CubeRaman: 3D-печатный Raman-спектрометр на 532 нм
Один объектив в CubeRaman фокусирует 532-нм лазер на образце и возвращает обратное рассеяние в спектрометр. Схема уже различает характерные линии алмаза и полимеров в диапазоне 600–3000 см⁻¹, однако бутылка в световом пути способна стать главным источником спектра. Разрешение прототипа сейчас упирается в щель 100 мкм и паразитный свет.
CubeRaman превратил Raman-спектроскопию на 532 нм в открытую настольную оптомеханическую сборку с корпусом, юстировочными узлами и световыми трубками, напечатанными на 3D-принтере. Проект сопровождается CAD-файлами, перечнем компонентов и программой обработки спектров. Однако измерительная часть здесь определяется вполне традиционной и недешёвой оптикой: дихроиком, фильтрами подавления линии лазера и отдельным спектрометром.
В схеме используется лазер 532 нм мощностью порядка 30 мВт, входной bandpass-фильтр и один 20× объектив с бесконечной коррекцией. Объектив фокусирует возбуждение на образце и собирает обратное рассеяние. Дихроичное зеркало DMLP550 отражает излучение 532 нм к объективу, а более длинноволновую Stokes-компоненту пропускает в канал регистрации. После него longpass-фильтр FEL0550 отсекает остаточную Rayleigh-линию. Для такого разделения запас по подавлению критичен: Raman-сигнал слаб относительно упруго рассеянного света, а утечки лазерной линии быстро занимают динамический диапазон приёмника.
Собранный свет коллимируется ахроматом с фокусным расстоянием 19 мм и поступает через щель 100 мкм в surplus-модуль B&W Tek BTC100-2S. У этой позиции есть существенная практическая оговорка: BTC100-2S — старый спектрометр, параметры конкретного экземпляра и его фактический рабочий диапазон требуется проверять отдельно. Для использованной конфигурации заявлен Stokes-диапазон примерно 600–3000 см⁻¹. Этого достаточно для многих органических веществ, полимеров и демонстрационных минеральных образцов, но границы задаются суммарно фильтрами, спектрометром и геометрией тракта.
Программная часть переводит длины волн в Raman shift, удаляет космические выбросы, вычитает флуоресцентный фон методами ALS, arPLS или SNIP, сглаживает и нормализует данные. Для выделения линий предусмотрена аппроксимация профилем pseudo-Voigt. На показанных измерениях различимы спектры алмаза, полипропилена, полиэтилена, спиртов, парацетамола и β-каротина. Эти результаты демонстрируют работу тракта, но метрологические характеристики пока не раскрыты: отсутствуют численные данные о спектральном разрешении, отношении сигнал/шум, пределе обнаружения и повторяемости.
Особенно наглядна проверка на таре. Стеклянная бутылка даёт сильный вклад кремнезёма, пластиковая добавляет собственные полимерные полосы, а смещение фокуса меняет соотношение сигнала жидкости и стенки. В Raman-измерении контейнер, подложка, загрязнение объектива и поглощающий свет beam dump входят в оптическую систему наравне с образцом.
Главное ограничение прототипа связано со щелью 100 мкм: она ограничивает разрешение и усложняет разделение близких линий. Автор также отмечает паразитный свет и недостаточную жёсткость магнитной юстировки. Лазер относится к классу 3B, поэтому тракт требует закрытого исполнения и сертифицированных защитных очков, рассчитанных на 532 нм. 3D-печать заметно снижает стоимость механики, но дихроики, качественные longpass-фильтры, спектрометр и лазерная безопасность остаются определяющими частями бюджета и результата.