DIY Ramanspektroskopie im Mikroskop

[TStein]

Hallo Jürgen,
danke für die Mineralienbestimmung, hab ich auch in etwa so eingeschätzt. Hätte gerne auch schon ein paar exotische Hochdruckminerale gefunden, aber der Meteorit ist wahrscheinlich nur gering geschockt. Zumindest habe ich auch keine Schmelzadern, PDFs und PFs auf die schnelle gefunden.
Hab aber noch einige Meteoritendelinquenten, welche sich diesbezüglich zu untersuchen lohnen.   
Der Spot ist mit dem 20er Objektiv übrigens ganz sicher <5µm, kann aber auch gerne 1-2µm sein, habs aber noch nicht wirklich gemessen. Hätte auch eine Auflösungsteststruktur da zum Messen, kommt noch. Zumindest sieht man bei diversen Proben leider schon die Hitzeeinwirkung des Spots mit dem Mikroskop. Muss wahrscheinlich die Leistung des Lasers doch noch etwas mit Grau- oder Polfilter herunterregeln. Muss mal schauen, ob ich nicht doch noch einen quasikonfokalen Modus mit einem Pinhole hinbekomme.
Lg Tino

Ps. Hab auch nochmal ein Übersichtsbild angehängt, an welchen Stellen die Balkenchondren-RAMAN-Messungen des vorherigen Diagramms durchgeführt wurden. Leider sind die Spots aber nur sehr schwach zu erkennen, daher die gelben Kringel.

[TStein]

Hallo liebe Raman-Interessierte,
ich komme nun endlich mal wieder dazu, etwas zu meinem DIY RAMAN-Mikroskopaufbau zu schreiben. Nachdem ich noch einige Optimierungen und Verbesserungen vorgenommen habe, funktioniert der Aufbau nun doch ziemlich gut.
Nachfolgend erstmal einige Erfahrungen und Verbesserungen bezüglich des verwendeten Lasers:
1. 532nm-Lasermodul von Roitner (10mW)
  - Ergebnisse der Leistungsmessung:
       - Ausgangsleistung~11mW,
       - Leistung auf der Probenoberfläche~8mW (mit Strahlteiler/Filter von AHF und 40x LD-Leica Fluotar-Objektiv)
           - bei gut fokussierten 8mW auf der Probenoberfläche gibt es schon einige Probleme mit Erwärmung (selbst bei recht stabilen Mineralien)
       - Leistung mit Pol-Filter in S-Polarisation~3,5mW (Polarisation hat leichten Einfluss auf RAMAN-Spektrum, bspw bei (100)-Silizium)
       - das erste Lasermodul hatte leider einen zweiten deutlichen (7-10%) Wellenlängenpeak etwa +0,8nm neben dem nominellen 532nm-Peak
            - dieser führt zu einem deutlichen Doppelpeak der Si-RAMAN-Line, siehe angehängtes Bild1
       - das Ersatz-Modul war diesbezüglich unauffällig, also kein Doppelpeak und somit auch keine Doppellinien mehr
Lg Tino

[TStein]

Vielleicht auch gleich nochmal ein paar Kommentare, welche Objektive eigentlich Verwendung finden sollten.
Vorweggenommen ist das RAMAN-Signal ziemlich stark (mehr oder weniger quadratisch) abhängig von der NA des verwendeten Objektivs und zwar
aus 2 Gründen.

Erstens fokussiert ein hoch-NA-Objektiv die kollimierte Laserstrahlung besonders gut, dh. die Intensität steigt quadratisch mit dem kleineren Sportdurchmesser. Diesbezüglich muss man aber auch darauf achten, dass das Objektiv möglichst komplett ausgeleuchtet ist.
Ein nur zum Teil ausgeleuchtetes Objektiv (Durchmesser des Laserstrahls klein im Verhältnis zur Austrittspupille des Objektivs) erreicht nicht die beste Auflösung, bzw. den kleinsten Spot, da die NA nicht voll ausgenutzt wird.
Zweitens bewirkt eine große NA des Objektivs auch ein effektiveres Einsammeln des erzeugten RAMAN-Lichts, da dieses Isotrop abgestrahlt wird.

Ich habe diesbezüglich auch gleich eine Testreihe mit meinem Objektivpark gestartet und noch ein paar "bessere" Alternativen nachbestellt.
Siehe anhgehängtes Bild1:

Hier schneidet das 150x0.95 sehr viel besser ab, als bspw ein ähnlich hochauflösendes 50x0.90, und zwar obwohl die NA ziemlich gleich ist. Hier ist die bessere Ausleuchtung der Autrittspupille des 150er Objektivs ausschlaggebend, da mein Beleuchtungslaserstrahldurchmesser doch recht klein ist und die Austrittspupille des 50er Objektivs (3mal so große Austrittspupille wie das 150er) nicht gut genug ausleuchtet. Man müsste dann den Laserstrahl durch eine Zusatzoptik aufweiten, damit das 50er Objektiv auch optimal verwendet werden kann.
Das 150x0.95 stellt somit in etwa das Optimum dar, mit ungefähr 4x so viel RAMAN-Signal, wie das vorher von mir verwendete L40x0.60.
Abschließend auch nochmal ein Bildvergleich der RAMAN-Spektren von Silizium mit unterschiedlichen Objektiven, siehe Bild2.
Lg Tino
Ps. Das DG im Objektivnahmen bezeichnet Objektive mit Deckglaskorrektur. Diese sind natürlich ohne Deckglas optische nicht so Optimal.

