普通拉曼光谱无损检测系统

5.2.1　普通拉曼光谱无损检测系统

1.光源

普通拉曼光谱无损检测系统的光源采用激光器。它能提供单色性好、功率大并且能多波长工作的入射光。激光波长精度高、线宽窄，对常规的拉曼光谱实验，常见激光器基本上可以满足实验的需要。在某些拉曼光谱实验中要求入射光的强度稳定，这就要求激光器的输出功率稳定。如必达泰克公司拉曼光谱采用的是BRM Series窄线宽稳频拉曼激光光源（见图5－3）。BRM系列激光器是窄光谱线宽（＜0.3nm）、高功率激光器，它是特别为拉曼光谱的应用而开发的。BRM系列激光器采用了新型外腔激光器技术，具有集成激光驱动，热电制冷，TEC控制和高效率光纤耦合的简洁便携式设计的优点，能适合于多种工业应用。激光器由DC 5V输入驱动，功耗低。它也能提供TTL调制接口，能接收100kHz的输入调制控制。

图5－3　BRM系列激光器

2.外光路系统

外光路部分包括聚光、集光、滤光、样品架等部件。

（1）聚光：用一块或两块焦距合适的会聚透镜，使样品处于会聚激光束的腰部，以提高样品光的辐照功率，可使样品在单位面积上辐照功率比不用透镜会聚前增强10⁵倍。

（2）集光：常用透镜组作散射光的收集镜。通常是由相对孔径值在1∶1左右的透镜组成。

（3）滤光：安置滤光部件的主要目的是为了抑制杂散光以提高拉曼散射的信噪比。在样品前面，典型的滤光部件是前置单色器或干涉滤光片，它们可以滤去光源中非激光频率的大部分光能。小孔光栅对滤去激光器产生的等离子线有很好的作用。在样品后面，用合适的干涉滤光片或吸收盒可以滤去不需要的瑞利线的一大部分能量，提高拉曼散射的相对强度。

在无损检测中，通常把聚光、集光、滤光等几个功能组合在一个光学探头内。如图5－4所示为Avantes公司的拉曼探头。

如图5－5所示为Avantes公司拉曼探头的内部结构。在图5－5中，拉曼探头主要包括不锈钢套筒、透镜、长波通滤波片组、反射镜、聚光透镜、二色滤波片、带通滤波片、激光入射光纤、光谱出射光纤等。工作时，激光从光纤10通过透镜9、带通滤波片8、二色滤波片7到达测量样品5。激发的光通过聚光透镜6到达二色滤波片7反射到镜面4，经过长波通滤波片组3、透镜2汇聚到光谱出射光纤11，然后导入拉曼光谱仪。

图5－4　Avantes公司的拉曼探头

图5－5　拉曼探头结构

1—不锈钢套筒；2—透镜；3—长波通滤波片组；4—反射镜；5—测量样品点；

6—聚光透镜；7—二色滤波片；8—带通滤波片；9—透镜；10，11—光纤

（4）样品架：样品架的设计要保证使照明最有效和杂散光最少，尤其要避免入射激光进入光谱仪的入射狭缝。图5－6所示为Avantes公司商品化的样品架。

图5－6　Avantes公司商品化的样品架

色散系统使拉曼散射光按波长在空间分开，通常使用高精度致冷型光谱仪，包含有CCD接收系统。由于拉曼散射强度很弱，因而要求拉曼光谱仪有很好的杂散光抑制水平。因为各种光学部件的缺陷，尤其是光栅的缺陷，是仪器杂散光的主要来源。在基本保证合乎任务要求的情况下，构建无损检测系统可以选用低成本、高精度致冷型光谱仪，如Avantes公司的光谱仪、必达泰克公司的光谱仪。图5－7所示为Avantes公司的AvaSpec－2048TEC光谱仪。

图5－7　Avantes公司的AvaSpec－2048TEC光谱仪

Avantes公司的光谱仪是一个特殊型号的AvaSpec－2048光纤光谱仪，光谱仪中的Sony 2048CCD探测器被置于一个一阶珀耳帖式热电致冷器上，可以使CCD的温度降低25～30℃，因此可以使动态范围至少提高10倍，并且可以使暗噪声减小2～3倍。做荧光和拉曼光谱仪探测时需要把积分时间设置到超过5s。AvaSpec－2048TEC可配置成单通道或双通道，可安装在桌上型机箱中。AvaSpec－2048TEC目前也适用于USB2平台的光谱仪，同时还安装有温度调节器。表5－1是AvaSpec－2048TEC光谱仪的主要参数。

表5－1　AvaSpec－2048TEC光谱仪的主要参数

续表

对于组建拉曼光谱无损检测系统，必达泰克公司提供了两款型号。BTC112E系列光纤耦合热电致冷CCD阵列光谱仪、BTC661E系列光纤耦合热电致冷CCD阵列光谱仪（见图5－8）。这两款均是低成本高性能的热电致冷控温CCD光谱仪，它们配备了热电致冷（TEC）线性CCD阵列，能够提供更高的动态范围，极大地降低了暗噪声，可支持532nm或785nm激光激发，用户也可以根据实际要求选择合适的光谱范围或者分辨率，其主要参数如表5－2所示。配合B＆W Tek的激光器、光纤拉曼探头和其他附件，用户可以搭建一套完整的高性能拉曼光谱仪系统。随机赠送BWSpec^TM数据采集软件，该软件不仅能够进行拉曼光谱采集等操作功能，而且还可以和GRAMS/AI^?和LabView?软件进行数据对接。

图5－8　必达泰克公司提供的两款型号拉曼光谱仪（BTC112E、BTC661E）

表5－2　必达泰克公司提供的两款型号拉曼光谱仪（BTC112E、BTC661E）主要参数

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为了提取拉曼散射信息，通常光谱仪制造商会提供相应的采集软件。以Avantes公司的AvaRaman光谱仪为例，所有的AvaRaman光谱仪都包括AvaSoft－Raman专业软件，其最大积分时间为60s。AvaRaman光谱仪系统除了标准785nm半导体激光器，还可以选择514nm氩离子激光器、50mW或100mW固体激光器（532nm），或633nm He－Ne激光器等。采集的图谱如图5－9所示。

如上所述，我们可以很容易地组建一套普通拉曼光谱无损检测系统。笔者课题组选用Avantes公司的AvaSpec－2048TEC光谱仪、必达泰克公司的BRM Series窄线宽稳频拉曼激光光源以及拉曼探头组建了一套系统（见图5－10）。

图5－9　AvaRaman拉曼光谱仪的信息处理与显示软件

图5－10　普通拉曼光谱无损检测系统