基于反射镜实现变角度激发的显微角分辨光谱测量系统技术方案

本发明专利技术公开的一种基于反射镜实现变角度激发的显微角分辨光谱测量系统，属于显微角分辨光谱测量领域。本发明专利技术通过改变反射镜入射角度，使入射光束在物镜后焦面不同位置聚焦，实现对样品变角度激发，样品发出的不同角度光信号经由物镜和两个平凸透镜通过傅里叶变换，实现实空间到k空间转化，将物镜后焦面的k空间的像搬移到光谱仪狭缝处，对不同角度光信号的一次性采集，显著缩短光谱的采集时间，进而提高显微角分辨光谱测量效率。本发明专利技术通过增加微区成像模块实现对微米级别样品的区域照明和定位，通过半透半反镜在实时观测样品的同时实现对微区样品预定位置光的激发，且不需要对光路中的任何光学元件进行切换，以便实时收集微区样品的角分辨光谱。样品的角分辨光谱。样品的角分辨光谱。

【技术实现步骤摘要】
基于反射镜实现变角度激发的显微角分辨光谱测量系统


[0001]本专利技术涉及一种角分辨光谱测量系统，尤其是涉及一种基于反射镜实现变角度激发的显微角分辨光谱测量系统，属于显微角分辨光谱测量领域。

技术介绍

[0002]研究光和物质的相互作用对发展光学探测器、发射器、激光等光电器件具有极为重要的意义。激子极化激元是光子和激子发生强耦合后所形成的准粒子，它同时具有光子和激子双重特性，可以实现室温玻色
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爱因斯坦凝聚和低阈值极化子激光，有利于发展各种极化子器件。表面等离极化激元—般指金属纳米结构中自由电子的谐振运动，具有很多特殊的光学性质，它够将电磁场局域于亚波长尺度范围内从而突破衍射极限实现在纳米尺度下对电磁场进行调控，同时它将电磁场能量局域在金属介质界面附近波长范围内这使得界面附近电磁场得到极大增强，对表面增强拉曼散射、表面增强荧光、表面增强红外光谱等表面增强现象的研究具有重要意义。
[0003]由于激子极化激元以及表面等离极化激元等准粒子具有色散特性，可以通过角分辨光谱对其特性以及调控方式进行研究，所有对角分辨光谱系统的研发提出了需求。而变角度激发对与研究具有色散特性的准粒子具有至关重要的作用。目前一些角分辨光谱测试系统在收集角分辨光谱的过程中需要通过移动针孔(例如公告号为CN103884659A，名称为角分辨微纳光谱分析装置)或者是移动透镜组件(例如公告号为CN110274879A，名称为显微角分辨光谱测量系统)；而在实现变角度激发的过程中也需要移动针孔或者透镜组件，极大地增加了系统的不稳定性以及机械结构的复杂性。

