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產(chǎn)物概述
遠(yuǎn)程拉曼光譜技術(shù)
拉曼光譜技術(shù)是用于研究物質(zhì)結(jié)構(gòu)的分子光譜技術(shù)，通過(guò)散射光的頻移量來(lái)獲得分子振動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)情況，從而分析分子的結(jié)構(gòu)、對(duì)稱性、電子環(huán)境和分子結(jié)合情況，是定量和定性分析物質(zhì)結(jié)構(gòu)的一種強(qiáng)有力的技術(shù)手段。
近年發(fā)展的遠(yuǎn)程拉曼光譜探測(cè)技術(shù)，是根據(jù)拉曼散射效應(yīng)遠(yuǎn)距離探測(cè)物質(zhì)的技術(shù)，通過(guò)技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用的拓展，目前已在行星、礦物勘測(cè)、遠(yuǎn)程爆炸物探測(cè)、化學(xué)物質(zhì)泄漏和污染物測(cè)量等方面有很高的應(yīng)用價(jià)值。國(guó)際目前常用的程拉曼探測(cè)系由以下部分組成：激發(fā)光源、光路收集模塊、分光模塊、探測(cè)模塊、數(shù)據(jù)采集與分析模塊。
在激光器的選擇上，高脈沖能量激光器是主流激光器，常見(jiàn)的是可見(jiàn)光波段的激光器， 也有少量研究者采用紅外波段和紫外波段。
目標(biāo)樣品拉曼信號(hào)的收集是遠(yuǎn)程拉曼光譜探測(cè)的關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié)，大口徑望遠(yuǎn)鏡有助于接收較弱的遠(yuǎn)程拉曼回波信號(hào)，戶外遠(yuǎn)程探測(cè)時(shí)一般采用望遠(yuǎn)系統(tǒng)收集信號(hào)。常見(jiàn)技術(shù)有卡塞格林望遠(yuǎn)鏡和拉曼光纖探頭等。
在搭配探測(cè)器時(shí)，跟據(jù)激光器的選型可分為CCD 和帶有電子快門的ICCD，連續(xù)激光源搭配CCD 探測(cè)器能滿足較短距離探測(cè)需求。高脈沖能量激光器搭配ICCD 探測(cè)器，通過(guò)對(duì)門寬的設(shè)置可以較好地排除背景光和衰減時(shí)間長(zhǎng)的熒光干擾，具有很高的應(yīng)用前景。
遠(yuǎn)程拉曼光譜技術(shù)技術(shù)優(yōu)勢(shì)：
(1) 多種收集器可選，適應(yīng)30mm-1000m甚至更遠(yuǎn)距離的探測(cè)；
(2) 連續(xù)激光器/脈沖激光器可選
(3) 多種分光光譜儀可選，光柵光譜儀可實(shí)現(xiàn)高分辨率，VPH光譜儀實(shí)現(xiàn)高通光量
(4) 多種探測(cè)器可選，背照式深耗盡型光譜CCD相機(jī)和ICCD可選
(5) 兼顧成像測(cè)試，可實(shí)現(xiàn)腔內(nèi)樣品準(zhǔn)確定位
主要參數(shù)一覽表：
激光波長(zhǎng) | 連續(xù)激光器：405, 514, 532, 633, 670, 671, 785, 808 nm（其他可選） 脈沖激光器：532nm，線寬< 0.005 cm-1，10Hz,290mJ |
拉曼頻移范圍 | 100-4000腸塵-1(不同激光可能不同) |
探測(cè)距離 | 0-30塵塵藹顯微拉曼系統(tǒng) 30-200塵塵藹拉曼探頭 |
光譜儀 | CT式320 mm 焦長(zhǎng)光譜儀 透射式癡筆貶光譜儀 |
光譜 | 科研級(jí)CCD探測(cè)器： 2000x256 像素，背照式深耗盡芯片，QE>90%，300-1100nm響應(yīng)，峰值效率95%，深度制冷到-60℃ 像增強(qiáng)型CCD探測(cè)器：1024*1024像素，2ns門控， 280 – 810nm響應(yīng)，增益大于200 |
