DIY-Raman-Mikroskop

[ChristianH]

Hallo,

ich habe im Forum einige sehr interessante Beiträge auch zur Raman-Spektroskopie gefunden und möchte daher mit einem eigenen Projekt beitragen.

Zuerst möchte ich mich kurz vorstellen: ich bin Christian, ehemaliger Physiker und jetzt im Ruhestand. Als Hobbies interessieren mich unter Anderem Aspekte der Optik wie Astrofotografie (leider wegen der Wolken in Norddeutschland zur Zeit kaum möglich), Mikroskopie (Leica DMLB, Zeiss Stemi) und insbesondere optische Spektroskopie.

Für die Spektroskopie versuche ich gerade ein Raman-Mikroskop aufzubauen. Es handelt sich um einen Neubau, der aber auf einem älteren Projekt basiert. Der erste Aufbau entstand während eines 9 Monate Lock-Down unserer Labore während der Corona-Pandemie. Für einen Praktikumsversuch habe ich aus dem ,,Abfall" einer Laborauflösung, Ebay Gebrauchtteilen und Selbstbauteilen ein Raman-Mikroskop aufgebaut. Damit konnten die Studierenden Online eigene Versuche machen. Deshalb war das Raman-Mikroskop weitgehend motorisiert und Software-gesteuert. Untersuchungsgegenstände waren einmal Graphen (siehe Beispiel) und dann Halbleiter-Proben. Nach dem Lock-down wurde das in vielen Punkten doch ziemlich provisorisch aufgebaute Raman-Mikroskop Version 1 durch einen besseren Aufbau auf einem optischen Tisch ersetzt und außer Betrieb genommen.

Jetzt im Ruhestand wollte ich das alte Raman-Mikroskop zuerst entsorgen, habe mich aber dann entschieden es zu zerlegen und noch einmal ordentlich neu aufzubauen.

Konzept: Für das Raman-Mikroskop wird kein vorhandenes Mikroskop umgebaut, sondern es wird nach eigenen Ideen neu aufgebaut. Das macht zwar mehr Arbeit (oder Spaß) bietet nach meiner Meinung aber auch mehr Flexibilität. Es wird ein Auflichtmikroskop mit einer LED und 2 Lasern als Lichtquellen. Dann kann über einen Kipp-Spiegel zwischen Abbildung (Kamera) und Spektroskopie umgeschaltet werden. Das zentrale Bauelement ist ein 40x40 mm Alu-Profil, das als Ständer auf eine 10 mm dicke Alu-Lochplatte gesetzt ist.

Probenbühne: Auf der Lochplatte ist auch die motorisierte Probenbühne montiert. Die alte schön kompakte Probenbühne war leider defekt, daher musste eine neue aufgebaut werden. Jetzt werden drei Linear-Führungen (xyz) über Schrittmotoren angetrieben. Das ganze ist eher rustikal und ziemlich groß, funktioniert aber ganz manierlich. Rein rechnerisch ergibt ein Schritt der Motoren einen Vorschub von 100 nm, allerdings ist das ein eher theoretischer Wert. Mit etwas Software zur Kompensation des Umkehrspiels sollte eine Positioniergenauigkeit von etwa 500 nm möglich sein.

Objektiv-Revolver: An dem Ständer befindet sich vorne ein optisches Schienensystem. Darauf sitzt als unterster Reiter ein Objektiv-Revolver mit Platz für 5 Objektive. Die meisten Objektive sind von Olympus mit aktuell 5x, 20x, 50x und 80x.

Strahlteiler: Oberhalb des Objektiv-Revolvers sitzt ein einstellbarer geometrischer (Transmission:Reflexion) 90:10 Strahlteiler-Würfel. Das ist unüblich für ein Raman-Mikroskop, da dort normalerweise Farbcodierte dichroitische Strahlteiler eingebaut werden. Bei einem dichroitischen Strahlteiler kommt das Laserlicht zur Probe und das von der Probe emittierte Licht mit normalerweise größerer Wellenlänge (ohne die Laserstrahlung) zum Detektor. Allerdings ist ein dichroitischer Strahlteiler auf eine bestimmte Laserwellenlänge festgelegt. Der hier verwendete geometrische Strahlteiler leitet 10% des Laserlichts zur Probe und 90% der Probenemission zum Detektor. Das bedeutet, die Laserleistung wird erheblich abgeschwächt und man benötigt einen separaten Laserfilter, um das Laserlicht aus den Spektren auszublenden. Hier denke ich über einen Doppelmonochromator nach, wobei der erste Monochromator die Funktion des Laserfilters übernimmt. Als weiteren Vorteil eines geometrische Strahlteilers ist bei Bedarf der Laserstrahl auch im hinteren Teil des Aufbaus sichtbar, was die Justage erheblich vereinfacht.

