[發明專利]激光差動共焦布里淵-拉曼光譜測量方法及裝置

在審

• 申請號: 201410086354.2
• 申請日: 2014-03-10
• 公開（公告）號: CN103926233A
• 公開（公告）日: 2014-07-16
• 發明（設計）人: 趙維謙;盛忠;邱麗榮;王允
• 申請（專利權）人: 北京理工大學
• 主分類號: G01N21/65
• 分類號: G01N21/65;G01N21/19
• 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，將差動共焦顯微技術與光譜探測技術相結合，涉及一種“圖譜合一”的高分辨光譜成像與探測方法及裝置，特別涉及一種激光差動共焦布里淵-拉曼光譜測量方法及裝置，可用于樣品的微區形態參數綜合測試與高分辨成像。?

技術背景

1990年G.J.Puppels等在Nature期刊報道其發明的將拉曼光譜探測技術與激光共焦顯微技術結合的激光共焦拉曼光譜顯微技術，是拉曼技術的一次革命性突破。該技術既繼承了共焦顯微術的高分辨層析成像特征，又可以對樣品進行光譜分析，因此可以實現對樣品微區光譜的高分辨層析探測。此顯著優點使激光共焦拉曼光譜顯微技術在光譜測試領域獨樹一幟，并且迅速發展為一種極其重要的樣品結構與成分分析的重要手段,使之廣泛應用于化學﹑生物學﹑醫學、物理學﹑地質學、法庭取證、刑偵學等學科的前沿基礎研究中。?

目前，典型的激光共焦拉曼光譜探測儀的原理如圖2所示，激光沿光路依次聚光鏡聚焦、針孔、準直透鏡、偏振分光棱鏡、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偏振分光棱鏡反射，進入共焦拉曼光譜探測系統進行光譜探測。?

現代科技的快速發展對微區光譜探測能力及空間分辨探測能力提出了更高的要求，若要提高空間分辨力，必須對系統進行精確定焦。在光學探測系統中，當測量聚焦光斑位于焦點時其尺寸最小，激發光強最強，因此為了獲得高空間分辨力，必須能夠捕獲到激發光強最強處的光譜，從而獲得其最佳空間分辨力和最優的光譜探測能力。如圖1所示，現有的共焦顯微技術在激光激發焦點O附近的BB′區域內，均能激發出樣品的拉曼光譜，并能被針孔后的光譜探測系統探測。因而共焦拉曼光譜顯微技術的實際探測位置往往處于共焦曲線（61）中離焦的BA和A′B′區，從而導致實際探測的“微區”遠大于測量光束焦點O處光斑尺寸，同時，應用拉曼光譜進行共焦定位信噪比較低，并且由于針孔的遮擋作用會進一步降低拉曼光譜的能量，而擴大針孔尺寸提高光譜通過率則會增加?共焦軸向定位曲線的半高寬，降低其定位精度，而現有共焦拉曼系統中的共焦針孔尺寸通常在150μm～200μm之間，所用針孔尺寸相對較大，亦不能很好的起到定焦作用。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，制約了其在更精細微區光譜測試與分析場合中的應用，因而提高系統的定焦精度是提高其空間分辨力的關鍵。?

1996年Kimberley?F等人在《Description?and?Theory?of?a?Fiber-Optic?Confocal?and?Super-Focal?Raman?Microspectrometer》中提出用光纖束代替共焦拉曼光譜顯微鏡的針孔的方法，實現“針孔”尺寸的非機械調節，其在擴大“針孔”時，并不降低系統的光譜分辨力；2007年E?Kenwood?Blvd等在《Very?efficient?fluorescent?background?suppression?in?confocal?Raman?microscopy?Department?of?Physics》中提出通過使用3-4ps的皮秒激光器結合相應的瞬時曝光技術使樣品測量的熒光背景降低了約3個數量級，提高了共焦拉曼光譜顯微術的分辨力；2008年N.Everall等在《The?Influence?of?Out-of-Focus?Sample?Regions?on?the?Surface?Specificity?of?Confocal?Raman?Microscopy》中指出采用大數值孔徑（NA=1.4）油浸物鏡，可獲得了比傳統共焦拉曼光譜儀更高的軸向分辨力和信噪比，但是這種方法需要對樣品進行制片，不能實現非接觸和無損測量，限制了系統的應用范圍；2009年M.J.Pelletier和Neil?J.Everall等在《Control?of?Out-of-Focus?Light?Intensity?in?Confocal?Raman?microscopy?using?optical?preprocessing》中提出利用校正物鏡或結構光瞳掩模消除了離焦位置拉曼散射的光譜強度的干擾，提高了光譜探測效率，大大降低了共焦拉曼系統離焦拉曼光譜對其有效深度分辨力的影響。?

上述研究，主要集中在共焦拉曼光譜顯微系統涉及的光源系統、光譜探測系統、聚焦物鏡系統、光譜信息處理等方面，雖然改善了光譜系統的總體性能，但在共焦拉曼光譜系統空間分辨能力的方面卻沒顯著改善，提高拉曼光譜系統的空間分辨力仍是懸而未決的問題。?