光譜分辨率 | <1.5cm-1 @光柵光譜儀 < 5cm-1 @VPH光譜儀 |
遠(yuǎn)程拉曼探頭
激發(fā)波長(zhǎng) | 405, 514, 532, 633, 670, 671, 785, 808 nm.其他可選 |
光譜范圍 | 100-4000 cm-1 ( 不同激光器范圍不同 ) |
焦距 | 20 mm to 100 mm |
樣品端光斑大小 | ~100 um @ 100 um 芯徑激發(fā)光纖 |
工作距離 | 20 ~100 mm |
數(shù)值孔徑 | 0.22 @40 mm 焦距 |
探頭尺寸 | 2.25" L x 0.96" W x 0.58" H |
探頭材質(zhì) | 超硬氧化鋁或者 316 不銹鋼 |
探頭柄尺寸 | 1.125" 直徑 x 3.8" 長(zhǎng)度 |
探頭柄材質(zhì) | 316 不銹鋼 |
濾光片效率 | O.D >6 |
操作溫度 | 0-85 ? C |
最大操作壓力 | 15 psi |
光纖配置 | 100/100 um 標(biāo)準(zhǔn)配置，其他可選 |
接口類型 | FC 或者 SMA |
其他 | 可定制 |
遠(yuǎn)程成像探頭
適用波長(zhǎng) | 405nm-785nm |
工作距離 | ~200mm |
空間分辨 | 典型值：6恥塵 |
成像相機(jī) | 2000萬(wàn)像素，焦面17.6×11.8 mm |
機(jī)械控制 | 齒馳竄位移以及俯仰可調(diào)，適配不同腔體 |
激光器
激光器 | 脈沖激光器 | 光纖激光器 |
激發(fā)波長(zhǎng) | 532nm | 532nm |
脈沖能量 / 功率 | 290mJ | 100mW |
重復(fù)頻率 | 10Hz | CW |
線寬 | < 0.005 cm-1 | ＜ 0.00001nm |
光譜儀
類型 | C-T 式影像校正光譜儀 | VPH 光譜儀 |
焦距 | 320mm 焦距 | 85mm |
通光孔徑 | F/4.2 | F/1.8 |
光譜范圍 | 200-1100nm | 532-680nm |
光譜分辨率 | 優(yōu)于 2cm-1@1800 刻線光柵 | 5cm-1@1800 刻線光柵 |
探測(cè)器
類型 | ICCD | CCD |
有效像素 | 1024*1024 | 2000 x 256 |
像元尺寸 | 13um*13um | 15 x 15 µm |
有效探測(cè)面尺寸 (18mm MCP） | 13.3mm*13.3mm | |
最短光學(xué)門寬 | ＜ 2ns | 無(wú) |
讀出噪聲 | 5 e- | 4.5 e- |
門控 | 2ns | 無(wú) |
響應(yīng)范圍 | 280 – 810nm | 200-1100nm |
典型應(yīng)用
行星探測(cè)
中國(guó)科學(xué)院萬(wàn)雄老師設(shè)計(jì)了一款激光誘導(dǎo)擊穿光譜LIBS+ 拉曼系統(tǒng)在火星模擬環(huán)境下礦物樣品的綜合檢測(cè)能力，采用卡塞格林望遠(yuǎn)鏡結(jié)構(gòu)，遠(yuǎn)程脈沖拉曼光譜激發(fā)，成功檢測(cè)了8 種典型礦物質(zhì)（孔雀石、藍(lán)銅礦、雄黃、文石、方解石、硬石膏和石膏等），實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)可以在火星條件下有效分析礦物種類和成分。
材料生長(zhǎng)原位監(jiān)測(cè)
遠(yuǎn)程拉曼光譜技術(shù)可實(shí)現(xiàn)原位監(jiān)測(cè)材料生長(zhǎng)過(guò)程，如成分含量、結(jié)晶度、缺陷量、薄膜生長(zhǎng)速率等參數(shù)。M. Gnyba 等人設(shè)計(jì)遠(yuǎn)程拉曼光譜技術(shù)用于原位監(jiān)測(cè)CVD 制備金剛石膜生長(zhǎng)過(guò)程，探測(cè)距離最高達(dá)197mm， 文中采用的工作距離為20cm。
