Раздел 3: Установка параметров лазерного излучения

Что лежит в основе условий лазерного облучения в рамановской спектроскопии? Какой спектр можно получить и какое изображение с оптического микроскопа будет получено, если образец сгорел? Правильно установив условия, вы можете сократить время измерения и получить четкое рамановское изображение и спектр.

Условия лазерного излучения

Условия определяются таким образом, чтобы спектр комбинационного рассеяния с высоким отношением сигнал/шум мог быть получен за короткое время измерения. Это условие особенно важно для получения комбинационного изображения, поскольку оно определяет время, необходимое для получения такого изображения. Ниже будет показано, как определить условия для длины волны лазера, мощности, времени экспонирования и чисел усреднения.

Длина волны
Длина волны лазерного излучения в основном должна быть короче. Это связано с тем, что чем короче длина волны, тем эффективнее комбинационное рассеяние. Однако, когда возникает флуоресценция и исчезает сигнал комбинационного рассеяния, тогда используется лазерный свет с большой длиной волны для избежания флуоресценции.

Мощность лазера
Мощность лазера должна быть максимально большой при которой не повреждается образец. Верхний предел мощности лазера зависит от образца.
Прозрачные и белые образцы, которые не поглощают свет, имеют верхний предел, а черные образцы имеют нижний верхний предел. Постепенно увеличивая мощность лазерного излучения, можно отрегулировать до соответствующей мощности, не повреждая образец.

Время экспонирования
Определите время экспонирования, чтобы получить достаточную интенсивность комбинационного рассеяния.

Усреднение количества измерения
Когда уровень сигнала низкий, эффективно уменьшать шум с увеличением количества измерения спектра с одной и той же области или точки. Если присутсвует флуоресценция и время экспозиции не может быть увеличено, отношение сигнал/шум может быть увеличено без насыщения сигнала.

Стандарт мощности лазера в зависимости от типа образца

Ниже показана значение мощности в зависимости от типа образца. Сначала проведите измерения с малой мощностью и постепенно увеличивайте мощность лазера, если не удается получить достаточное соотношение сигнал/шум. Если вы используете мощность лазера, превышающую стандартную, лучше предварительно проанализировать образец на краю, потому что образец будет гореть.

Образцы	Точечное освещение	Освещение по линии
Углеродные материалы, которые могут гореть (технический углерод, УНТ и т.д.)	от 1 до несколько мВт	0,02 ~ 0,1 мВт / пиксель
Стабильные углеродные материалы, такие как графен	несколько мВт	от 1 ~ до несколько мВт / пиксель
Органические вещества в основном, такие как синтетическая смола	десятки мВт	от 1 ~ до несколько мВт / пиксель
Неорганические материалы	несколько десятков мВт	несколько мВт / пиксель

Изменения спектра

Давайте посмотрим на изменение отношения сигнал/шум для каждого условия облучения для эталонного образца.

Длина волны возбуждения
На рисунке ниже показан спектр комбинационного рассеяния при использовании лазеров с длинами волн возбуждения 532 нм и 785 нм. При возбуждении 785 нм спектр имеет слабое отношение сигнал/шум для слабых пиков. С другой стороны, в случае возбуждения с длиной волны 532 нм достигается достаточное отношение сигнал/шум для всех пиков. Если возможно, длина волны лазерного излучения должна быть короткой.

Мощность лазера
На следующем рисунке показан спектр комбинационного рассеяния при изменении мощности облучения на 1,4 мВт, 14 мВт и 140 мВт. При 1,4 мВт спектр имеет плохое отношение сигнал/шум, но при 14 мВт, который имеет высокую мощность одного облучения, получается достаточное отношение сигнал/шум. Также при 140 мВт получается достаточное отношение сигнал/шум слабого комбинационного пика.

Время экспозиции
На следующем рисунке показан спектр комбинационного рассеяния при изменении времени экспозиции на 0,1 с, 1,0 с и 10,0 с. Через 0,1 с спектр имеет низкое отношение сигнал/шум, но при более длительном времени воздействия 1,0 с было получено достаточное отношение сигнал/шум для интенсивного рамановского пика. При времени воздействия 10,0 секунд отношение сигнал/шум слабого рамановского пика также может быть измерено.

Время экспозиции
На рисунке ниже показан спектр комбинационного рассеяния, когда число усреднений изменяется в 1, 10 и 100 раз. Спектр с плохим отношением сигнал/шум в одном измерении. При увеличении количества измерений в 10 и 100 раз отношение сигнал/шум улучшается.

По сравнению со случаем, когда вышеупомянутое время экспозиции изменяется, случай усреднения в 10 раз с 0,1 сек времени экспозиции (0,1 сек ? 10 раз = 1,0 сек) и случай измерения один раз со временем экспозиции 1,0 сек (1,0 сек ? 1) В обеих случаях общее время измерения составляет 1,0 сек, но в последнем случае отношение сигнал/шум несколько лучше. В общем, если вы хотите обнаружить слабые пики комбинационного рассеяния, измеряйте с более длительным временем воздействия, чем при увеличении количества средних значений.

 

Важно: Как не сжечь образец?

Типичное изменение в спектре из-за обугливания
Что происходит со спектром, если образец обугливается при лазерном облучении? Если вы сожжете его полностью, сигнал исчезнет, и вы почувствуете, как будто вы измеряли образец, который излучает сильную флуоресценцию. В случае органического вещества можно наблюдать широкие D- и G-полосы, типичные для углеродных материалов (D-полоса: 1350 см ^-1, G-полоса: 1590 см^-1). Другими словами, спектр выглядит как спектр плохо охарактеризованного углеродного материала. В это время другие пики комбинационного рассеяния часто невидимы. Кроме того, может быть трудно определить, является ли образец углеродным материалом или сгоревшим для образцов, которые содержат углеродный материал. В этом случае измените мощность, другое мест, измерьте спектр, сравните и оцените.

Пример измерения спектра и изображения светового микроскопа при обугливании
В качестве примера, приводятся изменения спектра и изображения оптического микроскопа для электрода аккумуляторной батареи. Ниже показано сравнение рамановских спектров и изображений оптического микроскопа до и после прожигания. Спектр комбинационного рассеяния имеет широкий пик при 500 см^-1 из-за горения материала. Положение пика 900 см^-1 слегка смещено в сторону низкого волнового числа. Считается, что изменение кристаллического состояния материала оказывает вышеуказанное влияние на спектр комбинационного рассеяния. В том месте, где было облучение лазером, на оптическом микроскопическом изображении имеется сгоревшая метка.

Даже в приведенном примере, чтобы за короткое время получить спектр комбинационного рассеяния, имеющий высокое отношение сигнал/шум, необходимо установить мощность излучения лазерного излучения как можно более высокой, не повреждая образец. На самом деле, даже если нет никаких повреждений при настройке параметров измерения, температура образца может повыситься во время получения изображения и может произойти повреждение, поэтому нужно быть осторожным.