現在，有好幾種光譜方法可用來監視化學反應和化學過程。應用范圍包括聚合物的生產、礦物燃料的精煉、以及很多其它有機和無機物質的反應。?
最近，實時測量光譜技術也在制藥工業部門受到特別重視。?
·美國食品藥品管理局的過程分析技術部已經開始責成藥品制造商，要實時監視藥品生產過程，而不是單純依靠最后的產品測試。?
要檢測的過程包括合成反應、混合過程，和在最后的藥片中各活性成分的比例。?
為達到以上目的，需采用拉曼光譜技術，通過光纖探頭對上述過程進行測量；當在惡劣環境中采用該技術時，需對這樣的探頭進行仔細地設計，仔細地挑選合適的光學和光機材料。?
拉曼探測光學系統?
在監視化學變化方面，拉曼光譜技術與其它技術相比優勢十分明顯。在采用中紅外(通常是傅立葉變換-IR，或FT-IR)和近紅外吸收技術測量時，均需要進行比較。?
與散射光技術一樣，拉曼技術沒有FT-IR所要求的樣品厚度問題。拉曼測量通常在可見或近紅外區域(450-1100nm)允許采用石英光纖。?
從化學家的觀點來看，拉曼光譜包含了基本的振動模態，而不是在近紅外光譜中所觀察到的倍頻和幾種分子振動頻率的組合，這使得光譜數據更容易與分子結構聯系起來。?
拉曼光譜技術的主要缺點是靈敏度低，一般用于分析濃度為1%到10%的分析物。光纖探頭使拉曼譜能夠進行遠距離測量。在工廠里，測量點和控制室(通常里面裝有光譜儀)之間的距離一般小于150米。?
石英光纖相對便宜、堅固和易得，可以用它把樣品和光譜儀連接起來。在光纖末端，需要有濾光和聚焦光學系統，以有效地激勵和收集拉曼散射，同時阻擋不需要的光子。?
早期的拉曼光纖探頭含有光纖束，通常用當中的光纖去激勵樣品，用一根或多根光纖來收集背散射光。這些光纖束探頭體積小，價格便宜；但它們的收集效率通常較低，濾波也不夠充分。?
今天，大多數商品性拉曼光纖探頭采用的是同軸設計，將光學元件放在激勵和收集光纖之間的光路中。其目的是要濾掉很強的瑞利線(彈性散射)和減小石英背景。
?這些探頭使用一根帶有激光器的激勵光纖，和一根將拉曼散射耦合到攝譜儀的收集光纖。一個透鏡既作為激勵光束的聚焦光學元件，又作為背散射光的收集光學元件。?
最初，雙光纖同軸探頭作為多目的取樣工具，是為各種環境和軍事應用而設計的(見圖1、2）。?
該探頭在光學方面的主要優點是能使瑞利線大大減弱(該濾光系統的光學密度超過8)，并有效地收集拉曼散射和體積小(直徑12.5毫米)。每個探頭為某激勵波長設計，并將三種類型的光學濾波器結合在一起(通帶型、雙色性型和長通型)。?
這個綜合性光學濾波器可用來消除石英背景光和在激勵樣品前來自激勵光束的亂真輻射，以及從收集到的散射光中濾掉瑞利線。?
在整個探測過程中，均采用硬膜金屬氧化物濾光器，以防溫度和濕度產生不良影響。?
在拉曼探頭中，我們采用了各種尺寸的光纖，以在激光輸出和攝譜儀入口之間在光學上實現很好的匹配。?
對于最高的拉曼信號，收集光纖的纖芯至少是激勵光纖纖芯的兩倍。這樣，探頭的測量體積在沿光軸方向就被拉長了。??
承受高溫和高壓?
近年來，拉曼光纖探頭最重要的應用領域是在光機工程方面。其目的是使探頭能在高溫和高壓條件下，經得起化學介質的浸泡。?
為了解決這個問題，人們采用了兩種不同的方法。最簡單而且光學效率最高的方法是用一個護套把整個探頭包起來。護套可用不銹鋼、鎳基合金制造，甚至用陶瓷和聚合物制作，以防化學腐蝕。
?頂端裝有光學窗口，讓激勵光束和收集光束通過。探頭通常采用人造橡膠圓環（O-rings）、黃銅或金墊圈，以保證窗口密封。密封材料與物理、化學環境的兼容是十分重要的。??
