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RTS2-L遠(yuǎn)程拉曼測(cè)試系統(tǒng)

可適用于30-200mm遠(yuǎn)距離的拉曼光譜測(cè)試以及樣品成像。

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產(chǎn)品概述

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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。

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	100-4000cm-1(不同激光可能不同)
探測(cè)距離	0-30mm@顯微拉曼系統(tǒng) 30-200mm@拉曼探頭
光譜儀	CT式320 mm 焦長(zhǎng)光譜儀透射式VPH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：6um
成像相機(jī)	2000萬(wàn)像素，焦面17.6×11.8 mm
機(jī)械控制	XYZ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

USAF1951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PCB電路板標(biāo)尺的顯微像；

綠色激發(fā)光聚焦到EMMC_BGA169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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