近紅外空間外差拉曼光譜儀研究

范博昭，馮玉濤，王荃，高馳，吳陽(yáng)，韓斌，暢晨光，李娟，李奕儒，趙珩翔，傅頔

（1 中國(guó)科學(xué)院西安光學(xué)精密機(jī)械研究所，西安 710119）

（2 中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049）

0 引言

拉曼散射是一種非彈性散射光效應(yīng)，其散射光頻率與入射光頻率不同，由印度物理學(xué)家RAMAN C V于1928 年率先發(fā)現(xiàn)［1］。拉曼散射光包含了物質(zhì)分子的轉(zhuǎn)動(dòng)、振動(dòng)等信息，對(duì)獲得的拉曼光譜進(jìn)行分析能推斷出所含分子的結(jié)構(gòu)信息與組成成分，通過(guò)拉曼特征峰強(qiáng)度或特征峰面積的計(jì)算亦可以對(duì)樣品進(jìn)行定量分析，因此拉曼光譜也被稱為分子識(shí)別的“指紋光譜”［2］。拉曼光譜技術(shù)具有光譜峰清晰尖銳、簡(jiǎn)單快速、無(wú)損分析等特點(diǎn)，在生物醫(yī)學(xué)［3-4］、食品安全［5-6］、化學(xué)爆炸物鑒別［7-8］、地質(zhì)勘探［9］、行星探測(cè)［10-11］等方面有廣泛應(yīng)用。

現(xiàn)有的拉曼光譜儀多為光柵色散型拉曼光譜儀，結(jié)構(gòu)緊湊、無(wú)運(yùn)動(dòng)部件，有較好的穩(wěn)定性和環(huán)境適應(yīng)能力。光譜儀入口處的狹縫限制了進(jìn)入儀器的光通量，在實(shí)現(xiàn)高光譜分辨率測(cè)量時(shí)無(wú)法獲得高探測(cè)靈敏度。傅里葉變換型拉曼光譜儀雖然沒(méi)有狹縫的限制，可以在高光通量的情況下實(shí)現(xiàn)高光譜分辨率的拉曼光譜測(cè)量，但是其中的運(yùn)動(dòng)部件在每次測(cè)量時(shí)都需要移動(dòng)，不可避免地降低了系統(tǒng)的探測(cè)效率和穩(wěn)定性。此外，高光譜分辨率的要求會(huì)增加系統(tǒng)的體積，限制了其應(yīng)用場(chǎng)景。

空間外差光譜技術(shù)是20 世紀(jì)90 年代以來(lái)迅速發(fā)展起來(lái)的一種傅里葉變換光譜技術(shù)［12］，空間外差拉曼光譜儀相比較傳統(tǒng)的拉曼光譜儀，其入射端口沒(méi)有狹縫且光路中無(wú)運(yùn)動(dòng)部件，具有高穩(wěn)定性、高光通量、高光譜分辨率、高靈敏度等拉曼光譜測(cè)量?jī)?yōu)勢(shì)，但是系統(tǒng)的光譜分辨率與探測(cè)的拉曼位移范圍之間存在著相互制約的關(guān)系，無(wú)法同時(shí)實(shí)現(xiàn)高光譜分辨率與寬譜段范圍的拉曼光譜測(cè)量。2011 年美國(guó)南卡羅萊納大學(xué)的GOMER N R 等首次提出將空間外差光譜技術(shù)應(yīng)用于拉曼光譜探測(cè)領(lǐng)域，使用波長(zhǎng)為532 nm 的激發(fā)光源，獲得了環(huán)己烷、石英等樣品的清晰拉曼光譜，驗(yàn)證了空間外差光譜技術(shù)用于拉曼光譜探測(cè)的可行性［13］。2015 年，同一研究團(tuán)隊(duì)的LAMSAL N 與ANGLE S M 等利用空間外差拉曼光譜系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了244 nm 與266 nm深紫外波段激發(fā)下的拉曼光譜測(cè)量，實(shí)際光譜分辨率約為4.2 cm-1［14］；同年，英國(guó)IS 儀器公司的FOSTER M等使用空間外差拉曼光譜儀實(shí)現(xiàn)了煤氣管道中殘留液體成分的遠(yuǎn)程探測(cè)，所用的激發(fā)光源波長(zhǎng)為785 nm，這是該技術(shù)在實(shí)驗(yàn)室外條件下的第一次應(yīng)用［15］。2016 年，中科院安徽光機(jī)所的胡廣驍?shù)葘?duì)遠(yuǎn)程探測(cè)空間外差拉曼光譜技術(shù)展開(kāi)了實(shí)驗(yàn)研究，使用波長(zhǎng)為532 nm 的激發(fā)光源，其光譜分辨率優(yōu)于4.68 cm-1，對(duì)于環(huán)己烷、硝酸銨等典型樣品，拉曼測(cè)試結(jié)果滿足拉曼光譜探測(cè)和化學(xué)定量分析的要求［16］。2018 年，中科院長(zhǎng)春光機(jī)所的劉建利等提出利用多光柵模塊代替?zhèn)鹘y(tǒng)空間外差光譜儀中的單塊光柵，在不降低光譜分辨率的同時(shí)擴(kuò)寬探測(cè)的光譜范圍，進(jìn)一步擴(kuò)展了空間外差拉曼光譜儀的應(yīng)用范圍，使用波長(zhǎng)為532 nm 的激發(fā)光源，實(shí)際光譜分辨率為5.6 cm-1、可探測(cè)的拉曼位移范圍為-1 500～4 000 cm-1［17］。