人造融熔石英(SFS)是用于拉曼測量的最好光學窗口。 但是，SFS不是特別堅固,在高壓條件下，需要采用很厚的窗口。強酸和其它腐蝕性性的化學物質也會侵襲SFS。?
在實際應用領域，藍寶石用得更加普遍。藍寶石極為堅固,是高壓條件下的理想窗口，對化學腐蝕的抵抗力也較強，包括能抗強酸。將鎳基合金C和藍寶石組合起來，就可以在腐蝕性介質環境下使用。?
但從光學角度看，藍寶石并不理想，因為它的折射率較高，透過率較小；在窗口的內表面鍍上反射膜，可減小反射損失。?
對藍寶石的等級必須仔細挑選，以避強輻射帶將拉曼譜淹沒。在大多數腐蝕性的化學環境中或極端高壓的條件下，必須采用鉆石窗口。人們通常挑選IIA型鉆石，以避免由激光激勵所引起的熒光。因為鉆石本身具有一條非常強的拉曼帶，而且材料相對昂貴，因此僅在一些不合適使用藍寶石的應用中才會用它。?
這些工業拉曼探頭能在大于2000C和1500psi的極端環境下工作。因為光學元件放在沉浸套的頂端，光損失最小，而且探頭長度可以做得很長（最近設計的一個探頭長達3.5米，是用于監視燃燒過程的）。探頭/護套分開的結構可使用戶通過調節焦點和窗口之間的距離來設定工作距離(見圖2)。?
用于測量透明和不透明樣品的各種沉浸光學系統包括：長工作距離模式(左邊)、短工作距離模式(當中)和在InPhotonics開發的裝在緊配合密封墊中雙面凸透鏡(圖右)。透鏡的光學性質不會因緊配裝配而變差。?
對于透明溶液，工作距離不是關鍵。對于不透明樣品(散射或吸收樣品)，欲獲得最佳拉曼信號，要求工作距離較短。??
準直擴大功能?
制作可浸入拉曼光纖探頭的另一個方法是：將光束準直，讓它通過裝有最后聚焦光學系統的管道，把探頭放置在化學過程之外。?
這種設計可確保光學濾光器離開熱源有一個安全距離，能對高溫過程進行測量。這種設計還允許采用更窄、窗口更小的沉浸管，以承受更高的壓力(高達5000 psi)。?
可在這類探頭的頂端采用各種各樣的聚焦光學系統。用一個平的窗口封住金屬管，再對特殊的溶液安放透鏡，以實現最佳工作距離。?
另外的選擇是：采用單個光學元件，既作為窗口又作為透鏡。
?現已查明：對于各種各樣的不透明樣品，采用球透鏡能實現滿意的聚焦。?
球透鏡的優點包括可重復產生測量體積，焦點靠近窗口表面，對對準的要求不太苛刻。?
一個6.35毫米直徑的藍寶石球透鏡，后焦距0.475毫米，對不透明溶液來說，這樣的透鏡是很理想的。?
對4.5毫米的準直光束來說，該透鏡的數值孔徑(NA)為0.62。這與在平面窗口里面安裝f/1透鏡的情況相比，所獲得的光學效率更高。在平面窗口里面安裝f/1透鏡時，NA為0.22(與光纖NA相同)。??
裝配好的緊配合密封墊
?在球透鏡情況下，準直光束離開光軸的移動，會在球透鏡另一側移動焦點，但不會影響焦點大小。?
因此，對實時拉曼光譜技術來說，球透鏡是非常好的光學元件。但是球透鏡的安裝，不像安裝平面光學元件那樣直截了當，特別是由于化學兼容性不好而不能使用人造橡膠圓環（O-rings）時，球形光學元件的安裝就更加復雜。?
作為一種解決方案，InPhotonics公司已將它自己開發的雙凸透鏡設計成與裝配好的緊配合密封墊(正在申請專利)相匹配，同時保持球透鏡的光學性質不變。??
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