后置分光瞳激光共焦布里渊-拉曼光谱测试方法及装置制造方法及图纸

技术编号:20093411 阅读:22 留言:0更新日期:2019-01-15 12:41
本发明专利技术涉及一种后置分光瞳激光共焦布里渊‑拉曼光谱测试方法及装置,属于显微光谱成像技术领域。通过共焦拉曼光谱探测系统中遗弃的瑞利散射光构建分光瞳激光共焦显微成像系统,实现样品几何形貌的高空间分辨探测;通过探测共焦拉曼光谱探测系统中遗弃的布里渊散射光获取被测样品的多种基本性质,从而对材料的弹性、密度、弹性等参数进行测量;利用分光瞳激光共焦显微成像系统获得的焦点位置来精确获取样品焦点处的光谱信息,进而实现“图谱合一”的分光瞳激光共焦布里渊‑拉曼光谱高空间分辨成像与探测;通过将共焦拉曼光谱探测技术与共焦布里渊光谱探测技术相融合,实现样品形貌性能多参数综合测量。

Brillouin-Raman Spectroscopy Test Method and Device for Post-Split Pupil Laser Confocal

The invention relates to a method and device for measuring Brillouin-Raman spectroscopy of post-splitting pupil laser confocal, belonging to the technical field of microscopic spectral imaging. A confocal laser imaging system for spectroscopic pupils is constructed by using the abandoned Rayleigh scattering light in confocal Raman spectroscopy detection system to achieve high spatial resolution detection of the geometrical morphology of the sample. By detecting the abandoned Brillouin scattering light in confocal Raman spectroscopy detection system, the basic properties of the sample are obtained, and the elasticity, density and elasticity of the material are measured. The focus position obtained by the confocal laser imaging system of spectroscopic pupil can accurately acquire the spectral information at the focus of the sample, thus realizing the high spatial resolution imaging and detection of the confocal Brillouin-Raman spectroscopy of the spectroscopic pupil, which combines the confocal Raman spectroscopy detection technology with the confocal Brillouin spectroscopy detection technology, and realizing the multi-parameter comprehensive measurement of the morphological properties of the sample. Quantity.