在空間外差拉曼光譜技術(shù)的發(fā)展過(guò)程中，使用的激發(fā)光源波段包含了紫外波段、可見(jiàn)光波段和近紅外波段，但多數(shù)為可見(jiàn)光與近紅外波段，這是由于熒光是拉曼光譜儀中不可避免的背景信號(hào)，且熒光強(qiáng)度與拉曼散射光強(qiáng)度均與波長(zhǎng)的四次方近似成反比關(guān)系。紫外波段的波長(zhǎng)較短，其激發(fā)的拉曼散射光強(qiáng)度較強(qiáng)，而且在波長(zhǎng)小于266 nm 深紫外波段幾乎無(wú)熒光干擾［18］，非常適合作為拉曼光譜儀的激發(fā)光源，但紫外波段相關(guān)器件的成本過(guò)高限制了其進(jìn)一步的發(fā)展。近紅外波段相比較可見(jiàn)光波段，其拉曼散射截面較小、拉曼散射效率較低，為了獲得同樣的拉曼散射光強(qiáng)度，需要比可見(jiàn)光波段測(cè)量時(shí)更大的激發(fā)光源功率，但其波長(zhǎng)更長(zhǎng)、帶來(lái)的熒光干擾更小，在對(duì)強(qiáng)熒光背景的樣品測(cè)量時(shí)有一定的優(yōu)勢(shì)［19-20］。近紅外波段的激發(fā)光源波長(zhǎng)多為785 nm、830 nm 和1 064 nm，其中785 nm 的波長(zhǎng)較短，熒光強(qiáng)度約為830 nm 激發(fā)光源強(qiáng)度的1.25 倍，會(huì)產(chǎn)生較強(qiáng)的熒光背景，難以進(jìn)行高靈敏度的拉曼光譜探測(cè)，雖然1 064 nm 激發(fā)光源產(chǎn)生的熒光背景較弱，約為830 nm 激發(fā)光源強(qiáng)度的0.37 倍，但對(duì)液態(tài)物質(zhì)測(cè)量時(shí)會(huì)有很強(qiáng)的吸收現(xiàn)象，需要較大的激發(fā)光源功率或者更長(zhǎng)的積分時(shí)間獲得清晰的拉曼光譜。同時(shí)1 064 nm 作為激發(fā)光源時(shí)，需要使用近紅外銦鎵砷焦平面，與可見(jiàn)光探測(cè)器相比其噪聲大、靈敏度和分辨率低。較強(qiáng)的熒光背景會(huì)將拉曼散射光信號(hào)覆蓋，難以進(jìn)行有效的拉曼光譜探測(cè)，因此選擇830 nm 作為拉曼光譜儀的激發(fā)光源，熒光背景干擾更小，而且可以使用可見(jiàn)光探測(cè)器進(jìn)行探測(cè)，獲得高質(zhì)量的拉曼光譜。

