拉曼探頭由激發(fā)光纖和收集光纖構(gòu)成,激發(fā)光纖引導(dǎo)激光至目標(biāo)區(qū)域,再通過收集光纖將拉曼散射收集傳輸出來。拉曼探頭基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)簡單,但拉曼信號極其微弱,容易被各種雜散光如瑞利散射、熒光和非樣品拉曼信號等覆蓋,因此需要選擇合適的光纖并優(yōu)化拉曼探頭及配件設(shè)計,主要包括光纖選擇、探頭頂端設(shè)計、添加過濾膜/片和探頭后端優(yōu)化等。分為探頭外接、探頭后端和探頭前端。
探頭頂端設(shè)計關(guān)系到激光激發(fā)及拉曼散射收集的光路,對于激發(fā)和收集效果影響極大,頂端設(shè)計要求減少激光發(fā)散,同時保證收集光纖盡量收集來自激發(fā)區(qū)域的散射光。
在拉曼檢測中,拉曼探頭會產(chǎn)生幾種雜散信號,包括光纖拉曼信號、瑞利散射和熒光等。低OH鍵二氧化硅光纖是拉曼探頭的較好選擇,但仍需要在光纖遠(yuǎn)端添加帶通濾光膜/片來抑制雜散信號,帶通濾光膜/片的中心波長為激光波長。
瑞利散射與激光波長相同,且收集光纖的拉曼信號由激光反射與瑞利散射激發(fā),需要在收集光纖前端加帶阻濾光膜/片,且不能影響有效拉曼光的通過。等在收集路徑中加入光纖布拉格光柵(FBG)作為帶阻濾波器,有效減少了拉曼背景噪聲。等提出了濾光膜/片的選擇思路及加工等細(xì)節(jié)。由于拉曼位移與激光頻率無關(guān),且不同物質(zhì)產(chǎn)生熒光的范圍不同,可以選擇能避開樣本熒光帶的激發(fā)光,從而避免熒光干擾。
探頭的后端優(yōu)化主要是優(yōu)化收集光纖尾端與光譜儀的耦合,從而直接影響拉曼信號傳輸效率。等把收集光纖展開成拋物線弧狀再耦合到光譜儀,取代標(biāo)準(zhǔn)的直線排列。入射在光柵上的斜射線把狹縫的曲面圖像投射到電荷耦合器件(CCD)上,降低了信噪比(S/N)和系統(tǒng)的光譜分辨率。利用軟件和硬件將CCD像素合并可有限克服該影響,且拋物線弧的使用可將S/N提高到純軟件合并的20倍。拋物線頂端光纖(校準(zhǔn)光纖)不通光,其在CCD上是一個暗點(diǎn),可確定光纖豎列在CCD上的成像位置,測量圖像曲率,最后擬合確定收集光纖尾端排列的拋物線。