圖 單晶金剛石拉曼光譜
圖 金剛石薄膜拉曼光譜
遠(yuǎn)程拉曼光譜可用于材料生長(zhǎng)過(guò)程中層數(shù)、堆疊、缺陷密度和摻雜等參數(shù)。M. N. Groot等人[4]采用顯微遠(yuǎn)程拉曼系統(tǒng)分析液態(tài)金屬催化CVD制備大面積石墨烯材料的生長(zhǎng)過(guò)程，實(shí)現(xiàn)了從連續(xù)多晶薄膜生長(zhǎng)為毫米級(jí)無(wú)缺陷單晶。
圖 1370k 下405nm 激發(fā)的拉曼光譜圖
圖 冷卻至室溫后 514nm 激發(fā)下的拉曼光譜圖
實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)
真空腔內(nèi)樣品測(cè)試
GaN單晶工作距離80 mm（表觀放大倍數(shù)1:1） 積分時(shí)間：5 s
GaN/Au/Mica工作距離80 mm 積分時(shí)間：30 s
圖像分辨率測(cè)試
鮑廠礎(chǔ)貴1951分辨率板測(cè)試，左圖全圖，右圖為左圖紅圈中的放大圖像
該套光學(xué)配置的理論分辨率為0.005mm，通過(guò)THORLABS的USAF1951標(biāo)準(zhǔn)分辨率板測(cè) 試，如上圖中的右圖所示，能最小分辨的線對(duì)編號(hào)為右圖虛線框中的“6-3"，對(duì)照如下1951 USAF測(cè)試靶的表格：
其分辨率為80.6 lp/mm，對(duì)應(yīng)空間分辨率為1mm/(80.6*2)=0.006mm
通過(guò)芯徑100μm的多模光纖將波長(zhǎng)為520nm的綠色激光引入該套光學(xué)系統(tǒng)中，聚焦于PCB電路板，效果如下面兩張圖所示。其中圖3中的綠色激光光點(diǎn)聚焦到了PCB版的標(biāo)尺部分（位于13mm和14mm刻度線之間），每一小格為1mm，實(shí)測(cè)的光斑直徑約120μm。圖4中的綠色激光光點(diǎn)聚焦到了EMMC_BGA169封裝結(jié)構(gòu)的電極點(diǎn)陣的區(qū)域，其 中相鄰電極間距為0.5mm，一個(gè)電極盤的直徑約60μm。
綠色激發(fā)光聚焦到筆頒疊電路板標(biāo)尺的顯微像；
綠色激發(fā)光聚焦到貳慚慚頒沖疊騁礎(chǔ)169封裝的電極點(diǎn)陣的顯微照片
引用文獻(xiàn)：
[1] 趙家煒, 馬建樂(lè), 郝銳, 等. 遠(yuǎn)程增強(qiáng)拉曼光譜技術(shù)及其應(yīng)用[J]. 光散射學(xué)報(bào), 2021.
[2] 袁汝俊, 萬(wàn)雄, 王泓鵬. 基于遠(yuǎn)程 LIBS-Raman 光譜的火星礦物成分分析方法研究[J]. 光譜學(xué)與光譜分析, 2021, 41(4): 1265.
[3] Gnyba M, Kozanecki M, Wroczyński P, et al. Long-working-distance Raman system for monitoring of uPA ECR CVD process of thin diamond/DLC layers growth[J]. Photonics Letters of Poland, 2009, 1(2): 76-78.
[4] Jankowski M, Saedi M, La Porta F, et al. Real-time multiscale monitoring and tailoring of graphene growth on liquid copper[J]. ACS nano, 2021, 15(6): 9638-9648.
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