲和激光器的激光功率。由于785nm激光器的熒光背景噪聲較小，而且通常785nm激光器的激光功率比532nm和633nm激光器強，與1064nm激光器相比，785nm的激發光產生的拉曼信號更強并且不需要很長的曝光時間。所以785nm波長的激光器是便攜式拉曼光譜儀的理想選擇。

　　激光探頭的原理

　　拉曼探頭的功能是傳導，收集，還有濾波。相應的拉曼探頭的主要組成部分是入射光纖、收集光纖、濾波片等。

　　從激光器輸出的光由入射光纖導入，并照射到樣品上。激光作用于樣品并產生拉曼信號。接收光路收集拉曼信號。濾波片用于過濾瑞利散射（非拉曼散射）信號，同時保留拉曼散射信號。最后由收集光纖將拉曼散射信號傳入分光系統。

　　拉曼探頭的常用結構分為兩種。

　　一種是雙光纖的拉曼探頭。簡易原理如下圖所示。入射光纖與收集光纖各為一根。激發光源從入口11處進入，經過透鏡13和濾波片15，透鏡17將光折射并使光聚焦于樣品。透鏡17收集來自于樣品的拉曼散射光并過濾掉瑞利散射，最后經過濾波片16和透鏡14將拉曼信號傳入收集光纖中。

　　另一種是多光纖的拉曼探頭。簡易原理如下圖所示。中間的光纖是入射光纖。周圍的其余光纖都是收集光纖。由于收集光纖數量多，因此它的靈敏度較高。但同時價格也高于雙光纖拉曼探頭。

　　分光系統的原理

　　分光系統是光譜儀的最重要部分。分光系統是把包含多種波長成分的光分開，射向不同的方向，成為許多波長范圍狹小的單色光，從而能夠辨認出入射光的波長成分。

　　根據色散元件，分光系統可以分成兩種類型：棱鏡和光柵。

　　棱鏡分光系統的光學儀器是三棱鏡。它是一種透明材料并具有三角形剖面的光學儀器。由于棱鏡所能提供的色散能力較弱，所以棱鏡分光系統的分辨率較低，在現代光譜儀中已經基本被淘汰。這里就不在多做介紹。

　　光柵分光系統的工作原理是光的衍射。光柵可分為透射光柵和反射光柵。透射光柵是光學平板玻璃上具有相等間距的劃線，劃線處光線不能穿過，不是劃線的地方則是光線可以穿過的狹縫；反射光柵是在金屬鏡上具有相等間距的劃線，劃線上發生漫反射，未劃線處發生衍射，相當于一組衍射狹縫。通常采用反射光柵作為分光系統。

　　圖中可以看出，不同波長的光在通過反射光柵之后具有不同的衍射角，實現了分光。反射光柵的色散能力越強，將波長差距很小的光分離開的能力就越強，意味著光柵的分辨率越高。因此，光柵的色散能力成為分光系統的首要考慮因素。