拉曼光譜專題3|揭秘拉曼光譜儀光柵選擇密碼，解鎖微觀世界的神奇利器

在微觀世界的探索之旅中，拉曼光譜儀無疑是科研人員和工程師們的得力助手。而在拉曼光譜儀中，衍射光柵扮演著至關(guān)重要的角色，它能將多色光分離成其組成的波長，助力我們看清物質(zhì)的特性。今天，昊量講堂就來帶大家深入了解，如何為拉曼光譜儀挑選合適的衍射光柵！

衍射光柵在拉曼光譜儀中的工作原理堪稱精妙。它能把收集到的拉曼散射的組成波長，巧妙地分離到 ccd 相機(jī)的不同像素上進(jìn)行檢測。毫不夸張地說，每一臺拉曼光譜儀都至少需要一個衍射光柵，而很多時候，為了讓儀器能更好地適配不同樣品和激發(fā)波長，還會配置多個光柵。

那么，在為拉曼光譜儀選擇衍射光柵時，有哪些關(guān)鍵因素需要我們重點(diǎn)關(guān)注呢？答案就在四個核心要點(diǎn)：光譜分辨率、光譜范圍、閃耀波長和激發(fā)波長。

先來說說光譜分辨率，它和光柵的刻線密度緊密相關(guān)。光柵具有固定的刻線密度，其刻線密度以每毫米刻線數(shù)（gr/mm）來衡量，這個數(shù)值直接決定了光的色散程度?？叹€密度越高，光譜分辨率就越好。舉個例子，1200 gr/mm 的光柵在分辨光譜時，能力遠(yuǎn)超 300 gr/mm 的光柵。從圖 1 中我們可以直觀看到，高刻線密度光柵能把光 “鋪展" 到 CCD 的更大區(qū)域，從而大幅提升光譜分辨率。這里有個簡單實(shí)用的經(jīng)驗(yàn)法則：當(dāng)刻線數(shù)量翻倍，分辨率也大致會翻倍。

我們通過實(shí)際實(shí)驗(yàn)來感受一下刻線密度對光譜分辨率的影響。用三個不同的衍射光柵，搭配 532nm 激發(fā)波長，對尼龍6進(jìn)行光譜測量（圖 2）。從測量結(jié)果中，300 g/mm 光柵和 1800 g/mm 光柵下光譜分辨率的顯著差異一目了然，高刻線密度光柵的 “實(shí)力" 可見一斑。

圖2. 使用3個不同光柵獲取的尼龍的拉曼光譜

不過，刻線密度就像一把 “s刃劍"，它在影響光譜分辨率的同時，也會對光譜范圍產(chǎn)生作用。增加刻線密度，光譜范圍反而會減小。我們以環(huán)己烷樣品為例，將其放在比色皿支架中，用 638 nm 激發(fā)，使用五個不同光柵進(jìn)行分析（圖 3）。從光譜圖中可以清晰看到，隨著刻線密度增加，分辨率提升了，但光譜范圍卻變小了。光譜儀的光譜范圍和光柵刻線密度呈反比關(guān)系，這也意味著，在獲取拉曼光譜時，光譜范圍和分辨率之間存在著 “魚與熊掌不可兼得" 的取舍。不過別擔(dān)心，昊量光電的全自動拉曼 AUT-Hyper，憑借接譜功能，在一定程度上拓寬了高刻線密度光柵的觀測光譜范圍，雖然采集時間會有所增加，但為我們的研究帶來了更多可能。

圖3. 使用不同光柵和1800gr/mm光柵（品紅色）擴(kuò)展掃描的環(huán)己烷的拉曼光譜。插圖顯示了具有300 gr/mm和1800 gr/mm光柵的樣品的高波數(shù)區(qū)域。

閃耀波長也是選擇光柵時不容忽視的關(guān)鍵。它就像為光柵 “量身定制" 的優(yōu)化標(biāo)識，代表著光柵效率達(dá)到Max的波長。不同閃耀波長的光柵，是為了優(yōu)化不同的波長區(qū)域而設(shè)計(jì)。一般來說，可見光和近紅外激光器使用相同閃耀波長的光柵，能保持相近的效率；但如果是在拉曼激光器的使用波長ji端情況，比如≤325nm 和≥1064nm 激發(fā)時，就需要特定閃耀波長的光柵來優(yōu)化光譜儀性能。從圖 4 中兩個 600 gr/mm 光柵的絕對效率曲線可以看出，550 nm 閃耀波長的光柵適合可見光激光器，而 750 nm 閃耀波長的光柵更適配 NIR 激光器。如果用 785nm 激光器激發(fā)，550nm 閃耀光柵的效率僅約 52%，而 NIR 優(yōu)化的光柵效率能達(dá)到約 71%，這對光譜質(zhì)量和采集時間的影響不言而喻。

圖4. 突出顯示了兩個激光器（532nm和785nm）下，閃耀波長分別為550nm和750nm的兩個600gr/mm光柵的絕對效率曲線。

拉曼光譜儀不僅能分析拉曼光譜，還能用于測量光致發(fā)光（PL）。在 PL 測量中，通常使用 UV 或可見光激發(fā)，由于 PL 光譜一般比較寬，這時低刻線密度光柵就派上用場了，它能幫助我們獲得更寬的光譜范圍。比如在對墨水的分析中（如圖5），使用 532 nm 激光，300 gr/mm 光柵能將光譜范圍覆蓋到 1200 nm，輕松呈現(xiàn) 700 nm 處的 PL 峰。當(dāng)然，根據(jù)需求不同，搭配 1800gr/mm 光柵，還能在避開 PL 干擾的情況下，清晰分辨出拉曼光譜。

圖5. 使用300gr/mm（綠色）和1800gr/mm（紅色）光柵獲取的筆墨的PL和拉曼光譜

zui后，激發(fā)波長也是選擇光柵的重要依據(jù)?？梢院唵卫斫鉃?，UV 和可見激光器更適合高刻線密度的光柵，而 NIR 激光器則與低刻線密度光柵 “更配"。因?yàn)槔庾V采用波數(shù)（cm-1）作為能量相關(guān)單位，隨著激光激發(fā)波長降低，光譜分辨率也會降低。同時，不同刻線密度的光柵有其理論波長極限，例如 2400 gr/mm 光柵適用于可見光和紫外激光器，3600 gr/mmm 光柵更適合 UV 激發(fā)。從圖 6 中五個常用光柵在 532 nm 和 785 nm 激光器下的光譜范圍對比，就能明顯看出近紅外激光器光譜范圍的差異。所以，對于 UV 激光器，推薦使用 2400 gr/mm 和 3600 gr/mmm 等高刻線密度光柵；對于 NIR 激光器，300 gr/mm 和 600 gr/mm 等低刻線密度光柵更為合適。

圖5. 使用532nm和785nm激發(fā)的5個光柵的光譜范圍

綜上所述，在拉曼光譜中選擇光柵，需要我們根據(jù)實(shí)際需求，明確優(yōu)先級。首先要確保光柵在激發(fā)激光的合適波長下閃耀，這樣才能獲得高效率；然后根據(jù)所需的光譜分辨率和光譜范圍，挑選恰當(dāng)?shù)目叹€密度，同時還要綜合考慮拉曼強(qiáng)度、采集時間和信噪比等因素。

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