КР спектрометр на базе компонентов Thorlabs. Основы спектроскопии комбинационного рассеяния
Рамановская спектроскопия: метод
Рамановская спектроскопия - это спектроскопический метод, который основан на детектировании фотонов, которые подверглись комбинационному рассеянию. Поскольку комбинационное рассеяние является относительно слабым по сравнению с Рэлеевским рассеянием, одной из основных проблем, связанных с спектроскопией комбинационного рассеяния, было отделение слабого Раман сигнала от сильного сигнала Рэлея. Сегодня эта проблема легко решается с помощью notch или краевых фильтров. Аналогично, регистрация спектра комбинационного рассеяния значительно упростилась с появлением ПЗС-спектрометров. На рисунке ниже показана оптическая установка спектрометра комбинационного рассеяния, созданная на основе компонентов Thorlabs, разработанных для работы с излучением на длине волны 780 нм, в том числе с использованием перестраиваемого лазера TLK-780M, излучение которого подается на усилитель.
|
КР спектрометр, собранный из компонентов Thorlabs. |
Спектр комбинационного рассеяния изопропилового спирта, измеренный с помощью спектрометра Thorlabs (780 нм). |
В этой конфигурации бокового рассеяния поляризация лазера была установлена вертикально относительно поверхности стола (горизонтально поляризованный свет не может рассеиваться по горизонтали). В качестве образца использовался изопропиловый спирт в кювете, установленной в кюветный держатель CVH100. Держатель кюветы обеспечивает оптический доступ ко всем четырем сторонам кюветы, что делает его идеальным для рамановского спектрометра. Рассеянный свет собирается оптическим волокном и подается в спектрометр Thorlabs CCS200. Спектры комбинационного рассеяния для изопропилового спирта, измеренные с помощью этого КР спектрометра, представлены ниже.
Мощность излучения в рамановской спектроскопии
Мощность излучения крайне важна для исследований методом КР спектроскопии. Рамановское рассеяние - это маловероятное событие, генерирующее слабый сигнал с интенсивностью, зависящей от длины волны как 1/λ4. Чувствительность и время накопления данных улучшаются с увеличением мощности, при условии, что notch или краевой фильтр может в достаточной степени ослабить сильный сигнал Рэлея, а мощность ниже порогов повреждения / насыщения используемых компонентов. Чтобы удовлетворить эту потребность, компания Thorlabs предлагает несколько моделей лазерных диодов с длиной волны излучения 785 нм и выходной мощностью порядка нескольких сотен милливатт, таких как LD785-SE400 или LD785-SEV300, способных выдавать мощность 400 мВт и 300 мВт соответственно.
Лазеры для КР спектроскопии
|
При использовании лазера для получения комбинационного рассеяния в образце, крайне важна достаточная мощность для улучшения чувствительности и времени измерений. Компания Thorlabs инвестировала средства в совершенствование процессов разработки и обработки материалов GaAs, чтобы производить надежные устройства, улучшая при этом выходную мощность и доступные длины волн. Ниже представлена более подробная информация о лазерных источниках Thorlabs для КР спектроскопии. |
|
Полупроводниковые лазерные диоды Фабри-Перо и DFB на основе GaAs
Линейка чипов на основе GaAs и диодных лазеров Thorlabs дает возможность улучшить качество сигнала прибора за счет более высокой мощности. Традиционно многие рамановские спектрометры были созданы на чипах с длиной волны излучения 785 нм. Thorlabs предлагает два лазерных диода в TO корпусе диаметром 9 мм (785 нм), один из которых обеспечивает мощность 400 мВт (LD785-SE400), а другой - стабилизированный по длине волны лазерный диод, мощностью 300 мВт (LD785-SEV300).
Для некоторых применений могут потребоваться другие значения длин волн, чтобы сбалансировать зависимость комбинационного сигнала 1 / λ4 от фоновой флуоресценции конкретного образца. Система на базе GaAs может быть спроектирована для получения длин волн от 630 нм до примерно 1050 нм. В этих случаях производственные возможности компании Thorlabs позволяют разработать решение для конкретного применения.
Подача излучения на образец
Экспериментальная установка для спектроскопии комбинационного рассеяния, описанная выше, была создана с использованием компонентов из обширной линейки оптомеханических компонентов, оптических креплений и оптики Thorlabs. Система была построена на оптической плите с использованием держателей оптики SM1 и 30-мм каркасных систем. Компоненты были смонтированы с использованием оптических стержней и оснований Ø1/2" и Ø1" Thorlabs. Кроме того, обширная линейка оптических рельсов Thorlabs обеспечивает еще один вариант для построения несущей структуры для вашего эксперимента.
В дополнение к стандартной линейке оптических держателей Thorlabs, доступны кинематические держатели зеркал Polaris™ для крепления оптики в системе, которая требует долговременной стабильности юстировки, особенно в условиях, когда температура может меняться между измерениями.