【技术实现步骤摘要】
后置分光瞳激光共焦布里渊-拉曼光谱测试方法及装置
本专利技术涉及一种后置分光瞳激光共焦布里渊-拉曼光谱测试方法及装置,属于显微光谱成像
,将后置分光瞳激光共焦显微技术、拉曼光谱探测技术以及布里渊光谱探测技术有机结合,涉及一种“图谱合一”的后置分光瞳激光共焦布里渊-拉曼光谱测试方法及装置,可用于对各类样品微区机械形态性能多参数进行高空间分辨探测等。
技术介绍
光子与物质中的声子相互作用时会发生散射效应,其中频率不发生变化的散射称为弹性散射(瑞利散射),频率发生变化的散射称为非弹性散射(拉曼散射与布里渊散射),其中拉曼散射与布里渊散射分别是光子与光学声子相互作用以及光子与声学声子相互作用的结果。瑞利散射中光子与声子交换能量较小,频移变化小于10-5cm-1,布里渊散射中光子与声学声子交换能量较小,布里渊散射频移变化在0.01~2cm-1之间。而拉曼散射中光子与光学声子交换的能量大,拉曼散射频移在10~5000cm-1之间。拉曼光谱是被测样品中的分子内部振动所引起的非弹性散射光谱,由于不同的样品对应不同的拉曼特征谱峰,因此拉曼光谱又称为“分子指纹谱”。通过测量拉曼光谱,对光谱的频移、强度、谱宽以及比值进行解耦,进而获得样品的组成成分、应力、应变、温度以及结构缺陷等信息。布里渊光谱是被测样品中的分子热振动所引起的非弹性散射光谱,通过对布里渊光谱进行测量,可对凝聚态物质中的声子、自旋波等多种元激发进行测量,进而分析样品的粘弹性、相变以及磁性等多种基本性质,进而对压电、磁弹、光弹等各种交叉效应进行监测。近年来,布里渊散射研究也为集成铁电学和自旋电子学的诞生和发展做出了重要贡献。共焦光谱探测技术具有测量精度高、层析能力强、光谱信息丰富等特点,在对样品进行性能形态多参数测量时,由于散射光谱技术具有各自的优点,通过合理设计以及有机结合可实现优势互补。利用拉曼散射与布里渊散射是实现微细结构材料多性能参数测量的关键技术。传统的共焦拉曼光谱系统的探测原理如图1所示,光源系统出射激光透过分光棱镜、四分之一波片以及测量物镜后,聚焦在样品表面,激发出载有样品微区光谱特性的拉曼散射光,通过三维扫描系统移动被测样品,使被测样品上不同被测区域所对应的拉曼散射光通过物镜收集,经过四分之一波片以及分光棱镜的反射,第一会聚镜将反射的拉曼散射光会聚到第一针孔处,利用光谱探测系统测得载有样品微区特性参数信息的拉曼光谱。传统的共焦拉曼光谱系统为提高系统的信噪比,获取丰富的微区拉曼光谱信息,通常需要对被测样品进行长时间的拉曼光谱成像。但仪器在长时间的成像过程中容易受到环境温度、空气扰动、系统振动等多方面因素的影响,易使系统产生漂移、离焦等现象。由于现有的共焦拉曼光谱探测系统不存在焦点跟踪的能力,因此在成像过程中难以保证激发光斑与物镜焦点位置重合,导致激发光斑大于理想的聚焦光斑,其结果降低了光谱探测系统的空间分辨力,因此限制了共焦拉曼光谱仪的探测能力。由于自发拉曼散射光十分微弱,只有瑞利散射光的10-3~10-6倍,因此为了减少拉曼的能量损失,提高拉曼光谱的探测强度,系统中通常采用较大尺寸的针孔,约在150μm~200μm之间。由于系统采用共焦焦点位置进行轴向定位,针孔的尺寸过大会导致轴向定焦能力的降低,进而降低系统的空间分辨力。随着现代科技的发展,人们对于共焦拉曼光谱技术的空间分辨力以及光谱探测能力提出了更高的要求。在共焦拉曼光谱系统中,当聚焦光斑尺寸最小时,拉曼光谱的激发强度达到最大,光谱探测能力与空间分辨力达到最佳,因此精确定焦对于共焦拉曼光谱系统具有重要意义。此外,传统的共焦拉曼光谱系统只利用了微弱的拉曼散射光,而遗弃了强度远远高于拉曼散射光的瑞利散射光,因此只能进行光谱探测,无法获取更多的样品信息,测量方式单一,限制了其应用领域。而且直接利用拉曼散射光进行轴向定焦以及光谱成像,存在测量时间长、系统灵敏度低等缺点。为克服传统的共焦拉曼系统的上述不足,北京理工大学赵维谦等人曾提出了一种具有很强微区光谱探测能力的分光瞳激光共焦布里渊-拉曼光谱测试方法,通过对探测焦斑进行分割处理,得到探测区域的光强信号,通过共焦曲线的“极值点”对被测样品进行轴向定焦,进而实现跟踪测量。分光瞳激光共焦布里渊-拉曼光谱测试技术在专利ZL201410086366(专利技术人:赵维谦等)中,以题为“分光瞳激光共焦布里渊-拉曼光谱测量方法及装置”已公开,其原理如图2所示,该方法旨在利用分光瞳共焦显微成像装置的“极值点”与其焦点对应这一特性,实现对样品微区几何位置及光谱信息的高空间分辨探测,并同时达到分辨力与测量范围的有效兼顾。但是该测试方法由于未能充分利用测量物镜的有效数值孔径,影响了共焦光谱系统的空间分辨力;此外,该测试系统受到离轴位置要求严格,装调困难等因素的限制。
技术实现思路