本文在上述研究的基礎(chǔ)上進(jìn)一步研究空間外差拉曼光譜技術(shù)，使用波長(zhǎng)為830 nm 的激發(fā)光源，完成空間外差拉曼光譜儀全系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與樣機(jī)研制，通過(guò)仿真與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)的正確性；對(duì)固態(tài)粉末狀、液態(tài)以及強(qiáng)拉曼活性、弱拉曼活性的樣品進(jìn)行拉曼光譜測(cè)量實(shí)驗(yàn)，得到了熒光背景小、光譜峰清晰的拉曼光譜圖。

1 系統(tǒng)組成與基本工作原理

空間外差拉曼光譜儀是一種空間外差干涉技術(shù)和拉曼光譜技術(shù)相結(jié)合的光譜探測(cè)手段，圖1 為空間外差拉曼光譜儀的系統(tǒng)示意圖，主要包括激發(fā)光源、拉曼探頭、光纖、前置準(zhǔn)直鏡、空間外差干涉儀、條紋成像鏡與探測(cè)器。激光器發(fā)出的光經(jīng)過(guò)拉曼探頭聚焦在樣品表面，樣品受激發(fā)出的拉曼散射光再次經(jīng)過(guò)探頭收集，并通過(guò)光纖耦合到空間外差拉曼光譜儀中，前置準(zhǔn)直鏡將拉曼散射光準(zhǔn)直，利用帶通濾光片僅使目標(biāo)光譜信息進(jìn)入到干涉儀中，分束棱鏡將入射光分為強(qiáng)度相同的兩束相干光，經(jīng)過(guò)兩臂光柵衍射后在干涉儀定域面處形成干涉條紋，通過(guò)條紋成像鏡將目標(biāo)光譜信號(hào)的干涉條紋成像到探測(cè)器上，最后對(duì)集到的干涉條紋進(jìn)行傅里葉變換即可得到入射光的拉曼光譜信息。

圖1 空間外差拉曼光譜儀系統(tǒng)示意圖Fig.1 System diagram of spatial heterodyne Raman spectroscopy

空間外差拉曼光譜儀的干涉條紋在探測(cè)器x方向的理論表達(dá)式為［21］

式中，B(σ)為拉曼散射光譜信號(hào)，σ為任意波數(shù)，σL為L(zhǎng)ittrow 波數(shù)，θL為L(zhǎng)ittrow 角。對(duì)式（1）進(jìn)行傅里葉變換可以得到復(fù)原的拉曼光譜圖。σ波數(shù)產(chǎn)生的條紋空間頻率f為

由式（2）可知，Littrow 波數(shù)兩側(cè)波數(shù)差相同的兩條譜線σ1和σ2產(chǎn)生的干涉條紋頻率相同，在光譜反演時(shí)會(huì)造成光譜混疊的現(xiàn)象，因此使用帶通濾光片僅使Littrow 波數(shù)一端的光譜信號(hào)通過(guò)來(lái)避免這種現(xiàn)象的發(fā)生。