[TStein]

Hallo an die Freunde der RAMAN-Mikrospektroskopie,

ich habe mein RAMAN-Mikroskop weiter optimiert und möchte gerne ein paar Erfahrungen zur Verbesserung des Aufbaus und ein paar Messergebnisse teilen.

1. Optimierung des grünen Anregungslasers. Da nach einigen Tests und diesbezüglichen Recherchen doch einige Probleme mit der Wellenlängenstabilität und spektralen Reinheit des ursprünglich verwendeten nicht-temperaturstabilisierten DPSS-Lasers (frequenzverdoppelter diodengepumpter Nd-YAG Festkörperlaser mit Wellenlänge=532nm) festzustellen waren, habe ich stattdessen einen SLM-Laser (Single Longitudinal-Mode-Laser) mit selbstgebauter Temperaturstabilisierung integriert. Es handelt sich um einen OSRAM PL530, einen sogenannten OPSL-Laser (optically pumped semiconductor laser) also einen optisch gepumpten Halbleiterlaser. Dieser ist im Rahmen meines Messaufbaus absolut schmalbandig und ausreichend wellenlängenstabil. Hiermit beträgt die erreichte optische Wellenlängenauflösung über den gemessenen Spektralbereich (530-590nm) konstant gute 0,12nm (FWHM) mit dem 1200Linien-Gitter. Das enstpricht etwa einer RAMAN-Auflösung von 3cm^-1 mit einem Messbereich von 200-1800cm^-1, also ausreichend für die meisten Messaufgaben. Die Wellenlängenstabilität über mehrere Stunden beträgt sehr gute 0.02-0.03nm, was eine Stabilität der RAMAN-Shift-Messungen von +/-1cm^-1 ermöglicht. Die Laserleistung beträgt etwa 5mW im Spot und laut Auflösungsmessung ist der Laserspot mit dem 150x/0.95-Objektiv auf <0.5µm fokussiert.
2. Wechsel der Kamera Princeton Instruments NTE1300 (1300x1340Pixel, 20um Pixel, Sensortemperatur -40°C) auf eine etwas höherauflösende, besser gekühlte HORIBA Syncerity (2048x192Pixel, 14um Pixelgröße, Sensortemperatur -50°C) und Verbesserung der mechanischen Ankopplung der Kamera.
3. Optimierung der spektralen Kalibrierung mittels Ne(Ar)-Glimmlampen (RELCO SC-480 und Phillips S10) und Si(100) Referenzmessung
4. Verbesserung der Laserkollimieroptik und Auflichteinkopplung


Bild1: Referenzspektrum Relco SC480 Ne-Glimmlampe, Intergrationszeit jeweils 4 x 12 x 20s


Bild2a/2b Referenzspektrum Si[100], Volldarstellung und Detail, Intergrationszeit jeweils 4 x 12 x 20s, mit dem 150x/0.95 Der Siliziumpeak ist übrigens bei 520.3cm^-1 zu erwarten, mit leichter Abhängigkeit von der Temperatur der Probe und Polarisation des Anregungslasers, siehe auch hier: https://iopscience.iop.org/article/10.1149/2.0061509jss

Lg Tino 

[Horst Wörmann]

Hallo Tino,

Glückwunsch zu dieser herrlichen Anlage! Da komme ich mit meinem klapprigen ASEQ-Spektrometer nicht mit.
Zu den Optimierungen noch ein paar Fragen:
Ich nehme an, die Ne/Ar-Glimmlampe bringt noch einige Linien im sonst bei Ne leeren (oder nur schwache Linien) Bereich 530 bis 570 nm? Oder gibt es andere Vorteile?
Was konntest Du bei der Laser-Einkopplung noch verbessern? Ist das ein Lichtleiter-Eingang? Die 5 mW im Spot kommen mir recht wenig vor, wie hoch ist die Laserleistung? Gemessen mit Laser-Leistungsmesser?

Viele Grüße
Horst

[TStein]

Hallo Horst,

die Relco Sc480 Glimmlampe (Ne/Ar-Füllung) ist bezüglich Kalibrierung von 530-590nm hervorragend geeignet, da die intensiven Spektrallinien von Ne und Ar schön gleichmäßig verteilt sind. Die Plillips S10 Lampe hat eine Ne/Xe-Füllung, was nicht so gut für diesen Spektralbereich funktioniert.
Folgende Spektrallinien der SC480-Lampe verwende ich zur Kalibrierung des Spektrometers (mit quadratischer Ausgleichsrechnung, normalerweise reichen dafür aber auch die 5 intensivsten Linien):

Relco SC480   
533,07775    Ne
540,05616    Ne
542,1352    Ar
549,5874    Ar
555,8702    Ar
560,6733    Ar
565,0704    Ar
573,952    Ar
576,44188    Ne
582,01558    Ne
585,24878    Ne
588,8584    Ar
591,2085    Ar
592,8813    Ar
593,44522    Ne
594,2669    Ar
594,4834    Ne

Ich habe heute leider keine Zeit mehr, aber morgen schreibe ich nochmal was zur Lasereinkopplung und den weiteren Optimierungen.

Lg Tino

[Florian D.]

Hallo Tino,

ich verwende zum Kalibrieren ein Hg-Cd Spektralleuchte. Die habe ich irgendwann mal günstig bei Ebay ersteigert.

Viele Grüsse
Florian