[發明專利]激光雙軸共焦布里淵-拉曼光譜測量方法與裝置

有效

• 申請號: 201410086332.6
• 申請日: 2014-03-10
• 公開（公告）號: CN103940799A
• 公開（公告）日: 2014-07-23
• 發明（設計）人: 王允;趙維謙;邱麗榮
• 申請（專利權）人: 北京理工大學
• 主分類號: G01N21/65
• 分類號: G01N21/65;G01J3/44
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本發明屬于顯微光譜成像技術領域，將雙軸共焦顯微技術與光譜探測技術相結合，涉及一種“圖譜合一”的激光雙軸共焦布里淵-拉曼光譜測量方法與裝置，可用于樣品的微區機械形態性能多參數綜合測試與高分辨成像。

技術背景

當光通過介質時，介質粒子受光波的作用，從一個量子態躍遷到另一個量子態，并同時輻射出散射波，不同的能級躍遷方式分別產生了瑞利散射、反斯托克斯散射和斯托克斯散射，根據與入射光波長改變量程度將光散射分為：瑞利散射（Rayleigh）、拉曼散射（Raman）及布里淵散射（Brillouin）。

瑞利散射中光與聲頻支聲子交換能量較小，能量變化小于10^-5cm^-1，布里淵散射中光與聲頻支聲子交換能量較小，布里淵散射頻移0.01～2cm^-1，能量變化在10^-5cm^-1～1cm^-1。拉曼散射中光與光頻支聲子交換的能量大，拉曼散射頻移為10～5000cm^-1，拉曼散射能量變化大于1cm^-1。

拉曼光譜是由分子內部振動而引起的散射光譜，不同物質會有其各自的特征拉曼光譜即“指紋譜”，本項目通過測得的拉曼散射光譜的頻率、強度、線形以及偏振狀態變化，來獲得材料的成分、微結構和內部運動信息等，繼而實現材料成分、應力、溫度、異物的測量。

布里淵散射光譜是由光致熱激發聲學聲學聲子，再由光波與介質中的聲學聲子發生相互作用而產生的一種散射光譜，布里淵(Brillouin)散射以光子為探針，可測量凝聚態物質中聲子、自旋波等多種元激發，其能譜范圍介于拉曼和瑞利散射之間(0.01～1.0cm^-1)，是研究物質基本性質(彈性、磁性、相變)及多種交叉效應(壓電、磁彈、光彈等)的重要手段。此技術已被歐美等發達國家廣泛使用在凝聚態材料的基礎和應用研究中。近年來，布里淵散射研究也為集成鐵電學和自旋電子學的誕生和發展做出了重要貢獻。

布里淵散射光譜是光波與介質中的聲學聲子發生相互作用（密度漲落密度漲落）而產生的一種散射光譜，是由分子的彈性振動（外振動和轉動）,通過測得布里淵散射光譜信息便可測得微細加工中物質基本性質(彈性、磁性、相變)及多種交叉效應(壓電、磁彈、光彈等)，繼而實現材料應力、彈性參數、密度等測量。

在多性能參數測量中，會因所測材料和所測參數不同，拉曼散射光譜探測技術和布里淵散射光譜探測技術個有所長，通過合理的設計可形成優勢互補。在微細結構的層析測量方面，共焦拉曼光譜探測技術測量精度高，但只能測透明和部分透明樣品的內部信息。因而利用拉曼散射和布里淵散射光譜是實現微細結構材料多性能參數測量的關鍵。

目前，商用的激光共焦拉曼光譜測試儀器主要有英國RENISHAW等生產。傳統共焦拉曼光譜探測儀的原理為光源系統發出激發光束利用聚焦物鏡會聚，聚焦在被測樣品上，對樣品進行正入射激發照明，激發出載有樣品光譜特性的拉曼散射光，通過位于與聚焦物鏡焦點相共軛的針孔濾波后被光譜儀接收，獲得被測樣品的高度和光譜信息，通過三維掃描系統移動被測樣品，探測被測樣品不同區域的拉曼散射光進而獲得被測樣品的形貌和光譜信息。

但現有的共焦拉曼顯微技術存在如下不足：

（1）空間分辨能力不高，僅達1μm左右。激光激發的拉曼光譜的強度信號很弱，比遺棄的銳利光束的強度低6個量級左右，因而為了探測到極弱的拉曼信號，共焦拉曼光譜探測系統的針孔的孔徑通常在左右，遠大于現有共焦顯微鏡10μm左右針孔孔徑值，其結果使現有的共焦拉曼光譜的空間分辨力僅達1μm，并自共焦拉曼光譜探測技術發明的二十多年來一直未有根本性的改變。

（2）捕獲焦點激發的拉曼光譜能力差。共焦拉曼光譜探測系統，由于在極值點處強度響應不靈敏，其很難真正捕獲到焦點處激發的樣品的拉曼光譜信息，因而限制了現有共焦拉曼光譜探測的空間分辨能力；

（3）探測時間長，系統漂移大。由于共焦拉曼光譜信號很弱，進行圖譜成像時探測器需進行長期的積分（常達數小時），光學系統及樣品工作臺的漂移，常會造成樣品離焦，繼而降低了共焦拉曼光譜探測的空間分辨能力；

（4）樣品雜散光較強，影響了拉曼光譜探測儀器的信噪比?，F有的共焦拉曼光譜探測儀器，由于采用了背向反射樣品探測方式和入射激發光路與散射光探測光路完全共光路的方式，其勢必存在樣品雜散光干擾大的不足，限制了現有共焦顯微鏡對高散射樣品的光譜探測能力；