鎖相放大器在拉曼光譜的應用
應用說明
拉曼光譜是一種能提供豐富化學資訊的分析方法，特別適用於探測樣品的振動能階，進而對（生物）化學系統進行分子指紋識別。透過控制樣品的環境參數（例如溫度），還可以獲取分子間相互作用的資訊。
由於其方法簡單，拉曼光譜可與顯微技術結合，進行具有化學對比度的樣品成像。
拉曼光譜的原理基於光與樣品發生非彈性散射。入射光使樣品分子進入虛能態，隨後在衰變過程中產生散射光。若分子最終態與初始態不同，散射光的波長便會發生位移。這種位移可以向長波方向（Stokes 位移）或短波方向（anti-Stokes 位移）發生。波長的變化量直接反映了樣品狀態間的能量差。
結合吸收光譜與光致發光（PL）等其他技術，拉曼光譜可提供樣品完整的光譜特性資訊。此外，還能藉由監測特定拉曼峰的強度變化，觀察樣品的動態過程。
測量策略
非彈性散射光的強度通常比彈性散射光低數個數量級，這使得信號偵測成為拉曼光譜的主要挑戰。為克服此問題，樣品通常需使用雷射照射，不僅提高散射訊號強度，還能精確測量波長位移及其強度。在偵測前也必須使用光學濾波器，以去除主要的彈性散射光並選擇性地傳遞目標散射光。
在拉曼光譜的兩個關鍵階段（樣品照射與散射光偵測）之間，Zurich Instruments 的鎖相放大器扮演著關鍵橋樑的角色。
三種常見的測量方法
1. 調變轉移光譜（Modulation Transfer Spectroscopy）
鎖相偵測可在強背景信號中提取微弱信號。這需要對入射光進行調變（振幅、頻率或相位），可藉由光學調變器實現。調變訊號會傳遞至散射光中，隨後利用鎖相放大器將其提取並與背景分離。
優點：
可解析被雜訊或螢光背景掩蓋的微弱拉曼訊號。
2. 非線性泵浦-探測成像（Non-linear Pump-Probe Imaging）
透過泵浦與探測脈衝（例如 Stokes 脈衝）並設計其頻率差與振動共振，能相干激發振動態。保持脈衝時間與相位關係的精準同步，是觸發多光子過程的關鍵。**受激拉曼散射（SRS）與相干反斯托克斯拉曼散射（CARS）**即屬於此類方法。
對雷射束進行調變後，鎖相偵測可獲得受激拉曼增益或損失。作為替代方案，Boxcar 平均器可捕捉短脈衝信號並濾除未同步的雜訊。
優點：
具有高訊噪比，可觀測如催化反應等快速過程，甚至達到影片幀率。
3. 掃描近場光學顯微鏡（SNOM）
將金屬探針靠近樣品表面可藉由近場效應大幅提升拉曼散射效率。此外，影像解析度取決於探針半徑，可低至 10 nm，遠低於光學繞射極限。此方法亦稱為探針增強拉曼光譜（TERS）。
**Zurich Instruments 鎖相放大器的相位鎖定迴路（PLL）**是保持探針共振振盪、達到最高靈敏度的關鍵。
優點：
具有極高空間解析度，適用於奈米尺度的化學成像。
產品亮點
UHFLI 600 MHz 鎖相放大器
- 2× DC–600 MHz、12 位元電壓輸入
- 2× Boxcar 平均器單元（需搭配 UHF-BOX 選配）
- 30 ns – 76 s 低通濾波時間常數
- 支援 Python、MATLAB、LabVIEW、C、.NET 程式控制 API
選擇 Zurich Instruments 的優勢
- 所有上述測量策略皆可無縫整合並在實驗中測試。
- 可透過 LabOne® DAQ 工具直接構建影像，並利用鎖相放大器同步觸發掃描器。
- 內建 PLL/PID 控制器，可實現雷射穩定等控制迴路。
- UHFLI 支援鎖相偵測與 Boxcar 平均同時運行，並可直接比較兩種策略。
- 對於低重複率或預算有限的應用，HF2LI (50 MHz) 或 MFLI (500 kHz / 5 MHz) 是具成本效益的選項。
- UHFLI 可達 影片掃描速率，其高達 5 MHz 解調頻寬可支援亞微秒像素停留時間。
- 多重輸入級的類比電子設計可最小化輸入雜訊、最大化訊噪比。
- LabOne Plotter 工具可顯示訊號振幅的時間變化，協助雷射對準。
- 高速數位資料傳輸（USB 或 GbE）可直接在 LabOne 介面或 API 中記錄資料，無需額外數位化卡。
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