本专利技术的目的是为解决现有技术受外界因素限制较大,且空间分辨率低的问题,提出一种后置分光瞳激光共焦布里渊-拉曼光谱测试方法及装置。通过共焦拉曼光谱探测系统中遗弃的瑞利散射光构建后置分光瞳激光共焦显微成像系统,实现样品几何形貌的高空间分辨探测;通过探测共焦拉曼光谱探测系统中遗弃的布里渊散射光获取被测样品的多种基本性质,从而对材料的弹性、密度、弹性等参数进行测量;利用后置分光瞳激光共焦显微成像系统获得的焦点位置来精确获取样品焦点处的光谱信息,进而实现“图谱合一”的后置分光瞳激光共焦布里渊-拉曼光谱高空间分辨成像与探测;通过将共焦拉曼光谱探测技术与共焦布里渊光谱探测技术相融合,实现样品形貌性能多参数综合测量。本专利技术的目的是通过以下技术方案实现的。一种后置分光瞳激光共焦布里渊-拉曼光谱测试方法,包括以下步骤:首先在收集物镜光瞳面上放置收集光瞳,光源系统出射的激发光束经过分光棱镜与测量物镜后,会聚在被测样品上,激发出载有样品微区特性参数信息的拉曼散射光与布里渊散射光,同时反射出瑞利散射光;拉曼散射光、布里渊散射光与瑞利散射光经过测量物镜收集,经过分光棱镜反射后,被二向色分光系统分为两束,其中经过二向色分光系统反射的瑞利散射光与布里渊散射光进入分光系统分光,经分光系统透射的瑞利散射光与布里渊散射光进入后置分光瞳激光共焦探测系统,经过收集物镜以及收集光瞳后,被光强采集系统进行焦斑分割探测,实现对被测样品微区几何位置的探测。具体过程为:对对光强采集系统获取的聚焦光斑进行处理,通过探测区域内的光强得到被测样品的轴向强度特性响应I(z),即可对被测样品进行三维层析测量,其中z为轴向物理坐标。利用分光瞳共焦曲线的“极值点”与测量物镜焦点精确对应特性,通过“极值点”触发来精确捕获激发光斑焦点位置,进而实现高空间分辨的几何探测和空间定位。经过分光系统反射的瑞利散射光与布里渊散射光进入布里渊光谱探测系统中,实现布里渊光谱探测。与此同时,经过二向色分光系统透射的拉曼散射光的光束进入到拉曼光谱探测系统中。后置分光瞳激光共焦探测系统通过“极值点”的位置精确捕获聚焦光斑处的光谱信息,进而实现对样品微区高空间的光谱探测。具体过程为:通过对样品进行轴向扫描获取后置分光瞳激光共焦探测系统的轴向响应曲线,通过曲线的“极值点”对被测样品进行实时跟踪定焦。通过三维扫描系统控制被测样品的空间位置,以保证在整个测量过程中始终获取焦点位置处的本文档来自技高网
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【技术保护点】
1.后置分光瞳激光共焦布里渊‑拉曼光谱测试方法,其特征在于:包括以下步骤:步骤一、在收集物镜(19)光瞳面上放置收集光瞳(20);光源系统(1)出射的激发光束经过分光棱镜(2)与测量物镜(3)后,会聚在被测样品(4)上,激发出载有被测样品(4)微区特性参数信息的布里渊散射光与拉曼散射光,同时反射出瑞利散射光;拉曼散射光、布里渊散射光与瑞利散射光经过测量物镜(3)收集,经过分光棱镜(2)反射后,被二向色分光系统(6)分为两束,其中经过二向色分光系统(6)反射的瑞利散射光与布里渊散射光进入分光系统(12),经过分光系统(12)反射的瑞利散射光与布里渊散射光进入布里渊光谱探测系统(13)进行布里渊光谱探测,经过分光系统(12)透射的瑞利散射光与布里渊散射光进入分光瞳激光共焦探测系统(18),经过收集物镜(19)以及收集光瞳(20)后,被光强采集系统(21)进行焦斑分割探测,实现对被测样品(4)微区几何位置的探测;步骤一所述对被测样品(4)微区几何位置的探测的方法为:对光强采集系统(21)获取的聚焦光斑进行分割处理,得到探测区域(22)对应的光强信号,进而得到分光瞳共焦曲线(23);利用分光瞳共焦曲线(23)的“极值点”与测量物镜(3)焦点精确对应特性,通过“极值点”触发来精确捕获激发光斑焦点位置,进而实现高空间分辨的几何探测和空间定位;步骤二、与此同时,经过二向色分光系统(6)透射的拉曼散射光的光束进入到拉曼光谱探测系统(7)中;利用分光瞳激光共焦探测系统(18)得到的分光瞳共焦曲线(23)的“极值点”精确对应测量物镜(3)聚焦光斑焦点这一特性,通过“极值点”的位置精确捕获聚焦光斑处的光谱信息,进而实现对被测样品(4)微区高空间的光谱探测;步骤二所述对被测样品(4)微区高空间的光谱探测的方法为:通过对样品进行轴向扫描获取分光瞳激光共焦探测系统的共焦曲线(23),通过曲线的“极值点”对被测样品进行实时跟踪定焦;通过三维扫描系统(5)控制被测样品(4)的空间位置,以保证在整个测量过程中始终获取焦点位置处的光谱信息,进而抑制长时间光谱测量所导致的系统漂移以及外界环境的影响,提高系统的测量精度以及空间分辨力;当只对接收瑞利光的分光瞳激光共焦探测系统(18)获取的激光光斑进行处理时,能够对被测样品(4)进行高空间分辨三维层析探测;当只对接收拉曼散射光的拉曼光谱探测系统(7)获取的拉曼光谱信号进行处理时,能够对被测样品(4)进行拉曼光谱探测;当只对接收布里渊散射光的布里渊光谱探测系统(13)获取的布里渊光谱信号进行处理时,能够对被测样品(4)进行布里渊光谱探测;当同时对接收瑞利光的分光瞳激光共焦探测系统(18)获取的光强信号、接收布里渊散射光的布里渊光谱探测系统(13)获取的布里渊光谱信号与接收拉曼散射光的拉曼光谱探测系统(7)获取的拉曼光谱信号进行处理时,能够进行高空间分辨微区图谱层析成像,进而对被测样品(4)进行“图谱合一”的分光瞳激光共焦布里渊拉曼光谱高空间分辨成像与探测。...

