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 相機的不同像素上進行檢測,。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關(guān)注呢？答案就在四個核心要點：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,。刻線密度越高,，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,。這里有個簡單實用的經(jīng)驗法則：當刻線數(shù)量翻倍，分辨率也大致會翻倍,。

我們通過實際實驗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)化標識,，代表著光柵效率達到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,。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”,。因為拉曼光譜采用波數(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?shù)目叹€密度,，同時還要綜合考慮拉曼強度、采集時間和信噪比等因素,。

說了這么多光柵的知識,，接下來要給大家重磅介紹我們的明星產(chǎn)品 ——AUT-XperRF 共聚焦顯微拉曼光譜儀系統(tǒng)！它堪稱 “全能選手”,，集眾多強大功能于一身,。作為二合一儀器，它擁有拉曼光譜模塊和 TRPL 測量模塊,，是確定材料特性的工具,；同時，它還是 AUT-XperRAM S 系列和 FLIM 的組合,，配備高性能光譜儀,、檢測器以及大面積快速掃描模塊。其采用的透射光柵,，能將效率提升到 90% 以上,，再搭配 ANDOR 的 OEM CCD，將有高效率發(fā)揮,。

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昊量光電,，致力于為拉曼光譜研究打造一站式服務(wù),，同時提供其他材料分析技術(shù)。我們的產(chǎn)品從設(shè)計到制造,，始終聚焦高效率,、性能和高性價比。對于 AUT-XperRam 共聚焦顯微拉曼光譜儀系統(tǒng)有興趣或者任何問題,，都歡迎通過電話,、電子郵件或者微信與我們聯(lián)系。

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