在生物医学领域,拉曼光谱学越来越多地应用于目标样本或组织的在体原位无损探测。拉曼探头作为重要的拉曼检测部件,正朝着多样化和功能化方向发展。拉曼信号本身极其微弱,且易被其他噪声信号干扰,因此拉曼探头的设计生产要求极高。对现有拉曼探头的设计及构造进行了深入介绍,包括光纤选择、探头顶端设计、过滤膜/片添加和探头后端优化等;综述了拉曼探头技术在生物医学领域的拓展和应用。其中,拉曼与其他光谱或成像模式结合的探头应用,给生物医学及临床探测等领域带来了新的活力和广阔的应用前景。

从手持/便携式角度出发, 采用双光纤光路设计了激光拉曼测试装置中的探头, 并确定关键器件性能、型号及尺寸.利用Zemax软件进行光学模拟仿真, 得到入射光路的工作焦距为13.5 mm, 像方数值孔径为0.23; 收集光路的像面焦距为13.46 mm, 数值孔径为0.235.用SolidWorks软件进行机械设计, TracePro软件进行探头整体光路模拟, 通过计算机数字控制机加工和3D打印两种方式制作得到整体尺寸为50 mm×33.5 mm×17 mm的探头.用设计的拉曼探头对酒精样品进行了测试, 测得酒精拉曼光谱与商用产品测得的结果基本一致, 且在200~300 cm－1波数范围内有更好的信号表现.对K粉及冰毒进行了拉曼光谱测试, 实测数据与理论数据基本一致.实验结果表明拉曼探头的设计达到了预期效果, 并具有良好的性能.

利用光线追迹法, 研究了典型光纤拉曼探头在纳米结构损伤限制下收集到的表面增强拉曼散射(SERS)功率与样品位置之间的关系。 结果表明, 对于不同焦距构成的同轴等光程光纤拉曼探头, 在给定的纳米结构损伤阈值激发光功率密度下, 样品偏离焦平面反而会使探头收集到的SERS功率增加, 相比于样品远离探头方向偏离焦平面, 靠近探头方向 偏离焦平面时收集到的SERS功率更高。此外, 收集光纤芯径越大, 探头所收集的SERS功率越大。

针对所研制的微型拉曼光谱仪的特定要求，数值孔径为0.04和工作波长在781~1014 nm，设计了两款与单色仪配套的外光路光学系统：球面系统，非球面系统。收集光路采用单透镜，会聚光路采用“厚双胶合透镜”形式的摄远光学结构，会聚系统的摄远比达到0.59，极大地缩短了系统的尺度。设计结果表明，采用传统球面设计时，光学系统的物方数值孔径达到0.33，点斑半径小于30 μm，像面相对照度在80%以上；加入了非球面之后，物方数值孔径达到0.4，点斑半径小于20 μm，像面相对照度在80%以上。光学系统总长150 mm，满足小型化和便携式的要求。