為什么選對(duì)激光波長(zhǎng)對(duì)拉曼光譜很重要

對(duì)于剛接觸拉曼光譜的研究者，最常提出的問(wèn)題是："我需要什么激光激發(fā)波長(zhǎng)？" 答案顯然取決于待測(cè)材料本身。材料的拉曼散射截面及其物理光學(xué)特性都至關(guān)重要。若樣品對(duì)激發(fā)波長(zhǎng)透明且足夠薄，可能會(huì)檢測(cè)到基底材料的光譜貢獻(xiàn)，這種貢獻(xiàn)既可能是拉曼散射也可能是光致發(fā)光。

拉曼光譜中的激光器有許多不同的波長(zhǎng)，通?？蛇x擇的范圍從紫外，可見(jiàn)光到近紅外等等。對(duì)于某一個(gè)特定應(yīng)用的最佳波長(zhǎng)并不總是顯而易見(jiàn)的，拉曼實(shí)驗(yàn)中的優(yōu)化需要考慮很多變量，而變量中很多都與波長(zhǎng)相關(guān)。

首先，拉曼信號(hào)非常弱。它來(lái)自于樣品材料中的光子 - 聲子相互作用，而這是一個(gè)強(qiáng)度很小的過(guò)程。另外，拉曼散射強(qiáng)度與激發(fā)波長(zhǎng)的四次方成反比，這意味著在長(zhǎng)波長(zhǎng)激光激發(fā)的拉曼信號(hào)更加弱。

選擇激發(fā)波長(zhǎng)時(shí)的另一個(gè)考慮因素是材料光密度隨波長(zhǎng)的變化。如果材料是透明的，則激光束的焦深將由透鏡的數(shù)值孔徑、激光的波長(zhǎng)以及該波長(zhǎng)處樣品折射率的實(shí)際分量決定。但是，如果樣品不透明，則光穿透深度將不是由物理光學(xué)元件決定的，而是由樣品在該波長(zhǎng)下的吸收率決定的。這些情況使許多光譜學(xué)家能夠通過(guò)改變激發(fā)波長(zhǎng)來(lái)對(duì)半導(dǎo)體等材料進(jìn)行深度剖析。通常，激發(fā)波長(zhǎng)越長(zhǎng)，光穿透樣品的深度就越深。市售可見(jiàn)波長(zhǎng)激光器的范圍所提供的半導(dǎo)體深度穿透變化與某些微電子器件的制造深度相匹配。

 785nm做拉曼的優(yōu)勢(shì)

拉曼光譜中最常用的波長(zhǎng)是785nm。它兼顧了信號(hào)強(qiáng)度、熒光干擾、探測(cè)器效率、成本效益和激光器之間的最佳平衡。當(dāng)然，具體的波長(zhǎng)還要取決于具體的應(yīng)用。

1、 熒光抑制優(yōu)勢(shì)

785nm 屬于近紅外波段，其能量相對(duì)較低，能夠大幅降低樣品本底熒光的激發(fā)概率。在生物、高分子材料等容易產(chǎn)生熒光的樣品檢測(cè)里，這種特性尤為重要，它可以讓拉曼信號(hào)更加清晰地呈現(xiàn)出來(lái)。在生物樣品（細(xì)胞/組織）、碳材料（石墨烯/碳納米管）、染料/色素等強(qiáng)熒光體系中，785nm可有效提取拉曼信號(hào)。

 2、穿透深度與生物兼容性

較低的光子能量使得 785nm 激光器對(duì)樣品造成的熱效應(yīng)和光化學(xué)損傷較小。這一優(yōu)勢(shì)讓它非常適合用于活體組織、有機(jī)分子以及納米材料等對(duì)光較為敏感的樣品分析。

3、信噪比優(yōu)化平衡

785nm 激光處于硅基探測(cè)器（如 CCD）的高靈敏度響應(yīng)范圍內(nèi)，這樣就無(wú)需使用成本較高的制冷型探測(cè)器，從而降低了設(shè)備的整體成本。