由于探測(cè)器奈奎斯特采樣定律的限制，一個(gè)完整的干涉條紋周期至少需要兩個(gè)像元采集，因此干涉條紋頻率的最大值fmax為

式中，N為探測(cè)器像元數(shù)量，Wdetector為探測(cè)器的寬度。由此可以推出光譜儀的光譜范圍Δσ為

光譜范圍Δσ、探測(cè)器像元數(shù)N、光譜采樣間隔δσ之間的關(guān)系滿足Δσ=N·δσ2，因此光譜儀的光譜采樣間隔δσ為

光譜儀的光譜分辨本領(lǐng)R可以表示為

空間外差干涉儀的視場(chǎng)角Ω與光譜分辨本領(lǐng)R呈相互制約的關(guān)系，即

在式（7）表示的極限視場(chǎng)角容限情況下，軸上與軸外光線的干涉圖相差半個(gè)條紋周期，且相位之差為π。

2 光譜儀設(shè)計(jì)仿真與研制測(cè)試

2.1 光譜儀參數(shù)分析與仿真

選擇830 nm 作為拉曼光譜探測(cè)的激發(fā)光源波長(zhǎng)，設(shè)計(jì)了高靈敏度、高通量的空間外差拉曼光譜儀，其中激光器功率0～500 mW 可調(diào)。根據(jù)空間外差拉曼光譜儀的系統(tǒng)原理分析，選擇系統(tǒng)Littrow 波長(zhǎng)為842 nm，光柵刻線密度為150 lp/mm，探測(cè)器選用像元數(shù)為2 048×2 048、像元尺寸為6.5 μm×6.5 μm 的sCMOS 探測(cè)器，此時(shí)系統(tǒng)的波數(shù)光譜采樣間隔為2.96 cm-1，波長(zhǎng)光譜采樣間隔為0.21 nm@842 nm。在拉曼光譜中有絕對(duì)波數(shù)和相對(duì)波數(shù)的概念：拉曼散射光的波長(zhǎng)取決于激發(fā)光源波長(zhǎng)，即拉曼光譜的絕對(duì)波數(shù)隨著激發(fā)光源波數(shù)的改變而改變；相對(duì)波數(shù)為激發(fā)光源的波數(shù)減去拉曼散射光的絕對(duì)波數(shù)，拉曼光譜中通常表示的是相對(duì)波數(shù)，也被稱為拉曼位移，并且對(duì)于同一種測(cè)試樣品，使用不同波長(zhǎng)的激發(fā)光源所獲得各個(gè)拉曼光譜峰的拉曼位移相同。

根據(jù)光譜采樣間隔計(jì)算系統(tǒng)光譜分辨本領(lǐng)R=4 006@842 nm，且在理想干涉圖對(duì)比度大于0.8 時(shí)，空間外差干涉儀的視場(chǎng)角容限僅為±0.2°，進(jìn)入干涉儀的光通量受到了限制，所以需要加入視場(chǎng)展寬棱鏡提高干涉儀的視場(chǎng)角容限。視場(chǎng)展寬棱鏡的計(jì)算方法參考文獻(xiàn)［22］。視場(chǎng)展寬棱鏡的加入使得在理想干涉圖對(duì)比度大于0.8 時(shí)，干涉儀的視場(chǎng)角容限提升為±6.9°，增加了進(jìn)入干涉儀的光通量，提高了系統(tǒng)的靈敏度。干涉儀中的分束棱鏡、視場(chǎng)展寬棱鏡以及棱鏡之間的間隔元件材料均采用石英，整個(gè)干涉儀通過(guò)膠合工藝粘接為一個(gè)實(shí)體，并且石英材料的溫度穩(wěn)定性、環(huán)境適應(yīng)性較好，在光譜儀工作時(shí)可以使系統(tǒng)保持在一個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)。

系統(tǒng)的前置準(zhǔn)直鏡將光纖的出射光準(zhǔn)直后以平行光入射進(jìn)干涉儀，其物方數(shù)值孔徑與光纖數(shù)值孔徑相匹配為0.22。光纖出射端的高度與前置準(zhǔn)直鏡的出射視場(chǎng)角成正比，因此拉曼探頭的光纖選用多芯光纖，不僅可以增加收集拉曼散射光的能力，也能通過(guò)增加光纖出射端大小來(lái)滿足干涉儀視場(chǎng)角容限的大小。選擇帶通濾光片使僅大于Littrow 波長(zhǎng)842 nm 的光通過(guò)，避免光譜混疊現(xiàn)象的發(fā)生?？紤]到光學(xué)系統(tǒng)在實(shí)際加工、裝調(diào)時(shí)帶來(lái)的誤差，為了保證實(shí)際工作時(shí)干涉圖的對(duì)比度，選擇干涉儀的視場(chǎng)角容限為±2°，此時(shí)理想干涉圖對(duì)比度優(yōu)于0.98。條紋成像鏡根據(jù)光柵有效寬度以及探測(cè)器面陣尺寸，選擇放大倍率為1 的雙遠(yuǎn)心鏡頭，保證像面的照度均勻，且系統(tǒng)結(jié)構(gòu)在光闌前后對(duì)稱，能有效地平衡像差，消除系統(tǒng)不對(duì)稱帶來(lái)的彗差、畸變［23］，進(jìn)一步增強(qiáng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，并降低加工成本。空間外差拉曼光譜儀的詳細(xì)系統(tǒng)參數(shù)如表1 所示。