【技术特征摘要】
1.后置分光瞳激光共焦布里渊-拉曼光谱测试方法,其特征在于:包括以下步骤:步骤一、在收集物镜(19)光瞳面上放置收集光瞳(20);光源系统(1)出射的激发光束经过分光棱镜(2)与测量物镜(3)后,会聚在被测样品(4)上,激发出载有被测样品(4)微区特性参数信息的布里渊散射光与拉曼散射光,同时反射出瑞利散射光;拉曼散射光、布里渊散射光与瑞利散射光经过测量物镜(3)收集,经过分光棱镜(2)反射后,被二向色分光系统(6)分为两束,其中经过二向色分光系统(6)反射的瑞利散射光与布里渊散射光进入分光系统(12),经过分光系统(12)反射的瑞利散射光与布里渊散射光进入布里渊光谱探测系统(13)进行布里渊光谱探测,经过分光系统(12)透射的瑞利散射光与布里渊散射光进入分光瞳激光共焦探测系统(18),经过收集物镜(19)以及收集光瞳(20)后,被光强采集系统(21)进行焦斑分割探测,实现对被测样品(4)微区几何位置的探测;步骤一所述对被测样品(4)微区几何位置的探测的方法为:对光强采集系统(21)获取的聚焦光斑进行分割处理,得到探测区域(22)对应的光强信号,进而得到分光瞳共焦曲线(23);利用分光瞳共焦曲线(23)的“极值点”与测量物镜(3)焦点精确对应特性,通过“极值点”触发来精确捕获激发光斑焦点位置,进而实现高空间分辨的几何探测和空间定位;步骤二、与此同时,经过二向色分光系统(6)透射的拉曼散射光的光束进入到拉曼光谱探测系统(7)中;利用分光瞳激光共焦探测系统(18)得到的分光瞳共焦曲线(23)的“极值点”精确对应测量物镜(3)聚焦光斑焦点这一特性,通过“极值点”的位置精确捕获聚焦光斑处的光谱信息,进而实现对被测样品(4)微区高空间的光谱探测;步骤二所述对被测样品(4)微区高空间的光谱探测的方法为:通过对样品进行轴向扫描获取分光瞳激光共焦探测系统的共焦曲线(23),通过曲线的“极值点”对被测样品进行实时跟踪定焦;通过三维扫描系统(5)控制被测样品(4)的空间位置,以保证在整个测量过程中始终获取焦点位置处的光谱信息,进而抑制长时间光谱测量所导致的系统漂移以及外界环境的影响,提高系统的测量精度以及空间分辨力;当只对接收瑞利光的分光瞳激光共焦探测系统(18)获取的激光光斑进行处理时,能够对被测样品(4)进行高空间分辨三维层析探测;当只对接收拉曼散射光的拉曼光谱探测系统(7)获取的拉曼光谱信号进行处理时,能够对被测样品(4)进行拉曼光谱探测;当只对接收布里渊散射光的布里渊光谱探测系统(13)获取的布里渊光谱信号进行处理时,能够对被测样品(4)进行布里渊光谱探测;当同时对接收瑞利光的分光瞳激光共焦探测系统(18)获取的光强信号、接收布里渊散射光的布里渊光谱探测系统(13)获取的布里渊光谱信号与接收拉曼散射光的拉曼光谱探测系统(7)获取的拉曼光谱信号进行处理时,能够进行高空间分辨微区图谱层析成像,进而对被测样品(4)进行“图谱合一”的分光瞳激光共焦布里渊拉曼光谱高空间分辨成像与探测。2.根据权利要求1所述的后置分光瞳激光共焦...

【专利技术属性】
技术研发人员:王允吴寒旭赵维谦邱丽荣
申请(专利权)人:北京理工大学
类型:发明
国别省市:北京,11

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