4、 降低光損傷風(fēng)險(xiǎn)

較低的光子能量使得 785nm 激光器對(duì)樣品造成的熱效應(yīng)和光化學(xué)損傷較小。這一優(yōu)勢(shì)讓它非常適合用于活體組織、有機(jī)分子以及納米材料等對(duì)光較為敏感的樣品分析。785nm激光器在常規(guī)拉曼檢測(cè)中實(shí)現(xiàn)了熒光抑制、穿透深度、檢測(cè)靈敏度的最佳平衡，是生物醫(yī)學(xué)、材料科學(xué)等領(lǐng)域的理想選擇。對(duì)于特殊需求（如深色樣品需1064nm，無(wú)機(jī)材料需532nm），建議采用多波長(zhǎng)聯(lián)用系統(tǒng)。

拉曼實(shí)驗(yàn)選擇激光器時(shí)應(yīng)考慮哪些指標(biāo)

除了波長(zhǎng)之外，在為拉曼光譜儀選擇激光器時(shí)應(yīng)考慮一些重要的性能參數(shù)。關(guān)鍵的參數(shù)包括線寬，頻率穩(wěn)定性，光譜純度，光束質(zhì)量，輸出功率大小和功率穩(wěn)定性以及光學(xué)隔離器。此外，還應(yīng)考慮激光器的牢固可靠性，大小，壽命和成本結(jié)構(gòu)等。

1、光譜線寬

線寬決定了拉曼信號(hào)的極限分辨率。對(duì)于大多數(shù)固定光柵系統(tǒng)，為了不限制系統(tǒng)的光譜分辨率，激光線寬應(yīng)該小于10pm。但是，高分辨率系統(tǒng)需要的線寬遠(yuǎn)小于此值，有時(shí)甚至低于1 MHz。

2、頻率穩(wěn)定性

為了不影響光譜分辨率，激光譜線在記錄光譜時(shí)必須保持非常固定的波長(zhǎng)。通常情況下，長(zhǎng)時(shí)間工作時(shí)頻率飄移不能超過(guò)幾個(gè)pm。

3、光譜純度

拉曼信號(hào)需要激光器的光譜純度大于60dB，對(duì)于通常情況而言我們?cè)陔x主峰1~2nm的時(shí)候達(dá)到這樣的光譜純度即可，而低波數(shù)拉曼應(yīng)用可能需要在離主峰幾百pm的地方實(shí)現(xiàn)高的邊模抑制比（SMSR）。

4、光束質(zhì)量

在共焦拉曼成像應(yīng)用中，需要使用TEM00光束以獲得最佳的空間分辨率。但是基于探針的定量拉曼分析，對(duì)于光束質(zhì)量要求不高。

5、輸出功率大小和功率穩(wěn)定

激光輸出功率范圍從紫外線約10 mW到近紅外線約100 mW。輸出功率大小要求與波長(zhǎng)，將要研究的材料類型以及采樣頻率和成像速度都有關(guān)。

6、光隔離器

在共聚焦成像裝置中，樣品可能會(huì)把激光反射回激光器，這會(huì)引起功率和噪聲不穩(wěn)定，并且會(huì)導(dǎo)致激光器永久損壞。通常最好的選擇是將光隔離器直接集成在激光源本身中。

本文內(nèi)容轉(zhuǎn)載自，公眾號(hào)“光譜大偵探”《做拉曼，為什么785nm波長(zhǎng)是天選之子？》，版權(quán)歸原作者所有，僅用于學(xué)習(xí)、交流用途。如涉及版權(quán)問(wèn)題或侵權(quán)內(nèi)容，請(qǐng)及時(shí)聯(lián)系我們（手機(jī)|微信：13697356016），我們將第一時(shí)間處理或刪除。