表1 空間外差拉曼光譜儀系統(tǒng)參數(shù)Table 1 The system parameters of spatial heterodyne Raman spectroscopy

利用表1 中的參數(shù)進(jìn)行光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)優(yōu)化，完成全系統(tǒng)的仿真建模，最終全系統(tǒng)的光路結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。為了驗(yàn)證系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)的正確性以及空間外差拉曼光譜儀的光譜探測(cè)能力，模擬Kr 燈光源的入射，Kr 燈光源中的877.675 nm、892.869 nm（對(duì)應(yīng)的拉曼位移分別為654.454 cm-1、848.342 cm-1）兩條譜線在可探測(cè)的拉曼位移范圍內(nèi)，最終仿真模擬的Kr 燈干涉圖如圖3（a）所示。取干涉圖中間30 行進(jìn)行合并平均，并通過(guò)傅里葉變換得到復(fù)原的光譜曲線如圖3（b）所示，干涉圖仿真結(jié)果很好地將Kr 燈兩條譜線復(fù)原出來(lái)。根據(jù)兩條譜線的位置以及對(duì)應(yīng)的拉曼位移可以計(jì)算出仿真的光譜采樣間隔為2.89 cm-1，但與理論設(shè)計(jì)值相比較小，是由視場(chǎng)展寬棱鏡色散引起的。仿真結(jié)果表明系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真建模正確，并且該系統(tǒng)具有光譜探測(cè)的能力。

圖2 空間外差拉曼光譜儀仿真光學(xué)系統(tǒng)Fig.2 Simulation optical system of spatial heterodyne Raman spectroscopy

圖3 空間外差拉曼光譜儀的仿真結(jié)果Fig.3 Simulation results of spatial heterodyne Raman spectroscopy

2.2 光譜儀研制與測(cè)試結(jié)果

在空間外差拉曼光譜儀中，對(duì)于選定面陣尺寸的探測(cè)器，條紋成像鏡的放大率直接決定了系統(tǒng)的光譜分辨本領(lǐng)，放大率β與光譜分辨本領(lǐng)R的關(guān)系可以表示為

式中，Wgrating為光柵有效尺寸，G為光柵的刻線密度。根據(jù)式（8）可以知道條紋成像鏡的實(shí)際放大率與理論放大率的偏差對(duì)光譜儀性能有較大影響。鏡頭畸變也會(huì)導(dǎo)致放大率有變化，因此需要對(duì)加工裝配后的條紋成像鏡進(jìn)行放大率及畸變測(cè)試。圖4（a）為棋盤格靶標(biāo)示意圖，圖4（b）為條紋成像鏡的棋盤格靶標(biāo)實(shí)測(cè)圖。通過(guò)比較實(shí)測(cè)圖中棋盤格標(biāo)線長(zhǎng)度與實(shí)物棋盤格標(biāo)線長(zhǎng)度，得到各個(gè)標(biāo)線的放大率分別為1.002 4、1.00 1、1.003 2、1.000 8、1.001 4、1.002 6，這六條標(biāo)線放大率的平均值1.001 9 可以作為條紋成像鏡的實(shí)際放大率，僅比理論值相差0.19%，表明條紋成像鏡成像效果良好，放大率達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。同時(shí)鏡頭的相對(duì)畸變是實(shí)際放大率與理論放大率之差［23］，因此條紋成像鏡的相對(duì)畸變?yōu)?.19%，與理論值相比有微小增加，這是由于在測(cè)試過(guò)程中，條紋成像鏡的物距和像距與理論值有微少改變導(dǎo)致放大率的微小變化，但仍然滿足設(shè)計(jì)要求。

