[发明专利]后置分光瞳激光共焦布里渊-拉曼光谱测试方法及装置

说明书

本发明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。

技术领域

本发明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，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。

背景技术

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。