Оптика
|
Thorlabs предлагает широкий ассортимент зеркал, которые можно использовать для направления света через систему. Помимо плоских зеркал с широкополосным диэлектрическим и металлическим покрытием, Thorlabs также предлагает вогнутые и внеосевые параболические зеркала, которые можно использовать для фокусировки или коллимации света в системе без введения хроматической аберрации. |
|
Рамановское рассеяние дает относительно слабый сигнал по сравнению с оптическими сигналами, создаваемыми другими механизмами, такими как Рэлеевское рассеяние или флуоресценция от образца. Фильтры, которые могут удалять нежелательные сигналы, являются важной частью системы для спектроскопии комбинационного рассеяния. Линейка премиум-фильтров Thorlabs с твердым покрытием и полосовых фильтров обеспечивает решение проблемы. Для заказа доступны длинноволновые фильтры с длиной волны отсечки от 400 до 1500 нм и полосовые фильтры с центральной длиной волны от 400 до 1064 нм.
Оптические волокна
Оптоволоконные кабели могут заметно упростить процесс ввода или сбора света в спектроскопии комбинационного рассеяния. Для заказа доступны кабели с различными размерами сердцевин, типами разъемов и длинами кабелей.
Защита лазера от обратных отражений
Обратные отражения от оптики в установке могут повторно войти в резонатор лазера, что может вызвать скачкообразную перестройку мод, амплитудную модуляцию, сдвиги частоты или даже повреждение лазерного источника. Оптические изоляторы - это пассивные магнитооптические устройства, которые позволяют свету распространяться только в одном направлении, защищая лазер от обратных отражений или других сигналов, которые могут возникнуть в системе после изолятора. Оптические изоляторы Thorlabs доступны в качестве оптоволоконных систем и систем с выводом и вводом излучения из свободного пространства с рабочими длинами волн от УФ до ИК области спектра.
Держатель образца
|
|
|
Детектирование
Thorlabs предлагает линейку ПЗС-спектрометров, которые можно использовать для регистрации спектра, получаемого с помощью спектроскопии комбинационного рассеяния света. Эти компактные спектрометры оснащены входом, соединенным с SMA разъемом, и поставляются с соединительным кабелем SMA-SMA. Каждый спектрометр калиброван по длине волны и амплитуде. Управление спектрометрами осуществляется с помощью ПО, которое включает графический интерфейс пользователя и обширный набор драйверов для сбора и анализа данных.
Рамановская спектроскопия: основы
|
Исследованная Кришной и Раманом в 1928 году спектроскопия комбинационного рассеяния привела к появлению множества специфических методов, от линейной спектроскопии комбинационного рассеяния до когерентной антистоксовой спектроскопии комбинационного рассеяния, и зарекомендовала себя как мощный инструмент для спектроскопического анализа. Одним из наиболее распространенных применений спектроскопии комбинационного рассеяния является измерение колебательных, вращательных и других низкочастотных мод системы (например, молекул). |
|
|
|
Поскольку КР спектроскопия требует, чтобы изменение поляризуемости было функцией нормальных координат, одно из ее ограничений состоит в том, что она не может измерять прямые дипольные переходы. Из-за этого КР спектроскопия иногда используется вместе с другими методами, чтобы полностью измерить колебательные и вращательные состояния молекулы. Например, в молекуле CO2 из трех колебательных состояний, изображенных на рисунке сверху, только ν1 (симметричное растяжение) является комбинационным. Два других колебательных состояния (изгиб и асимметричное растяжение) инфракрасно активны [2]; таким образом, комбинационная и инфракрасная спектроскопия позволяют производить дополняющие друг друга измерения. |
Комбинационное рассеяние представляет собой двухфотонный процесс, в котором падающий фотон (hνi) поглощается молекулой, и молекула возбуждается до «виртуального» уровня (не обязательно стационарного собственного состояния). После перехода на этот виртуальный уровень молекула распадется до возбужденного состояния и испустит «рассеянный» фотон (hνs). Как правило, молекула начинается в основном состоянии, и, таким образом, энергия рассеянного фотона меньше энергии падающего фотона. Разность энергий связана с колебательной, вращательной или электронной энергией молекулы [2]. Излучение рассеянного фотона, обладающего меньшей энергией, чем падающий фотон, называется стоксовым излучением, тогда как излучение рассеянного фотона, обладающего большей энергией, чем падающий фотон, называется антистоксовым излучением. На рисунке сверху изображено стоксово-антистоксово излучение. Поскольку антистоксово излучение требует, чтобы молекула уже находилась в возбужденном состоянии перед рассеянием, пиковая интенсивность антистоксова сигнала ниже, чем пиковая интенсивность стоксова сигнала.
Графики сверху показывают типичные спектры комбинационного рассеяния для ацетона, полученные с помощью лазерного диода Thorlabs DJ532-40, по сравнению с опубликованными в литературе результатами. Для стандартной линейной рамановской спектроскопии информация о молекуле получается посредством нескольких измерений. Ширина линии рассеянного излучения может дать множество различной информации о системе. Например, в образце газа ширина линии может представлять собой доплеровскую ширину, уширение, связанное со столкновениями, естественную ширину линии и т. д. Поляризационный анализ спектра комбинационного рассеяния также дает дополнительную информацию об анизотропии и тензоре поляризуемости. Кроме того, информация о молекулярной ориентации или вибрационной симметрии может быть извлечена из поляризационного анализа. Наконец, интенсивность комбинационных линий связана с сечением рассеяния и плотностью заселенности молекул в исходном состоянии.
