[发明专利]后置分光瞳激光差动共焦拉曼光谱测试方法及装置

说明书

本发明涉及后置分光瞳激光差动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。本发明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差动共焦显微成像系统，实现样品几何形貌的高空间分辨探测；利用分光瞳差动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”的分光瞳差动共焦拉曼光谱高空间分辨成像与探测。本发明具有定位精确，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。

技术领域

本发明涉及后置分光瞳激光差动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。本发明将后置分光瞳激光差动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”的后置分光瞳激光差动共焦拉曼光谱测试方法及装置，可用于对各类样品的微区拉曼光谱进行高空间分辨探测等。

背景技术

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。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。