[發明專利]一種高空間分辨共焦拉曼光譜探測方法與裝置

有效

• 申請號: 201310027359.3
• 申請日: 2013-01-21
• 公開（公告）號: CN103105231A
• 公開（公告）日: 2013-05-15
• 發明（設計）人: 趙維謙;崔晗;邱麗榮;王允
• 申請（專利權）人: 北京理工大學
• 主分類號: G01J3/44
• 分類號: G01J3/44
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本發明屬于光學顯微成像及光譜測量技術領域，涉及一種高空間分辨共焦拉曼光譜探測方法與裝置，可用于各類樣品的三維形貌重構及微區光譜探測。

技術背景

激光共焦拉曼光譜測試技術是將顯微分析技術與拉曼光譜分析技術結合起來的新技術，它將入射激光通過顯微鏡聚焦到樣品上，從而可以在不受周圍物質干擾的情況下，獲得所照樣品微區的分子結構等，被稱為分子探針。它不僅可以觀測樣品同一層面內不同微區的拉曼光譜信號，還能分別觀測樣品內深度不同的各個層面的拉曼信號，對被測樣品進行斷層掃描，從而在不損傷樣品的情況下達到進行“光學切片”的效果。激光共焦拉曼光譜測試技術由于其無損光譜層析成像能力及高分辨率，已廣泛應用于物理、化學、生物醫學、石油化工、環境科學、材料科學、地質、刑偵和珠寶等領域。

目前，典型的激光共焦拉曼光譜探測儀的原理如圖1所示，激光器發出光束后，經過第一聚光鏡、第一針孔后、第二聚光鏡后擴束成為平行光，透過第一分光系統、四分之一波片、物鏡后，聚焦在被測樣品上，激發出載有樣品光譜特性的拉曼散射光；移動被測樣品，使對應被測樣品不同區域的拉曼散射光再次通過四分之一波片并被第一分光系統反射，經第四聚光鏡聚焦到第三針孔后，由第五聚光鏡匯聚到第一光譜儀，從而，測得載有被測樣品光譜信息的拉曼散射光。

現有激光共焦拉曼光譜探測儀存在以下問題：1、為了減小拉曼散射光的能量損失，系統中選取的針孔通常在150μm～200μm之間，系統利用共焦方式進行焦點定位，針孔尺寸直接影響共焦軸向定位曲線的半高寬，針孔尺寸較大導致系統定焦精度降低，即降低空間分辨力；2、利用微弱的拉曼散射光進行定位，降低了系統的靈敏度；3、在長時間光譜探測過程中，系統容易受環境等因素影響發生漂移，產生離焦，降低系統空間分辨力；4、系統只可進行光譜探測，模式單一。上述原因限制了共焦拉曼光譜顯微系統探測微區光譜的能力，制約了共焦拉曼光譜技術的進一步發展。

基于上述情況，本發明提出共焦探測系統利用現有共焦拉曼光譜探測系統收集到的樣品散射光中遺棄的強于樣品拉曼散射光10³～10⁶倍的瑞利光束進行高精度探測，使其與拉曼光譜探測系統有機融合，以期實現高空間分辨共焦拉曼光譜成像與探測，而實現高空間分辨力的光譜探測是目前光譜顯微測試領域亟待解決的問題，具有極其重要的理論和學術價值。

本發明專利的具體思路是：將激光共焦技術與拉曼光譜探測技術有機結合，共焦系統利用系統收集到的樣品散射光中的瑞利光束對聚焦光斑的焦點進行實時跟蹤與空間位置探測，拉曼光譜探測系統利用系統收集到的樣品的散射光中的拉曼散射光進行光譜探測，然后再將共焦探測系統信號與拉曼光譜探測系統信號有機融合，從而實現激光共焦拉曼光譜系統高空間分辨探測。

發明內容

本發明的目的是：為了克服現有共焦拉曼光譜探測技術空間分辨力難以提高的不足，提出一種具有高空間分辨力的共焦拉曼光譜探測方法和裝置。

本發明的目的是通過下述技術方案實現的。

本發明提供了一種高空間分辨共焦拉曼光譜探測方法，利用二向色分光系統將系統收集到的散射光分離為瑞利光和拉曼散射光，瑞利光進入共焦探測系統進行焦點定位，拉曼散射光進入拉曼光譜探測系統進行光譜探測，利用共焦曲線最大值M與焦點O位置精確對應這一特性，通過尋找最大值來精確捕獲激發光斑焦點位置的光譜信息，實現高空間分辨的光譜探測，該方法的具體實現步驟如下：

1）通過激發光束產生系統產生激發光，經過第一分光系統、物鏡后，聚焦在被測樣品上，并激發出瑞利光和載有被測樣品光譜特性的拉曼散射光；

2）移動被測樣品，使瑞利光及對應被測樣品不同區域的拉曼散射光再次經過物鏡，并被第一分光系統反射至二向色分光系統，經二向色分光系統分光對拉曼散射光和瑞利光進行分離；

3）瑞利光被二向色分光系統反射進入共焦探測系統，利用共焦探測系統中的第一探測器，測得反映樣品凹凸變化的強度響度相應I（ν,u），即可進行三維尺度層析成像測試，其中，v為橫向歸一化光學坐標，u為軸向歸一化光學坐標；

4）拉曼散射光經二向色分光系統透射進入拉曼光譜探測系統，利用拉曼光譜探測系統測得載有被測樣品光譜特性的拉曼散射信號I（λ），即可進行光譜測試，其中λ為波長；

5）將I（λ）、I（ν,u）傳送到數據處理模塊進行數據處理，從而獲得包含被測樣品位置信息I（ν,u）和光譜信息I（λ）的三維測量信息I（ν,u,λ）；