后置分光瞳激光共焦拉曼光谱测试方法及装置制造方法及图纸

本发明专利技术涉及后置分光瞳激光共焦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共焦显微成像系统，实现样品几何形貌的高空间分辨探测；利用分光瞳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拉曼光谱信息，进而实现“图谱合一”的分光瞳共焦拉曼光谱高空间分辨成像与探测。本发明专利技术具有定位精确，高空间分辨以及光谱探测灵敏度高等优点，可广泛引用于生物医学、物理化学、精密测量、飞秒激光加工等领域中。

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

The invention relates to a confocal Raman spectroscopy test method and device for post-splitting pupil laser, belonging to the technical field of microscopic spectral imaging. A confocal spectroscopic imaging system is constructed by using the abandoned Rayleigh scattering light in the confocal Raman spectroscopy detection system to achieve high spatial resolution detection of the geometry and morphology of the sample. Raman spectroscopic information at the focus of the sample is accurately obtained by using the focal position obtained by the confocal spectroscopic imaging system, and the high spatial resolution of the confocal Raman spectroscopy at the focus of the sample can be achieved by integrating the spectra. Image and detection. The invention has the advantages of accurate positioning, high spatial resolution and high spectral detection sensitivity, and can be widely used in biomedicine, physical chemistry, precision measurement, femtosecond laser processing and other fields.

【技术实现步骤摘要】
后置分光瞳激光共焦拉曼光谱测试方法及装置
本专利技术涉及后置分光瞳激光共焦拉曼光谱测试方法及装置，属于显微光谱成像
将分光瞳激光共焦显微技术与拉曼光谱探测技术相结合，涉及一种“图谱合一”的分光瞳激光共焦拉曼光谱测试方法及装置，用于对样品的微区拉曼光谱进行高空间分辨测量等。
技术介绍
激光共焦拉曼光谱技术通过入射激光与光学声子之间发生能量交换，使散射光的频移发生变化，实现对样品微区的组成成分、浓度、应力、应变、温度等参数的非接触测量，激光共焦拉曼光谱技术亦被称为分子探针技术。该技术具有共焦显微技术的高空间分辨层析能力，通过被测样品进行断层扫描，获取样品不同深度的拉曼光谱信息，进而在非接触的方式下对样品微区进行高空间分辨测量。激光共焦拉曼光谱技术作为一种极其重要的样品成分测量与分析的技术手段，在生物医学、物理化学、材料科学、环境检测、食品安全、药物检测、刑侦等领域中具有广泛应用。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。而且传统的共焦拉曼光谱系统只能进行光谱探测，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。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，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微区光谱探测能力的分光瞳共焦拉曼光谱测试方法，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。分光瞳共焦拉曼光谱测试技术在专利ZL201310404307(专利技术人：赵维谦等)中，以题为“分光瞳激光共焦拉曼光谱测试方法及装置”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，影响了共焦拉曼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克服现有技术的不足，提出高轴向分辨后置分光瞳激光共焦显微技术与拉曼光谱探测技术相结合的分光瞳激光共焦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分光瞳共焦显微成像系统，实现样品几何形貌的高空间分辨探测；利用分光瞳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拉曼光谱信息，进而实现“图谱合一”的分光瞳共焦拉曼光谱高空间分辨成像与探测。本专利技术是通过以下技术方案实现的。后置分光瞳激光共焦拉曼光谱测试方法，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通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，同时反射出瑞利散射光；拉曼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进入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。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。利用分光瞳激光共焦探测系统得到的轴向强度特性响应曲线的“极值点”精确对应物镜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拉曼光谱信息，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获取的激光光斑进行处理时，能够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获取的拉曼光谱信号进行处理时，能够对被测样品进行光谱探测；当同时对接收瑞利光的分光瞳激光共焦探测系统获取的光强信号与接收拉曼散射光的拉曼光谱探测系统获取的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，实现对被测样品进行“图谱合一”的分光瞳激光共焦拉曼光谱高空间分辨成像与探测。特别的，在本专利技术方法中，收集光瞳可以是圆形、D形或者其他形状。在本专利技术方法中，激发光束包括线偏光、圆偏光、径向偏振光等偏振光束和由光瞳滤波等技术生成的结构光束，由此提高系统光谱信号信噪比和系统横向分辨力。在本专利技术方法中，还可以探测包括荧光、布里渊散射光、康普顿散射光的散射光谱。在本专利技术方法中，仅通过计算机系统软件处理即可实现对不同NA的测量物镜的匹配，无需对系统进行任何硬件装调。本专利技术提供了后置分光瞳激光共焦拉曼光谱测试装置，包括产生激发光束的光源系统、测量物镜、三维扫描系统、二向色分光系统、拉曼光谱探测系统、分光瞳激光共焦测量系统、计算机处理系统。其中，收集光瞳放置在收集物镜的光瞳面上，被测样品固定在三维扫描系统的载物台上。二向色分光系统放置在分光棱镜的光束反射方向上，拉曼光谱探测系统放置在二向色分光系统的透射方向上，分光瞳激光共焦测量系统放置在二向色分光系统的反射方向上，计算机处理系统用于对三维扫描系统、拉曼光谱探测系统以及分光瞳激光共焦测量系统进行数据处理以及协调控制。在本专利技术装置中，光强采集系统可以采用针孔与光强点探测器结合的方法，实现对艾里斑的分割探测。在本专利技术装置中，光强采集系统可以采用CCD探测器，通过在CCD探测面设置探测区域的位置及大小，实现本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.后置分光瞳激光共焦拉曼光谱测试方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤一、在收集物镜(13)光瞳面上放置收集光瞳(14)；光源系统(1)出射的激发光束经过通过分光棱镜(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拉曼散射光，同时反射出瑞利散射光；拉曼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)反射的瑞利散射光进入分光瞳激光共焦探测系统(12)，经过收集物镜(13)以及收集光瞳(14)后，被光强采集系统(15)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(15)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(4)的轴向强度特性响应I(z)，即能够对被测样品进行三维层析测量，其中z为轴向物理坐标；步骤二、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(12)得到的轴向强度特性响应曲线(17)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轴向响应曲线(17)，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拉曼光谱信息，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(12)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(12)获取的光强信号与接收拉曼散射光的拉曼光谱探测系统(7)获取的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(13)光瞳面上放置收集光瞳(14)；光源系统(1)出射的激发光束经过通过分光棱镜(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拉曼散射光，同时反射出瑞利散射光；拉曼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)反射的瑞利散射光进入分光瞳激光共焦探测系统(12)，经过收集物镜(13)以及收集光瞳(14)后，被光强采集系统(15)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(15)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(4)的轴向强度特性响应I(z)，即能够对被测样品进行三维层析测量，其中z为轴向物理坐标；步骤二、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(12)得到的轴向强度特性响应曲线(17)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轴向响应曲线(17)，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拉曼光谱信息，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(12)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(12)获取的光强信号与接收拉曼散射光的拉曼光谱探测系统(7)获取的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拉曼光谱测试方法，其特征在于：收集光瞳(1...

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