[发明专利]激光共焦布里渊-拉曼光谱测量方法与装置

摘要

本发明属于显微成像及光谱测量技术领域，将共焦显微技术与光谱探测技术相结合，涉及一种“图谱合一”的高分辨光谱成像与探测方法及装置，可用于各类样品的三维形貌重构及微区形态性能参数测量。该方法与装置利用传统共焦拉曼系统遗弃的瑞利光采用共焦技术对样品进行位置探测，光谱探测系统进行光谱探测，利用传统共焦拉曼光谱探测技术遗弃的布里渊散射光对材料的弹性和压电等性质进行测试，从而实现样品微区高空间分形态参数测量。本发明具有定位准确，高空间分辨力，光谱探测灵敏度高和测量聚焦光斑尺寸可控等优点，在生物医学、法庭取证、微纳制造、材料工程、工程物理、精密计量、物理化学等领域有广泛的应用前景。

主权项

激光共焦布里渊‑拉曼光谱测量方法，其特征在于：利用二向色分光系统将拉曼散射光从瑞利光和布里渊散射光中分离出来，瑞利光和布里渊散射光经分光镜分束后一部分进入共焦探测系统进行焦点定位，另一部分进入布里渊光谱探测系统进行布里渊光谱探测，拉曼散射光进入拉曼光谱探测系统进行拉曼光谱探测，利用共焦曲线最大值M与焦点O位置精确对应这一特性，通过寻找最大值来精确捕获激发光斑焦点位置的光谱信息，实现高空间分辨的光谱探测，该方法的具体实现步骤如下： 1)通过激发光束产生系统(1)产生激发光，经过第一分光系统(2)、物镜(3)后，聚焦在被测样品(4)上，并激发出瑞利光、载有被测样品光谱特性的拉曼散射光以及布里渊散射光； 2)移动被测样品(4)，使瑞利光及对应被测样品不同区域的拉曼散射光、布里渊散射光再次经过物镜(3)，并被第一分光系统(2)反射至二向色分光系统(6)，二向色分光系统(6)将拉曼散射光与瑞利光、布里渊散射光进行分离； 3)瑞利光和布里渊散射光被二向色分光系统反射进入第二分光系统(8)，经第二分光系统(8)透射的瑞利光和布里渊散射光进入共焦探测系统，利用共焦探测系统中的探测器(17)，测得反映样品凹凸变化的强度响度相应I(ν,u)，即可进行三维尺度层析成像测试，其中，v为横向归一化光学坐标，u为轴向归一化光学坐标； 4)经第二分光系统(8)反射的瑞利光和布里渊散射光进入布里渊光谱探测系统(9)，利用布里渊光谱探测系统(9)测得载有被测样品(4)特性的布里渊散射信号I(λ_B)，即可进行布里渊光谱测试，其中λ_B为布里渊光谱波长； 5)拉曼散射光经二向色分光系统透射进入拉曼光谱探测系统(7)，利用拉曼光谱探测系统(7)测得载有被测样品特性的拉曼散射信号I(λ_r)，即可进行拉曼光谱测试，其中λ_r为拉曼光谱波长； 6)将I(ν,u)、I(λ_r)和I(λ_B)送到数据处理模块(11)进行处理，从而获得包含被测样品位置信息I(ν,u)和光谱信息I(λ_r)、I(λ_B)的三维测量信息I(ν,u,λ_r,λ_B)； 7)使被测样品(4)沿x、y方向扫描，物镜(3)沿z方向扫描，重复上述步骤测得对应物镜焦点位置附近的一组i个包含位置信息I(ν,u)和光谱信息I(λ_r)、I(λ_B)的序列测量信息{I_i(λ_r,λ_B)，I_i(ν,u)}； 8)利用可分辨区域δ_i对应的位置信息I_i(ν,u)，找出对应δ_i区域的光谱信息I_i(λ_r,λ_B)值，再依据v与横向位置坐标(x,y)的关系以及u与轴向位置坐标z的关系，重构反映被测物微区δ_i三维尺度和光谱特性的信息I_i(x_i,y_i,z_i,λ_ri,λ_Bi)，即实现了微区δ_min的光谱探测和三维几何位置探测； 9)对应最小可分辨区域δ_min的三维尺度和光谱特性由下式确定： 即实现了高空间分辨共焦布里渊、拉曼光谱探测。