拉曼原理及特点和应用

molecule
light out
emission
excitation
apply innovation
Light scattering - Raman
• 1 part in 108 is inelastically (Raman) scattered
• Before…
After…
exciting light molecule
1600
S : N > 10 : 1
1500
1500
1400
1300
1200
1100
1000
1000
900
800
700
600
波长514.5nm，狭缝宽度100微 米，曝光时间60秒, 累加10次， binning为2，光栅为1800刻线。
显微镜头为X100常规镜头
1200 1300 1400 1500 1600 1700 1800 1900 2000 2100 2200 2300 2400 2500 2600 Raman shift / cm-1
4500 4000 3500 3000
2280 2300 2320 2340 2360 2380
apply innovation
Light scattering - Rayleigh
• Elastic (Rayleigh) scattering dominates
• Before…
After…
exciting light
molecule
• Light out has same frequency as light in
h(0 + )
h
ANTI-STOKES
Rayleigh
0
0 +
apply innovation
Raman scattering
经典理论 光－电磁波 将散射体作为独立的振转子 量子理论 光－电磁波 量子力学方法处理散射体
apply innovation
Raman光谱仪的发展简史
Raman自现象发现以来，各种检测仪器相继产生；
• 1992年世界上首先发明新型显微共焦拉曼系统
最初的测头及 专利证书
David McMurtry爵士 董事长兼首席执行官
John Deer 副董事长
apply innovation
遍及全球的子公司和办事处
子公司 美国 (1981) 爱尔兰 (1981) 日本 (1982) 德国 (1986) 法国 (1988) 意大利 (1989) 西班牙 (1991) 瑞士 (1991) 香港 (1993) 巴西 (1996) 韩国 (1999) 印度 (2000) 比利时 (2000) 澳大利亚 (2001) 荷兰 (2001) 斯洛维尼亚 (2001) 捷克 (2002) 波兰 (2002) 俄罗斯 (2002) 奥地利 (2002) 瑞典 (2003) 加拿大 (2003) 以色列 (2003)
(19％的销售收入) • 不断扩张我们的销售网络，在韩国、澳大利亚、俄罗斯、波兰、瑞
典、加拿大、以色列新设子公司 • 全球员工超过3,000人
apply innovation
apply innovation
inVia 系统特色
高起点，新技术 • 先进的透射式自动聚焦光谱仪 • 高灵敏度，高光谱分辨率 • 高度自动化，维护方便 • 模块化设计，功能扩展方便 • 丰富的原位测试技术
dl
1.227*
f Dl
hl
2.53*
f Dl
2
D
• Use a high numerical aperture lens
q
f
apply innovation
扩束器技术 － 连续改变光斑尺寸
apply innovation
inVia 系统特色-高稳定性重复性
高光谱重复性
-光栅尺机反馈控制技术
办事处 新加坡 (1994) 中国 (北京) (1994) 印度尼西亚 (1995) 台中 (2000)
2005年设立雷尼绍（上海）有限公司 47个国家，超过55个经销商
apply innovation
Renishaw(香港)有限公司
(曼谷) (吉隆坡) 新加坡
汉城
北京 上海 (成都，广州， 沈阳，青岛) 台中
Raman’s experiment
sunlight (white)
scattering liquid
violet
violet Rayleigh-
Raman-
filter scattered
scattered
light
light
violet green
green filter
green
observer
apply innovation
inVia 系统特色
•连续扫描专利技 •新型共焦技术 • 独立优化光路技术 •激光扩束技术 •高速拉曼扫描专利技术 •光栅尺反馈控制技术
apply innovation
Raman Spectrometer
apply innovation
inVia 系统特色－高通光效率
90年代以前，最成熟的拉曼光谱仪技术是基于三光栅光谱仪构架的，由于 三光栅光谱仪通过多级光栅，滤去瑞利散射（激光），色散拉曼散射，光 路复杂，光学元器件繁多，故效率较低，分辨率较高。多用在基础的拉曼 原理的物理研究上；
1992年，Renishaw联合利兹大学首先发明了世界上第一台新型显微共焦 拉曼系统，极大推动了拉曼光谱仪的发展；
apply innovation
连续扫描专利技术 － 全光谱范围一次扫描，无接谱
apply innovation
inVia 系统特色-新型共焦专利技术
新型共焦技术
-高通光效率，操作简便，性能稳定
apply innovation
传统共焦技术 － 机械针孔
apply innovation
最新的显微共焦系统专利技术
香港
墨尔本
apply innovation
Renishaw – 领先世界
Renishaw的 7大产品分类…
• 分 析 仪 器 - 显微激光拉曼光谱仪、CCD多道探测器、激光器
• 校 准 产 品 - 激光干涉仪，球杆仪，回转轴校准装置
• 光 栅 产 品 - 直线光栅，圆光栅
• 三测机产品 - 三测机用测头系统及传感器
apply innovation
Raman光谱的历史、原理与光谱仪的发展
• Raman散射现象的发现 -The Raman effect discovered in 1928 by Prof. Sir C V Raman -Nobel Prize in Physics 1930
apply innovation
0
40
80
120
160
Repeat Times
apply innovation
Industrial applications of stress analysis
Si positional maps showing the stress patterns surrounding an etched Si chip
apply innovation
Renishaw plc, Wotton-under-Edge, UK
apply innovation
公司创立之初
不断创新的Renishaw • 1973年发明了全球首个接触式触发测头
－成功解决了协和飞机喷气发动机燃油管的测量难题(异形、薄壁) • 受专利保护的创新技术促进公司持续发展 • 1983年伦敦证交所上市
非弹性碰撞；方向 改变且有能量交换；
激发虚态
h(0 - )
E1 + h0
E0 + h0 h0
h0 h0
h0 +
E1
V=1
E0 Rayleigh散射 V=0 Raman散射 h
E0基态， E1振动激发态； E0 + h0 ， E1 + h0 激发虚态； 获得能量后，跃迁到激发虚态.