Laserwechsler: seitlich am Stativ sitzt der Laserwechsler, der eine motorisierte Umschaltung zwischen der LED-Köhler-Beleuchtung (3 Linsen, 2 Iris-Blenden) und zwei Lasern mit individuellen Filtern erlaubt. Bei dem Entwurf der LED-Köhler-Beleuchtung wurde ich vor vielen Jahren im Forum sehr kompetent beraten, dafür noch einmal vielen Dank. Die Filter vor den Lasern filtern höhere Wellenlängen aus der Laserstrahlung aus. Aktuell sind billige Laserpointer (grün und blau) eingebaut mit nominell 1 mW Leistung. Gemessen habe ich 50 mW für den grünen und 70 mW für den blauen (Sicherheit !!!) . Das wird dann durch den Strahlteiler auf leider 5 oder 7 mW reduziert, hoffe es reicht.

ToDo: Oberhalb des Laserwechslers sitzt ein einstellbarer Umlenkspiegel auf die Rückseite des Stativs. Dort kommen die Mikroskop-Kamera mit einem Flipp-Spiegel und mehrere motorisierte Filter hin. Dann eine Linse zur Einkopplung in den Eingangsspalt des ersten Monochromators. Der Doppelmonochromator wird voraussichtlich aus zwei einfachen Gitter-Monochromatoren mit jeweils 200 mm Brennweite zusammen gesetzt und einer gekühlten Astro-Kamera als Detektor.

Aktuell funktioniert die Probenbühne und die Einkopplung der Beleuchtung, es bleibt aber noch sehr viel zu tun. Bei Interesse kann ich gern weiter berichten.

Viele Grüße
Christian

[Thomas Böder]

Richtig gutes Zeug! 

[K. B.]

Hallo Christian,

tolles Projekt und spannender Aufbau, ich wäre auf jeden Fall an weiteren Berichten interessiert!

Viele Grüße
Kay

[deBult]

Yes, please keeps us in the update loop, please.

Best Maarten

[Horst Wörmann]

Hallo Christian,
willkommen im Klub der Raman-Fritzen! Spannendes Vorhaben.

Bin zwar nicht der Experte (das ist sicher TStein hier im Forum, aber der ist außer Konkurrenz, weil Profi). Trotzdem einige Anmerkungen vom Bastler.

1) Vermisse eine Beobachtungsmöglichkeit durchs Okular. Dafür soll sicher die Kamera dienen. Irgendwie muß man ja fokussieren und dabei möglichst gleichzeitig den Laserfleck im Objekt sehen können, um auch den zu fokussieren. Dabei ist die Laser-Sicherheit zu beachten, es muss sichergestellt sein, dass bei Beobachtung der Laser stark abgeschwächt ist. Gilt auch für die Kamera, die sonst hoffnungslos übersteuert ist. Ich habe das mit einem Schieber im Beobachtungsstrahlengang gelöst, mit zwei Stellungen: einmal mit speziellem Laser-Sperrfilter mit OD > 6 zur Messung, die andere mit einem schlechten Laser-Sperrfilter, der nur noch eine Spur des Anregungslichts durchläßt, ansonsten für Weißlicht durchlässig ist. Dadurch ist in jedem Fall Sicherheit fürs Auge gewährleistet.

2) Warum ein blauer Laser? Bringt nur viel Fluoreszenz der Probe, vom gewünschten Raman-Signal nicht zu trennen. Besser ein roter Laser, üblich 638 nm. Kaum Fluoreszenz, dafür aber geringere Auflösung, insbesondere aber viel geringere Raman-Intensität, da proportional zu 1/Lambda hoch 4.

3) China-Laser habe ich auch zuerst eingesetzt, spottsbillig, aber nach den ersten Versuchen vermüllt, da miserable Strahlqualität. Jetzt ist ein Roithner-Laser 532 nm 50 mW zu 120 Euro drin, der tut's. Die 5-7 mW bei Dir werden nicht reichen, hängt aber auch von der Detektorempfindlichkeit ab. Mit 50 mW komme ich auf ca. 17 mW im Präparat, das könntest Du auch erreichen. Wie hast Du die 50/60 mW gemessen? Laser-Leistungsmesser?

4) Wie wäre es mit einem Laser-Langpassfilter für 532 nm statt Doppelmonochromator? Ist einfacher zu handhaben, hat eine hohe Durchlässigkeit für das Raman-Signal und liegt preislich bei rund 500 Euro. Man ist dann aber an eine Wellenlänge gebunden.

Bin gespannt auf Deine Experimente,
Viele Grüße aus Bonn
Horst
 

[ChristianH]

Hallo,

vielen Dank für die sehr freundlichen und positiven Reaktionen.

@ Horst
1) Ein Okular ist nicht vorgesehen, daher gibt es hier keine Sicherheitsprobleme. Der Fokus des Aufbaus ist Spektroskopie und das Mikroskop ist nur zum Finden der richtigen Probenposition und zum Fokussieren. Das geht gut mit einer Kamera.
Die Leistung der Laserpointer lässt sich über mindestens 3 Größenordnungen über ein Stromgeregeltes Netzteil einstellen, ist aber leider nicht sehr stabil. Der niedrigste Wert bei dem grünen ist weniger als 1 µW. Das können die Kamera und der Detektor noch gut ab. Zusätzlich soll noch ein motorisierte ND-Filter rein. Für Spektroskopie mit höherer Laserleistung kann bei dem grünen Laser ein motorisierter Longpass-Filter 550 nm (FELH550) eingefahren werden, bei dem blauen ein 450 nm Filter.