技术实现思路

[0004]本专利技术的主要目的是提供一种基于反射镜实现变角度激发的显微角分辨光谱测量系统，通过改变反射镜入射角度，使入射光束在物镜后焦面不同位置聚焦，从而使入射光束以不同角度照射到样品台上，实现对样品的变角度激发，样品发出的不同角度光信号经由物镜和两个平凸透镜通过傅里叶变换，实现实空间到k空间的转化，将物镜后焦面的k空间的像搬移到光谱仪狭缝处，对不同角度光信号的一次性采集，显著缩短光谱的采集时间，进而提高显微角分辨光谱测量效率。本专利技术通过增加微区成像模块实现对微米级别样品的区域照明和定位，通过半透半反镜在实时观测样品的同时实现对微区样品预定位置光的激发，且不需要对光路中的任何光学元件进行切换，以便实时收集微区样品的角分辨光谱。本专利技术具有显微角分辨光谱测量效率高、精度高、稳定性强、操作简便、结构紧凑的优点。
[0005]本专利技术的目的是通过下述技术方案实现的：
[0006]本专利技术公开的基于反射镜实现变角度激发的显微角分辨光谱测量系统，包括激发光路、角度分辨收集光路。
[0007]所述激发光路主要作用为：通过改变反射镜入射角度，使入射光束在物镜后焦面不同位置聚焦，从而使入射光束以不同角度照射到样品台上，实现对样品的变角度激发。所
述激发光路包括激光光源、第一凸透镜、小孔、第二凸透镜、反射镜、第三凸透镜、物镜、三轴样品位移台。所述激光光源发出的激光通过第一凸透镜汇聚到小孔上，小孔将散杂光滤掉，将激光整形成为高斯形状的激光，激光再通过第二凸透镜变成平行的光束，小孔位于第一凸透镜与第二凸透镜的焦点位置，第一凸透镜与第二凸透镜的焦距比决定出射光斑的大小。平行激光通过反射镜，透过第一半透半反镜，由第三凸透镜汇聚在物镜的后焦面P1上，再通过物镜变成平行光，照射到三轴样品位移台上。通过改变反射镜入射角度，使入射光束在物镜后焦面不同位置聚焦，从而使入射光束以不同角度照射到三轴样品位移台上，实现对样品的变角度激发。
[0008]为了保证激光光束的直径不变并且平行出射，作为优选，利用第一凸透镜、小孔、第二凸透镜实现激光的空间滤波，使出射的激光变为平行的高斯光。第一凸透镜与第二凸透镜的焦距比是1：1，小孔位于第一凸透镜与第二凸透镜的焦点位置。第一凸透镜与第二凸透镜的焦距比是1：1。
[0009]所述角度分辨收集光路主要作用为：样品发出的不同角度光信号经由物镜和两个平凸透镜通过傅里叶变换，实现实空间到k空间的转化，将物镜后焦面的k空间的像搬移到光谱仪狭缝处，对不同角度光信号的一次性采集。所述角度分辨收集光路包括三轴样品位移台、物镜、第三凸透镜、第一半透半反镜、第四凸透镜、光谱仪狭缝、EMCCD、光谱仪。从样品发出的不同角度的光信号通过物镜汇聚在物镜的后焦面P1上，再通过第三凸透镜将发散的光信号变成平行光束，通过第一半透半反镜将平行的光信号反射到第四凸透镜中，第四凸透镜将平行的光信号汇聚到光谱仪狭缝上，由光谱仪实现波长的分辨，由EMCCD实现角度的分辨。反射镜位于第三凸透镜的焦平面上、物镜与第三凸透镜共聚焦、第三凸透镜与第四凸透镜共聚焦、光谱仪狭缝位于第四凸透镜的焦点位置，物镜将样品发出的角度信息转化为后焦面P1的位置信息，第三凸透镜与第四凸透镜共同作用将物镜后焦面P1的k空间的像搬移到光谱仪狭缝处，从而实现对不同角度光信号的一次性采集，即实现显微角分辨光谱的一次性采集。由于本专利技术通过光谱仪狭缝收集对k空间不同位置的光信号，不需要针孔以及其他任何需要机械控制移动的组件，便能够实现角分辨光谱的一次性采集，简化光路的机械结构，并且显著缩短光谱的采集时间。
[0010]作为优选，本专利技术公开的基于反射镜实现变角度激发的显微角分辨光谱测量系统，在包括激发光路、角度分辨收集光路基础上，还包括微区成像模块。
[0011]所述微区成像模块主要作用为：实现对微米级别样品的区域照明和定位，通过半透半反镜在实时观测样品的同时实现对微区样品预定位置光的激发，以便实时收集微区样品的角分辨光谱。所述微区成像模块包括第二半透半反镜、第三半透半反镜、物镜、三轴样品位移台、成像CCD、白光光源。白光光源发出的白光通过第二半透半反镜反射到物镜里，聚焦到三轴样品位移台上实现样品照明，经由样品反射的白光通过第三半透半反镜反射到成像CCD上，实现样品的照明成像，即通过第二半透半反镜、第三半透半反镜使得激发光束和收集信号与成像照明光路互不干扰，在实时观测样品的同时实现对微区样品预定位置光的激发，且不需要对光路中的任何光学元件进行切换，以便实时收集微区样品的角分辨光谱。
[0012]本专利技术公开的基于反射镜实现变角度激发的显微角分辨光谱测量系统的工作方法为：
[0013]在激发光路中，所述激光光源发出的激光通过第一凸透镜汇聚到小孔上，小孔将