apply innovation
透射式共轴光路设计，高通光效率，每个透镜透射 率远高于反射镜。独立优化透镜，无色差，无像差
。
apply innovation
较传统的反射式谱仪设计
反射式离轴光路设计，通光效率较低，每面反射镜 的反射效率80～90％。无法独立优化，无色差，有像
差。
apply innovation
inVia 系统特色-连续扫描专利技术
apply innovation
Raman and PL spatial resolution (far-field)
• Width of beam, d
• Depth of field, h
Lens focal length, f Lens diameter, D Numerical aperture NA= n sinq
不能光看“光谱仪”部分，要 看整个拉曼系统的信号光路
apply innovation
inVia 系统独立优化的分立光路设计
apply innovation
inVia 系统特色-高空间分辨率
高空间分辨率
-激光扩束技术
apply innovation
括束器技术保证激光聚焦光斑接近理论最小尺寸
在inVia Reflex系统上观察样品和激光光斑
apply innovation
具有反馈控制技术的光栅转台, 两块高分辨光栅自动转换
定位精度提高10倍！
*grating and wavelength dependent
apply innovation
硅520信号200次重复测试误差 ：< ＋0.1cm-1
Peak Position
520.4 520.3 520.2 520.1
• 机 床 产 品 - 工件找正，刀具设定，破损检测
• 扫 描 产 品 - 逆向工程用数字化/扫描系统
•探
针 - 各种检测用探针
apply innovation
Renishaw公共有限公司
Renishaw的经营策略...
• 我们通过不断开发专利产品和创新的制造方法，保持公司的可持续 增长
• 2007年销售额超过3亿美元 • 不断增加在研发和工程技术方面的投入，03-04年度达2200万英镑
1100 1200 1300 1400 1500 1600 1700 1800 1900 2000 2100 2200 2300 2400 2500 Raman shift / cm-1
apply innovation
灵敏度/光谱分辨率
Counts
Counts
7000 6000 5000 4000 3000
apply innovation
Renishaw-inVia 系列拉曼光谱仪讲座
apply innovation
目录
➢Raman光谱的发现、原理及光谱仪发展史 ➢Renishaw基本情况介绍 ➢Renishaw显微共聚焦拉曼光谱仪的特点 ➢Renishaw-inVia的应用实例 ➢Raman光谱测试最前沿与前瞻
molecule vibrates
light out
• Light loses energy to the molecule vibration
emission
excitation excit.-vib.
apply innovation
瑞利散射和拉曼散射
Rayleigh散射： 弹性碰撞；无
能量交换，仅改变方 向； Raman散射：
Raman散射
Raman散射的两种跃迁 E1 + h0
能量差：
E2 + h0
E=h(0 - ) 产生stokes线；强；基态
h(0 -
)
分子多；
E=h(0 + ) 产生反stokes线；弱；
E1 V=1 E0 V=0
STOKES
Raman位移：
Raman 散 射 光 与 入 射 光
频率差；
0 -
h0
apply innovation
apply innovation
连续扫描专Biblioteka Baidu技术
(a) rapid extended scan
(b) conventional stitched scan
400 800 1200 1600 20001 2400 2800 3200
Ra man shift / cm -
apply innovation
StreamLine高速大面积拉曼扫描成像技术
apply innovation
StreamLine高速大面积拉曼扫描成像技术
apply innovation
StreamLine高速大面积拉曼扫描成像技术
apply innovation
StreamLine高速大面积拉曼扫描成像技术
apply innovation
高灵敏度 : 硅三阶峰
Renishaw仪器的高灵敏度可在 许多用户仪器上得到验证
Counts Counts
2000
波长514.5nm，狭缝宽度50微米
，曝光时间60秒，累加5次， 1900
binning=1，光栅为1800刻线。 1800
显微镜头为 X100常规镜头 1700