高溫下的光譜密碼：北京卓立漢光拉曼技術破局物質微結構探秘

在極*溫條件下，物質的微結構與性質發生顯著變化，對科研與工業領域提出嚴峻挑戰。要深入了解其中物性與微結構的關系，需使用滿足高溫和原位條件下的光譜分析手段，拉曼光譜作為一種分子光譜其所揭示的物質分子層次的結構信息對于物理，化學，材料，生物等各個領域的研究有著重要的指導意義。

北京卓立漢光儀器有限公司推出的時間門控拉曼技術，突破傳統限制，成為高溫體系物質結構解析的首*工具。采用短波長激光與脈沖激光時間分辨技術，有效克服高溫背景熱輻射干擾，精準捕捉拉曼信號。無論是超高溫環境下的材料研究，還是遠程、熒光干擾下的復雜測試，時間門控拉曼均能展現卓*性能。RTS2脈沖拉曼系統，搭載高性能ICCD與特殊脈沖激光器，信噪比高，操作簡便，為高溫工藝、地學研究、材料制備等領域提供前所*有的原位檢測手段。

高溫背景特點

高溫背景其實就是樣品高溫下的熱輻射。任何固體或液體，只要溫度高于絕對零度都存在熱輻射。熱輻射是物質中處于激發態的粒子以一定的概率隨機地向低能級躍遷，而在拉曼譜中構成連續的基底。

黑體輻射的主波長隨著溫度變化，服從維恩位移定律；維恩位移定律計算出黑體輻射強度達到最大時的波長λmax，這個物理量只和黑體的溫度相關：

λmax*T=b

其中b為比例常數，稱為維恩位移常數，不同溫度下熱輻射光譜能最密度的分布(見圖1)。該圖說明:隨輻射源溫度的升高，輻射光的中心頻率逐漸向高頻方向移動，即由紅外段逐漸移向可見光波段，且強度顯著增大，隨機波動幅度也越大。正因為如此，隨著溫度升高，某一激發波長下拉曼散射光頻率變逐漸被高溫背景“淹沒”

圖1 不同溫度下熱輻射光譜能最密度的分布（來源于網絡）

1000℃下拉曼儀器在溫度梯度升溫中還基本可以使用，可如果溫度超過1000℃時，因黑體輻射影響很大，普通拉曼儀器無法捕捉到高溫對象的拉曼信號，檢測器接收的全是強背景信息。溫度變化對拉曼光譜的峰強、峰寬和背景產生影響。 隨著溫度的升高，斯托克斯線的強度降低，譜峰展寬，處于激發態的粒子隨機向低能級躍遷所產生的熱輻射變強，最終由熱輻射產生的高溫背景將 “淹沒” 所有拉曼信號。

實現高溫拉曼的技術方式

實現高溫拉曼有兩種方式，分別為短波長激光拉曼光譜技術和脈沖激光時間分辨拉曼光譜技術。

短波長激光拉曼基于黑體輻射效應，例如從上圖可以看出，1200K時黑體輻射峰大概從580nm開始，強度最大時為2.42um，此時如果選用532nm激光器去激發，拉曼頻移勢必會被黑體輻射的峰所干擾；如果使用325nm激光去激發，從325nm-580nm的區間是沒有黑體輻射的影響的。另外拉曼信號強度跟激發波長的4次方成反比，所以用短波激發強度會高一點，但是用短波激發就會比較容易出熒光。所以這種方式比較適合自身沒有不會被短波激發出熒光的樣品測試；

使用532激發單晶硅在不同溫度下的拉曼峰的測試結果如下

圖2 532激發單晶硅在不同溫度下的拉曼峰

由圖2可以看出：Si一階峰峰位隨溫度升高往低波數移動（紅移），峰強隨溫度升高逐漸降低，峰寬隨溫度升高逐漸展寬。

脈沖激光時間分辨拉曼光譜技術是從時間域上將拉曼散射信號與絕大部分背景熱輻射分離開，用脈沖激光替代連續激光，因為拉曼信號是在激光打過去fs量級的時間之后就會產生，幾乎與激光同步，但是熱輻射背景和熒光信號較弱；如下圖所示，我們可以選擇在激光與熒光之間的一個非常短的時間去采集拉曼信號，此時可以獲取較高的信噪比；

在儀器選型上，一般都選用的是ns 激光器去激發，帶門控的像增強型相機（ICCD或者ICMOS）去探測。ps或者fs的脈沖能量太高，容易打壞樣品，另外造價昂貴；使用ICCD測試具有背景輻射影響的石英的測試數據如下，可以看出，使用短的門控，可以獲取較高的信噪比。

石英的時間分辨拉曼光譜

北京卓立漢光儀器有限公司推出的RTS2脈沖拉曼系統，將標準 RTS2 系統的CCD更換為 ICCD，并配置特殊的脈沖激光器，即可進行脈沖拉曼實驗，以在強背景信號下提取弱的拉曼信號。脈沖拉曼適用應用：超高溫拉曼 >1500℃;遠程拉曼(日光環境);熒光環境熒光壽命 >10ns)。

水的脈沖拉曼信號（遠程）

硝酸鈉的脈沖拉曼信號(遠程)