散杂光滤掉，将激光整形成为高斯形状的激光，激光再通过第二凸透镜变成平行的光束，小孔位于第一凸透镜与第二凸透镜的焦点位置，第一凸透镜与第二凸透镜的焦距比决定出射光斑的大小。平行激光通过反射镜，透过第一半透半反镜，由第三凸透镜汇聚在物镜的后焦面P1上，再通过物镜变成平行光，照射到三轴样品位移台上。通过改变反射镜入射角度，使入射光束在物镜后焦面不同位置聚焦，从而使入射光束以不同角度照射到三轴样品位移台上，实现对样品的变角度激发。反射镜位于第三凸透镜的焦平面上，两者的光程差为第三凸透镜的焦距f1，第三凸透镜与物镜共聚焦，第三凸透镜与物镜后焦面的光程差本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.基于反射镜实现变角度激发的显微角分辨光谱测量系统，其特征在于：包括激发光路、角度分辨收集光路；所述激发光路主要作用为：通过改变反射镜入射角度，使入射光束在物镜后焦面不同位置聚焦，从而使入射光束以不同角度照射到样品台上，实现对样品的变角度激发；所述激发光路包括激光光源(1)、第一凸透镜(2)、小孔(3)、第二凸透镜(4)、反射镜(5)、第三凸透镜(7)、物镜(10)、三轴样品位移台(11)；所述激光光源(1)发出的激光通过第一凸透镜(2)汇聚到小孔(3)上，小孔(3)将散杂光滤掉，将激光整形成为高斯形状的激光，激光再通过第二凸透镜(4)变成平行的光束，小孔(3)位于第一凸透镜(2)与第二凸透镜(4)的焦点位置，第一凸透镜(2)与第二凸透镜(4)的焦距比决定出射光斑的大小；平行激光通过反射镜(5)，透过第一半透半反镜(6)，由第三凸透镜(7)汇聚在物镜(10)的后焦面P1上，再通过物镜(10)变成平行光，照射到三轴样品位移台(11)上；通过改变反射镜(5)入射角度，使入射光束在物镜(10)后焦面不同位置聚焦，从而使入射光束以不同角度照射到三轴样品位移台(11)上，实现对样品的变角度激发；所述角度分辨收集光路主要作用为：样品发出的不同角度光信号经由物镜和两个平凸透镜通过傅里叶变换，实现实空间到k空间的转化，将物镜后焦面的k空间的像搬移到光谱仪狭缝处，对不同角度光信号的一次性采集；所述角度分辨收集光路包括三轴样品位移台(11)、物镜(10)、第三凸透镜(7)、第一半透半反镜(6)、第四凸透镜(14)、光谱仪狭缝(15)、EMCCD(16)、光谱仪(17)；从样品发出的不同角度的光信号通过物镜(10)汇聚在物镜(10)的后焦面P1上，再通过第三凸透镜(7)将发散的光信号变成平行光束，通过第一半透半反镜(6)将平行的光信号反射到第四凸透镜(14)中，第四凸透镜(14)将平行的光信号汇聚到光谱仪狭缝(15)上，由光谱仪(17)实现波长的分辨，由EMCCD(16)实现角度的分辨；反射镜(5)位于第三凸透镜(7)的焦平面上、物镜(10)与第三凸透镜(7)共聚焦、第三凸透镜(7)与第四凸透镜(14)共聚焦、光谱仪狭缝(15)位于第四凸透镜(14)的焦点位置，物镜(10)将样品发出的角度信息转化为后焦面P1的位置信息，第三凸透镜(7)与第四凸透镜(14)共同作用将物镜后焦面P1的k空间的像搬移到光谱仪狭缝(15)处，从而实现对不同角度光信号的一次性采集，即实现显微角分辨光谱的一次性采集；由于本发明通过光谱仪狭缝收集对k空间不同位置的光信号，不需要针孔以及其他任何需要机械控制移动的组件，便能够实现角分辨光谱的一次性采集，简化光路的机械结构，并且显著缩短光谱的采集时间。2.如权利要求1所述的基于反射镜实现变角度激发的显微角分辨光谱测量系统，其特征在于：在包括激发光路、角度分辨收集光路基础上，还包括微区成像模块；所述微区成像模块主要作用为：实现对微米级别样品的区域照明和定位，通过半透半反镜在实时观测样品的同时实现对微区样品预定位置光的激发，以便实时收集微区样品的角分辨光谱；所述微区成像模块包括第二半透半反镜(8)、第三半透半反镜(9)、物镜(10)、三轴样品位移台(11)、成像CCD(12)、白光光源(13)；白光光源(13)发出的白光通过第二半透半反镜(8)反射到物镜(10)里，聚焦到三轴样品位移台(11)上实现样品照明，经由样品反射的白光通过第三半透半反镜(9)反射到成像CCD(12)上，实现样品的照明成像，即通过第二半透半反镜(8)、第三半透半反镜(9)使得激发光束和收集信号与成像照明光路互不干扰，在实时观测样品的同时实现对微区样品预定位置光的激发，且不需要对光路中的任何光学元件进行切换，以便实时收集微区样品的角分辨光谱。
3.如权利要求1或2所述的基于反射镜实现变角度激发的显微角分辨光谱测量系统，其特征在于：为了保证激光光束的直径不变并且平行出射，利用第一凸透镜(2)、小孔(3)、第二凸透镜(4)实现激光的空间滤波，使出射的激光变为平行的高斯光；第一凸透镜(2)与第二凸透镜(4)的焦距比是1：1，小孔(3)位于第一凸...

【专利技术属性】
技术研发人员：姜澜，吕旭萌，朱彤，刘欣宇，赵小明，高国权，邓昱铭，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：