激光拉曼光谱仪基本构造

激光拉曼光谱仪的核心架构与组件功能解析

在分子结构表征与材料无损检测领域，激光拉曼光谱仪凭借其“分子指纹”识别能力，已成为实验室及工业现场分析的核心仪器。一台高性能的拉曼光谱系统并非简单的组件堆砌，而是光学、精密机械与电子探测技术的深度集成。从光路设计到信号转化，每一个环节的参数指标都直接决定了终谱线的信噪比与分辨率。

激发光源：激光器的性能基石

激光器作为拉曼散射的激发源，其波长稳定性、线宽以及功率输出至关重要。拉曼散射强度与激发频率的四次方成正比，但在实际应用中，波长的选择往往需要在散射强度与荧光干扰之间寻求平衡。

目前主流的激光波长包括532nm、633nm及785nm等。532nm激光器具有较高的激发效率，适用于无机材料及碳材料分析；而785nm半导体激光器因其较好的荧光能力，成为有机分子与生物样本检测的首选。

光学采样与滤光系统：信号提取的关键

由于拉曼散射（非弹性散射）信号极其微弱，大约仅为激发光强度的$10^{-6}$至$10^{-8}$，因此如何高效收集散射光并彻底滤除瑞利散射（弹性散射）是光路设计的难点。

1. 收集物镜：通常采用高数值孔径（NA）的显微物镜，NA值越大，收集角越大，获取的拉曼信号强度越高。
2. 滤光片（Notch/Edge Filter）：这是光谱仪的心脏部件。陷波滤光片（Notch Filter）可阻挡特定波长的激光，允许双侧拉曼信号通过（斯托克斯与反斯托克斯区）；而边缘滤光片（Edge Filter）则具有更高的截止陡度，能更接近激光线进行观测（低波数测量）。

分光系统：光栅的分辨率本质

经过滤光后的拉曼光进入光谱仪内部，通过分光元件将不同波长的光在空间上色散开。对于色散型拉曼光谱仪，光栅（Grating）是决定光谱分辨率的核心。

• 焦距（Focal Length）：光谱仪焦距越长，线性色散越好，分辨率越高。
• 狭缝（Slit）：控制入射光量，狭缝越窄，分辨率越高，但信号强度会随之衰减。

探测系统：光电信号的转化

终，色散后的光信号投射到探测器上。现代拉曼光谱仪普遍采用电荷耦合器件（CCD）。为了降低热噪声，高性能CCD通常配备多级珀尔帖（Peltier）制冷系统，工作温度可降至-60℃甚至-90℃。

在近红外激发（如785nm）应用中，深耗尽（Deep Depletion）CCD被广泛采用，以克服硅基片在长波段的量子效率下降及乙炔条纹干扰。对于极弱信号或瞬态动力学研究，电子倍增CCD（EMCCD）则通过增益机制进一步提升了检测限。

结语

激光拉曼光谱仪的结构演进正朝着高灵敏度、小型化与智能化方向发展。理解激光器、滤光片、光栅与探测器之间的耦合逻辑，不仅有助于科研人员优化实验条件，更能为工业用户在设备选型时提供科学的决策依据。在实际操作中，针对样本特性选择匹配的波长与光栅组合，依然是获取高质量拉曼谱图的核心逻辑。