Yksittäisiä fotoneita havaitsevan CMOS-teknologiaan pohjautuvan viivasensorin suorituskyky Raman-spektroskopian sovelluksissa

Raman-spektroskopia on tehokas optinen työkalu, joka hyödyntää erästä laservalon ja materiaalin vuorovaikutusmekanismia (Raman-sirontaa) erilaisten näytteiden kemiallisen koostumuksen määrittämiseksi. Raman-spektroskopian suurena haasteena on ollut useiden näytteiden laservalon aiheuttama voimakas taustasäteily (fluoresenssi), joka voi peittää alleen itse Raman-signaalin. Tehokas keino vähentää taustasäteilyn vaikutusta mitattuun Raman-spektriin on erotella taustasäteily ja Raman-signaali aikatasossa. Tätä varten tarvitaan sensori, joka pystyy erittäin tarkasti (alle sekunnin miljardisosan tarkkuudella) aikaleimaamaan näytteeltä saapuvien valohiukkasten saapumisajan sensorille.

Tässä työssä tutkittiin modernilla teknologialla valmistetun kompaktin sensorin, joka pystyy havaitsemaan ja aikaleimaamaan tarkasti yksittäisiä valohiukkasia, suorituskykyä Raman-spektroskopian sovelluksissa. Työssä ensimmäisenä tutkittiin eri tekijöiden vaikutusta kyseisellä teknologialla toteutettujen sensoreiden mittaamien Raman-spektrien laatuun. Dominoivaksi kohinalähteeksi voimakkaasti taustasäteilevien näytteiden mittauksia osoitettiin sensorin aikapoikkeamasta johtuva spektrien säröytyminen aikaisemmin yleisesti oletetun raekohinan sijaan.

Lisäksi työssä osoitettiin, että tutkitulla laitteistolla voidaan luoda kemiallisia kuvia Raman-spektroskopialle tyypillisesti haastavasti näytteistä, joilla on korkea taustasäteilytaso. Kemiallista kuvantamista työssä demonstroitiin kahdessa erilaisessa sovelluksessa. Ensimmäisessä sovelluksessa kartoitettiin harvinaisia maametalleja sisältävien mineraalien jakaumaa kivinäytteessä, joka oli kairattu eteläisessä Ruotsissa sijaitsevasta esiintymästä. Toisessa sovelluksessa taas onnistuttiin kemiallisen kuvantamisen keinon erottelemaan irrotetusta ihmishampaasta eri hammaskudostyypit toisistaan ja myös tunnistamaan hampaista alkava karies. Kyseisen sovelluksen ohessa myös osoitettiin, että tutkitulla Raman-spektrometrillä mitattujen spektrien laatu oli korkeampi kuin kaupallisella aikaleimaamiseen kykenemättömällä Raman-spektrometrillä mitattaessa.

Työssä myös osoitettiin sensorin toimivuus erikoisemmissa Raman-tutkaamisen ja Raman-syvyysprofiloinnin sovelluksissa. Raman-tutkaamisen aikana tutkittu Raman-spektrometri pystyy määrittämään metrien etäisyydellä olevan kohteen kemiallisen koostumuksen sekä etäisyyden senttimetriluokan tarkkuudella aikaleimatun Raman-signaalin avulla. Syvyysprofiloinnissa tutkitun spektrometrin tarkkuus mitattiin olevan millimetritasolla. Syvyysprofilointia demonstroitiin myös uudella datankeräysmenetelmällä, joka mahdollistaa entistä nopeamman syvyysprofiilien määrittämisen. Sekä Raman-tutkaamisella että Raman-syvyysprofiloinnilla on monia potentiaalisia sovelluskohteita esimerkiksi erilaisten teollisten prosessien valvonnassa.