远程拉曼光谱技术
拉曼光谱技术是用于研究物质结构的分子光谱技术，通过散射光的频移量来获得分子振动、转动情况，从而分析分子的结构、对称性、电子环境和分子结合情况，是定量和定性分析物质结构的一种强有力的技术手段。
拉曼光谱分析方法
拉曼光谱的强度、频移、线宽、特征峰数目以及退偏度与分子的振动能态、转动能态、对称性等紧密相关。
拉曼光谱的优势
近年发展的远程拉曼光谱探测技术，是根据拉曼散射效应远距离探测物质的技术，通过技术的发展及应用的拓展，目前已在行星、矿物勘测、远程爆zha物探测、化学物质泄漏和污染物测量等方面有很高的应用价值。国际目前常用的程拉曼探测系由以下部分组成：激发光源、光路收集模块、分光模块、探测模块、数据采集与分析模块。
在激光器的选择上，高脉冲能量激光器是主流激光器，常见的是可见光波段的激光器， 也有少量研究者采用红外波段和紫外波段。
目标样品拉曼信号的收集是远程拉曼光谱探测的关键技术环节，大口径望远镜有助于接收较弱的远程拉曼回波信号，户外远程探测时一般采用望远系统收集信号。常见技术有卡塞格林望远镜和拉曼光纤探头等。
在搭配探测器时，跟据激光器的选型可分为CCD 和带有电子快门的ICCD，连续激光源搭配CCD 探测器能满足较短距离探测需求。高脉冲能量激光器搭配ICCD 探测器，通过对门宽的设置可以较好地排除背景光和衰减时间长的荧光干扰，具有很高的应用前景。
远程拉曼测试系统
方案配置与选型
根据不同的客户需求，卓立汉光可以提供不同距离拉曼测试系统
① 多种收集器可选，适应0mm-1000mm 甚至更远距离的探测
② 连续激光器/ 脉冲激光器可选
③ 多种分光光谱仪可选，光栅光谱仪可实现高分辨率，VPH 光谱仪实现高通光量
④ 多种探测器可选，背照式深耗尽型光谱CCD 相机和ICCD 可选
主要参数一览表：
拉曼探头
激发波长 | 405, 514, 532, 633, 670, 671, 785, 808 nm. 其他可选 |
光谱范围 | 100-4000 cm-1 ( 不同激光器范围不同 ) |
焦距 | 20 mm to 100 mm |
样品端光斑大小 | ~100 um @ 100 um 芯径激发光纤 |
工作距离 | 20 ~100 mm |
数值孔径 | 0.22 @40 mm 焦距 |
探头尺寸 | 2.25" L x 0.96" W x 0.58" H |
探头材质 | 超硬氧化铝或者 316 不锈钢 |
探头柄尺寸 | 1.125” 直径 x 3.8” 长度 |
探头柄材质 | 316 不锈钢 |
滤光片效率 | O.D >6 |
操作温度 | 0-85 ⁰ C |
最大操作压力 | 15 psi |
光纤配置 | 100/100 um 标准配置，其他可选 |
接口类型 | FC 或者 SMA |
其他 | 可定制 |
望远镜
激发波长 | 532nm,785nm，其他可定制 |
光谱范围 | 200-4000 cm-1 ( 不同激光器范围不同 ) |
焦距 | 1000mm 标配，其他可选 |
样品端光斑大小 | ~100 um @ 100 um 芯径激发光纤 |
激光器接口 | FC/APC |
光谱仪接口 | SMA |
激光器
激光器 | 脉冲激光器 | 光纤激光器 |
激发波长 | 532nm | 532nm |
脉冲能量 / 功率 | 290mJ | 100mW |
重复频率 | 10Hz | CW |
线宽 | < 0.005 cm-1 | ＜ 0.00001nm |
光谱仪
类型 | C-T 式影像 校正光谱仪 | VPH 光谱仪 |
焦距 | 320mm 焦距 | 85mm 焦距 |
通光孔径 | F/4.2 | F/1.8 |
光谱范围 | 200-1100nm | 532-680nm |
光谱分辨率 | 优于 2cm-1 @1800 刻线光栅 | 5cm-1 @1800 刻线光栅 |
探测器
类型 | ICCD | CCD |
有效像素 | 1024*1024 | 2000 x 256 |
像元尺寸 | 13um*13um | 15 x 15 µm |
有效探测面尺寸 (18mm MCP） | 13.3mm*13.3mm |
|
最短光学门宽 | ＜ 2ns | 无 |
读出噪声 | 5 e- | 4.5 e- |
门控 | 2ns | 无 |
响应范围 | 280 – 810nm | 200-1100nm |
典型应用
行星探测中国科学院万雄老师设计了一款激光诱导击穿光谱LIBS+ 拉曼系统在火星模拟环境下矿物样品的综合检测能力，采用卡塞格林望远镜结构，远程脉冲拉曼光谱激发，成功检测了8 种典型矿物质（孔雀石、蓝铜矿、雄黄、文石、方解石、硬石膏和石膏等），实验结果表明，该系统可以在火星条件下有效分析矿物种类和成分。
放射性核污染物检测
远程拉曼探测模块搭载在无人遥控车，搭配成空间外差拉曼光谱仪可以有效识别1m 处的放射性危险物品。
矿物勘探
远程拉曼光谱探测技术在矿物与有机质分析方面的独特能力，使得这一技术非常适用于行星表面探测等任务中。
材料生长原位监测
远程拉曼光谱技术可实现原位监测材料生长过程，如成分含量、结晶度、缺陷量、薄膜生长速率等参数。M. Gnyba 等人设计远程拉曼光谱技术用于原位监测CVD 制备金刚石膜生长过程，探测距离最高达197mm， 文中采用的工作距离为20cm。
图 单晶金刚石拉曼光谱
图 金刚石薄膜拉曼光谱
远程拉曼光谱可用于材料生长过程中层数、堆叠、缺陷密度和掺杂等参数。M. N. Groot 等人采用显微远程拉曼系统分析液态金属催化CVD 制备大面积石墨烯材料的生长过程，实现了从连续多晶薄膜生长为毫米级无缺陷单晶。
图 1370k 下405nm 激发的拉曼光谱图
图 冷却至室温后 514nm 激发下的拉曼光谱图
引用文献：
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[2] 袁汝俊, 万雄, 王泓鹏. 基于远程 LIBS-Raman 光谱的火星矿物成分分析方法研究[J]. 光谱学与光谱分析, 2021, 41(4): 1265.
[3] Foster M, Wharton M, Brooks W, et al. Remote sensing of chemical agents within nuclear facilities using Raman spectroscopy[J].
Journal of Raman spectroscopy, 2020, 51(12): 2543-2551.
[4] 胡广骁, 熊伟, 罗海燕, 等. 用于远程探测的空间外差拉曼光谱技术研究[J]. 光谱学与光谱分析, 2016, 36(12): 3951-3957.
[5] Sharma S K, Angel S M, Ghosh M, et al. Remote pulsed laser Raman spectroscopy system for mineral analysis on planetary surfacesto 66 meters[J]. Applied Spectroscopy, 2002, 56(6): 699-705.
[6] 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.
[7] 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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