2) Der blaue Laser lag gerade rum. Mir geht es aktuell nur um das Testen des Laserwechslers. Der Umbau  z.B. auf einen roten dauert typisch weniger als eine Minute plus etwas Justage (die Laserpointer schielen normalerweise).
Wie Du ja geschrieben hast, gibt es bei Raman zwei Aspekte: die Raman-Effizienz und die Hintergrund-Fluoreszenz. Blau hat die höchste Hintergrund-Fluoreszenz (schlecht), aber auch die höchste Raman-Effizienz (gut). Bei Rot ist es genau umgekehrt. Ich habe noch einen IR-Laser bei 780 nm, die Wellenlänge wird in vielen Raman-Aufbauten benutzt, da dann die Hintergrund-Fluoreszenz sehr gering ist. Soweit bin ich aber noch nicht. Das ist auch einer der Gründe für einen Doppelmonochromator, sonst würde jeder Laser einen eigenen passenden Filter benötigen. 

3) Im Anhang ein Bild von dem fokussierten grünen Laserpointer (das rote Kreuz ist zum Justieren, hier nicht so toll) auf einem GaAs-Wafer im alten Aufbau. Der Laserspot ist nicht perfekt symmetrisch, aber für mich OK. Der zentrale Spot hat einen Durchmesser von ca. 700 nm, das definiert die zu messende Fläche. Die Laue-Kreise zeigen, dass der Laser senkrecht in das Objektiv eingekoppelt ist. Der blaue Laser ist nicht so schön und macht eher eine Linie als einen Punkt, der rote ist wieder OK.
Dann noch ein Screenshot vom vergrößerten Bild des Lasers auf dem Detektor im Spektrometer und das entsprechende Spektrum (alter Aufbau). Die Einheit beim Detektorbild sind Kamera-Pixel. Mit etwas Fummeln und einem kleinen Eingangsspalt bekommt man Linienbreiten unter 0.2 nm (Lorentz-Fit). Der Laser hatte eine Wellenlänge von 533.5 nm, andere Laserpointer liegen im Bereich von 531 bis 534 nm. Das macht einen Bandpass-Filter schwierig. 
Eventuell muss fehlende Laserleistung durch eine längere Messzeit kompensiert werden. Die Detektor-Kamera (monochrome Astro-Kamera) ist Peltier-gekühlt für wenig Rauschen und erlaubt Messzeiten von mehreren Stunden. Das ist dann aber eher was für die Nacht.
Ich habe früher mal Messungen an der selben Probe einmal mit dem alten Selbstbau Raman-Mikroskop und dann mit einem kommerziellen Raman-Mikroskop (Renishaw inVia) verglichen. Die Daten vom Selbstbau waren nicht deutlich schlechter, nur das Rauschen war höher. Das ließ sich aber durch eine längere Messzeit kompensieren.
Die Laserleistung wurde mit einem Powermeter gemessen, ein altes Coherent FieldMax II.

4) Das Problem bei Raman ist, mit hohem Kontrast möglichst dicht an die Laserlinie zu kommen um auch kleine Energieabsorptionen zu erfassen. Ich kenne bezahlbare Longpass-Filter z.B. von Thorlabs nur in Schritten von 50 nm. Für den grünen Laser wäre das ein 550 nm Filter, was schon viele wichtige Raman-Linien abschneidet.
Zusätzlich soll ein Doppel-Monochromator entweder den Kontrast oder die Brennweite und damit die Auflösung erhöhen. Beides Interessant und ich möchte mir das gerne mal genauer anschauen. Anbei noch ein Foto des alten Einfach-Monochromators (Selbstbau) von oben.

Viele Grüße aus dem verschneiten Lüneburg
Christian

[Horst Wörmann]

Hallo Christian,

Danke für die ausführlichen Informationen.
Der Monochromator sieht gut aus, wahrscheinlich ist der Selbstbau die einzige Möglichkeit, preiswert an einen leistungsfähigen Detektor zu kommen. Ich habe ein Spektrometer von ASEQ, das ist nicht gar so teuer, aber läßt Wünsche offen. Es dürfte beim Monochromator auch schwierig sein, die intensive Laserlinie auszublenden, ohne Streulicht. Verhältnis Laseranregung zu Raman-Signal ist so um 1:10^-8.
Thorlabs hat keine passenden Filter, die gibt es bei AHF - z.B das ET 537LP mit >OD 6 bei 410-534 nm, da kommt man schon ziemlich nahe an die 532 nm. Das FEL 550 von Thorlabs habe ich auch, ist aber ungeeignet, weil es - wie Du ja auch sagst - zu früh abschneidet.
Mein Roithner-Laser hat 50 mW und 532 nm (lt. Spec min. 531 typ. 532 max 534 nm), sicher besser als die Chinesen.

Berichte weiter über Deine Apparatur, spannende Sache.
Viele Grüße aus der verregneten Bonn
Horst