圖4 條紋成像鏡的放大率和畸變測(cè)試靶標(biāo)Fig.4 Magnification and distortion test target of fringe-imaging lens group

為了驗(yàn)證光譜儀系統(tǒng)的設(shè)計(jì)指標(biāo)，在上述工作的基礎(chǔ)上，完成了實(shí)體空間外差干涉儀的一體化膠粘，其尺寸為58.83 mm×58.83 mm×30 mm，如圖5（a）所示，并搭建了空間外差拉曼光譜儀實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，整機(jī)尺寸為327.7 mm×202.5 mm×121 mm，如圖5（b）所示。仍以Kr 燈作為系統(tǒng)的輸入光源，圖6（a）為Kr 燈平場(chǎng)校正后的干涉圖，圖6（b）為Kr 燈干涉圖中間30 行合并平均后的反演光譜曲線。由于實(shí)驗(yàn)樣機(jī)選用的探測(cè)器對(duì)波長(zhǎng)大于1 000 nm 的光無(wú)光譜響應(yīng)，因此可測(cè)量的實(shí)際拉曼位移范圍為171.01～2 048.19 cm-1。根據(jù)Kr 燈的反演光譜曲線，實(shí)測(cè)光譜采樣間隔為2.918 2 cm-1，與設(shè)計(jì)值相比較小，主要是由于視場(chǎng)展寬棱鏡色散帶來(lái)的；實(shí)際Littrow 波長(zhǎng)為841.95 nm，接近理論值，證明設(shè)計(jì)和仿真的正確性。

圖5 空間外差拉曼光譜儀實(shí)驗(yàn)樣機(jī)Fig.5 The experiment prototype of spatial heterodyne Raman spectroscopy

圖6 空間外差拉曼光譜儀的實(shí)際測(cè)試結(jié)果Fig.6 Actual test results of spatial heterodyne Raman spectroscopy

探測(cè)器采集的干涉圖是完整理想干涉圖的有限截?cái)?，因此?shí)際干涉圖是理想干涉圖與截?cái)嗪瘮?shù)的乘積，經(jīng)過(guò)傅里葉變換后為目標(biāo)光譜函數(shù)與儀器函數(shù)的卷積。由于儀器函數(shù)有很大的旁瓣起伏，需要進(jìn)行切趾來(lái)抑制旁瓣，提高光譜圖的信噪比，但切趾會(huì)造成目標(biāo)譜線展寬，不同的切趾函數(shù)帶來(lái)的譜線展寬效果不同，導(dǎo)致實(shí)際光譜分辨率也不相同。在本文中，矩形函數(shù)切趾帶來(lái)的譜線展寬約為理論光譜采樣間隔的1.207 倍，即3.572 7 cm-1，三角函數(shù)切趾帶來(lái)的譜線展寬約為理論光譜采樣間隔的1.772 倍，即5.241 5 cm-1。

在干涉圖傅里葉變換反演光譜圖之前，需要將干涉圖尾端補(bǔ)零，可以在不改變光譜分辨率的情況下使反演光譜圖更加平滑，相當(dāng)于在光譜維對(duì)光譜圖進(jìn)行線性插值。需要指出的是，拉曼光譜與分光光譜只是光譜波數(shù)的表示方式不同，其波數(shù)分辨率計(jì)算是相同的，即光譜峰的半高寬可作為拉曼光譜的分辨率。在Kr 燈的反演光譜過(guò)程中，使用矩形函數(shù)切趾時(shí)，光譜峰654.454 cm-1與848.342 cm-1的半高寬分別為3.4 cm-1、3.3 cm-1，兩者的平均值3.35 cm-1可以作為矩形函數(shù)切趾下的實(shí)際波數(shù)光譜分辨率，則實(shí)際波長(zhǎng)光譜分辨率為0.237 6 nm@842 nm；使用三角函數(shù)切趾時(shí)，光譜峰654.454 cm-1與848.342 cm-1的半高寬分別為5 cm-1、5.1 cm-1，兩者的平均值5.05 cm-1可以作為三角函數(shù)切趾下的實(shí)際波數(shù)光譜分辨率，則實(shí)際波長(zhǎng)光譜分辨率為0.358 2 nm@842 nm。在工程實(shí)踐中，應(yīng)對(duì)不同的探測(cè)目標(biāo)選擇合適的切趾函數(shù)，以獲得高質(zhì)量的拉曼光譜圖。

