激光拉曼光谱仪主要构造

激光拉曼光谱仪的核心架构与关键组件深度解析

在精密分析仪器领域，激光拉曼光谱仪凭借其非破坏性、无需样品制备及高空间分辨率的特性，已成为材料科学、生物医药及半导体检测等行业的标配。从光路设计到信号捕捉，一台高性能拉曼光谱仪的结构复杂性决定了其终的光谱分辨率与信噪比。本文将从从业者视角，深入剖析拉曼光谱仪的四大核心构造模块。

一、 激发源系统：激光器的选择与稳定性

激光器是整个拉曼系统的“心脏”，其波长稳定性、线宽以及功率直接影响激发效率。目前实验室级拉曼光谱仪常用的激光波长涵盖了从紫外到近红外的范畴。

• 532nm激光器： 高能量激发，适用于无机材料、碳材料（如石墨烯、碳纳米管）的研究，信号强度高。
• 785nm激光器： 最为通用的波长，能有效抑制多数有机样品的荧光背景，是生物医药与化工分析的首选。
• 633nm激光器： 介于两者之间，常用于薄膜及特定聚合物的检测。

在硬件参数上，激发源必须具备极窄的线宽（通常要求 $<1 cm^{-1}$）和极高的波长稳定性，以确保拉曼峰位的精确偏移测量。

二、 光路收集与过滤系统：瑞利散射的屏蔽

拉曼散射信号极弱，通常仅为入射光强度的 $10^{-6}$ 到 $10^{-8}$。因此，如何高效收集拉曼信号并彻底滤除瑞利（弹性）散射，是评价仪器构造优劣的核心指标。

该系统主要包含：

1. 显微物镜： 负责激光聚焦与信号回采，高数值孔径（NA）物镜能显著提升光通量及空间分辨率。
2. 滤光片（Filter）： 关键组件通常采用陷波滤光片（Notch Filter）或边缘滤光片（Edge Filter）。高性能仪器的光学密度（OD）值通常需达到 6 以上，方可实现对瑞利光的深度切断，从而观测到低波数区域（$<100 cm^{-1}$）的信号。

三、 分光系统：光谱仪的分辨能力

分光系统（Spectrometer）负责将混合的光信号按波长进行空间色散。其内部构造决定了仪器的光谱范围与分辨率。

核心组件包括：

• 入射狭缝： 控制进入光谱仪的光通量，其宽度直接权衡分辨率与信号强度。
• 衍射光栅（Grating）： 决定色散能力的核心。光栅刻槽密度（Lines/mm）越高，光谱分辨率越强。

下表列出了不同应用场景下常见的光栅配置参考数据：

四、 探测器系统：信号的量子转化

现代拉曼光谱仪普遍采用背感光、深度制冷的电荷耦合器件（CCD）。为了降低热噪声，提升弱信号的捕捉能力，探测器通常需要制冷至 $-60^{\circ}C$ 甚至 $-90^{\circ}C$。

衡量探测器的关键参数包括：

• 量子效率（QE）： 在特定波长下的光电转换效率，高性能CCD在可见光波段QE可超过 90%。
• 暗电流（Dark Current）： 通过制冷技术将其压制在极低水平，以延长积分时间，获取高质量光谱。
• 像素尺寸： 常见的像素尺寸为 26μm 或 16μm，像素点的大小需与光谱仪的焦距及光栅色散力相匹配。

五、 自动化与外围硬件协同

除了上述光学核心，现代化的拉曼光谱仪还集成了高精度的三维自动平台（XY轴精度通常达 0.1μm），用以实现拉曼成像（Mapping）。共焦孔径（Pinhole）的结构设计也是实现纵向空间分辨率、深层干扰信号的关键。

激光拉曼光谱仪的性能表现并非由单一组件决定，而是激光稳定性、滤光效率、光栅色散能力与检测器灵敏度深度耦合的结果。在设备选型或应用开发时，从业者需根据样品的物理化学特性，对上述硬件构造参数进行针对性的优化配置。