3 空間外差拉曼光譜儀的性能分析與探討

衡量拉曼光譜儀性能的一個(gè)重要參數(shù)是拉曼光譜的信噪比。在拉曼光譜探測(cè)中，空間外差拉曼光譜儀的信噪比與積分時(shí)間、拉曼散射光強(qiáng)度、探測(cè)器讀出噪聲與暗電流、背景信號(hào)等因素有密切關(guān)系，其理論信噪比計(jì)算公式為［12，24］式中，A為系統(tǒng)的有效面積，I為單位面積單位立體角內(nèi)的拉曼散射光強(qiáng)度且正比于激發(fā)光功率，t為積分時(shí)間，B為背景信號(hào)，σd為暗電流，σr為讀出噪聲。對(duì)于實(shí)測(cè)的拉曼光譜，其背景信號(hào)、拉曼散射光強(qiáng)度等數(shù)值難以實(shí)際測(cè)量，使用理論信噪比公式很難對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行分析，因此分析計(jì)算實(shí)測(cè)拉曼光譜的信噪比的公式表示為

式中，Speak為拉曼光譜去除基線后的峰值強(qiáng)度，σnoise為不包含拉曼光譜峰區(qū)域去除基線后的標(biāo)準(zhǔn)差。

圖7（a）是標(biāo)準(zhǔn)拉曼樣品環(huán)己烷的實(shí)測(cè)干涉圖，測(cè)量時(shí)激光功率為500 mW，積分時(shí)間為10 s。圖7（b）是對(duì)環(huán)己烷干涉圖每30 行進(jìn)行合并平均反演得到的拉曼光譜圖。拉曼光譜的測(cè)量方式為正向測(cè)量，通過(guò)與樣品的標(biāo)準(zhǔn)拉曼光譜對(duì)比來(lái)分析光譜儀樣機(jī)的拉曼光譜探測(cè)能力。環(huán)己烷具有較強(qiáng)的拉曼活性，主要的拉曼光譜峰378.2 cm-1、422 cm-1、795.5 cm-1、1 023 cm-1、1 154 cm-1、1 262 cm-1、1 341 cm-1、1 440 cm-1均可以清晰識(shí)別，其中795.5 cm-1主拉曼光譜峰信噪比可達(dá)913，最弱的1 341 cm-1拉曼光譜峰信噪比為15，可以驗(yàn)證空間外差拉曼光譜儀實(shí)驗(yàn)樣機(jī)具有良好的拉曼光譜測(cè)量能力，以及較高的靈敏度與信噪比。

圖7 環(huán)己烷的拉曼光譜測(cè)試結(jié)果Fig.7 Raman spectral test results of cyclohexane

圖8 為碳酸鈣（CaCO3）、硫酸鈣（CaSO4）、硫酸鉀（K2SO4）的實(shí)測(cè)拉曼光譜圖，測(cè)量時(shí)激光功率為500 mW，積分時(shí)間為10 s，測(cè)量方式為正向測(cè)量。這三種物質(zhì)均為固體粉末狀，都具有較強(qiáng)的拉曼活性。從實(shí)測(cè)拉曼光譜圖中可以看出，各種固體物質(zhì)的主要拉曼光譜峰均可以準(zhǔn)確識(shí)別，碳酸鈣的276.1 cm-1、1 081 cm-1兩個(gè)主拉曼光譜峰信噪比為445.05 和483.02，硫酸鈣的1 003 cm-1主拉曼光譜峰信噪比為373.54，硫酸鉀的979.3 cm-1主拉曼光譜峰信噪比為399.32，且硫酸鈣的614.6 cm-1、664.2 cm-1和硫酸鉀的1 102 cm-1、1 143 cm-1這四個(gè)較弱的拉曼光譜峰亦可以清晰識(shí)別，其信噪比分別為52.79、51.16、28.85、28.23。

圖8 碳酸鈣、硫酸鈣、硫酸鉀的拉曼光譜Fig.8 Raman spectrum of calcium carbonate，calcium sulfate，and potassium sulfate

圖9 為甘油（Glycerin）、葡萄糖（Glucose）、75%酒精溶液（75% Alcohol）的實(shí)測(cè)拉曼光譜圖，測(cè)量時(shí)激光功率為500 mW，積分時(shí)間為10 s，測(cè)量方式為正向測(cè)量。這三種物質(zhì)與圖8 中三種樣品的拉曼活性相比較弱，且甘油和酒精為液態(tài)。從圖9 中可以看出，這三種物質(zhì)的拉曼光譜有明顯的基線，說(shuō)明光譜中有一定的熒光背景信號(hào)，對(duì)液態(tài)樣品和弱拉曼活性物質(zhì)具有更強(qiáng)的干擾。在830 nm 的激發(fā)光源下，空間外差拉曼光譜儀對(duì)這種類型的樣品表現(xiàn)出較好的探測(cè)靈敏度，獲得了清晰準(zhǔn)確的拉曼光譜圖。甘油的486.2 cm-1、845.1 cm-1、1 052 cm-1三個(gè)主拉曼光譜峰信噪比分別為61.17、56.07、42.47；酒精中較弱的兩個(gè)1 274 cm-1與1 449 cm-1拉曼光譜峰也可以準(zhǔn)確識(shí)別，其信噪比分別為21.34、28.08，且877.2 cm-1處的主拉曼光譜峰信噪比為126.59；雖然葡萄糖的拉曼散射截面很小，激發(fā)的拉曼散射強(qiáng)度較弱，但也獲得了光譜峰明顯的拉曼光譜圖，其中401.5 cm-1、535.8 cm-1兩個(gè)強(qiáng)度較高的拉曼光譜峰信噪比為85.48、65.31，其他光譜峰信號(hào)較弱，但信噪比也均大于25，表明儀器有較好的靈敏度與穩(wěn)定性。

圖9 甘油、葡萄糖、75%酒精溶液的拉曼光譜Fig.9 Raman spectrum of glycerin，glucose，and 75% alcohol

4 結(jié)論

本文使用830 nm 的激發(fā)光源用于拉曼光譜探測(cè)，完成了空間外差拉曼光譜儀的光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)和仿真，研制光譜儀原理樣機(jī)并完成相關(guān)拉曼光譜探測(cè)實(shí)驗(yàn)，同時(shí)驗(yàn)證光譜儀的性能指標(biāo)，其有效光譜分辨率為3.35 cm-1（矩形函數(shù)切趾），探測(cè)的實(shí)際拉曼位移范圍為171.01～2 048.19 cm-1。對(duì)固體、液體以及強(qiáng)拉曼活性、弱拉曼活性等樣品開(kāi)展拉曼光譜探測(cè)實(shí)驗(yàn)，實(shí)測(cè)拉曼光譜基線小，熒光背景信號(hào)較弱，并且各種樣品的拉曼光譜峰均可以被準(zhǔn)確、清晰識(shí)別，表明空間外差拉曼光譜儀具有較高的探測(cè)靈敏度和較好的穩(wěn)定性，滿足拉曼光譜探測(cè)的分析要求。在光譜儀樣機(jī)設(shè)計(jì)和研制時(shí)，僅對(duì)不同激發(fā)波長(zhǎng)的熒光強(qiáng)度進(jìn)行了理論數(shù)據(jù)分析對(duì)比，缺少不同激發(fā)波長(zhǎng)熒光強(qiáng)度的實(shí)際數(shù)據(jù)量化對(duì)比，后續(xù)將搭建相關(guān)的空間外差拉曼光譜儀系統(tǒng)開(kāi)展進(jìn)一步的研究工作。但對(duì)多種樣品的拉曼光譜探測(cè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明研制的空間外差拉曼光譜儀樣機(jī)在高熒光背景類物質(zhì)拉曼光譜探測(cè)方面具有一定的優(yōu)勢(shì)，在生物醫(yī)學(xué)、生命標(biāo)志物搜尋等方面具有借鑒意義。