[发明专利]一种测量细颗粒物固有振动谱的微腔振动谱仪系统及方法

说明书

本发明涉及细颗粒传感技术，具体涉及一种测量细颗粒物固有振动谱的微腔振动谱仪系统及方法。微腔振动谱仪系统包括固有振动激发光路单元和微腔探测光路单元；固有振动激发光路单元依次设有脉冲光源、振镜、物镜及待测颗粒物，微腔探测光路单元依次设有可调谐激光光源、可调衰减器、偏振控制器、耦合光波导、光学微腔、光电探测器和示波器。本发明能够实现固有振动频率在亚兆赫兹‑千兆赫兹频率范围内介观尺度颗粒物及生物颗粒的颗粒物振动引起的声波精密测量。

技术领域

本发明涉及细颗粒传感技术，具体涉及一种测量细颗粒物固有振动谱的微腔振动谱仪系统及方法。

背景技术

任何尺度的物体均存在固有振动，例如化学键、分子、量子点到宏观岩石与桥梁。这些物体具有一系列的自然共振频率，这些特征频率由物体的尺寸、结构和机械性能决定。测量物体的固有振动谱不仅能够获得物体的结构和机械性能等内禀属性(具体包括几何形状、尺寸、质量和杨氏模量等参数)，并且有望能够进一步推断物体种类。目前，物质的振动谱测量主要基于超声共振谱仪以及光学振动谱仪，这些技术已经成为物质表征与识别最基本的手段。例如，拉曼和红外光谱仪通过探测分子振动从而特异性识别分子内部特有的化学键以及分子结构；超声共振谱仪通过测量单个晶体颗粒的振动谱，从而获得物质的弹性张量。然而，光学振动谱仪受限于弹性散射背景，所能分辨的振动频率范围通常处于千兆赫以上的高频区域；超声共振谱仪主要依赖于电学的超声换能器，由于压电效应固有的带宽和灵敏度限制，通常用来探测振动频率在兆赫兹以下低频区域的颗粒物。因此，这个领域一直缺乏能够覆盖自然频率在兆赫兹-千兆赫兹范围内的微观及介观尺度颗粒物的振动谱仪技术。

许多微纳尺度介质颗粒(例如磁、金、聚合物等功能性颗粒物)以及生物细胞(动植物细胞以及真菌、细菌以及病毒微生物)的自然频率通常位于几十千赫兹千兆赫兹范围内。这个频谱范围内的颗粒物振动谱探测对于识别他们的精细结构具有至关重要，也为颗粒物的几何、结构以及功能的调控提供指纹识别表征方法，对微纳领域的制造、应用与发展具有重要意义。此外，生物颗粒物的振动指纹探测不仅对于依赖细胞生物机械性能分析的细胞力学、药学等基础研究具有重要意义，其振动指纹识别有望为细胞的种类以及存活状态快速非标记识别与检测提供方法。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供一种测量细颗粒物固有振动谱的微腔振动谱仪系统及方法。本发明能够实现固有振动频率在亚兆赫兹-千兆赫兹频率范围内介观尺度颗粒物及生物颗粒的颗粒物振动引起的声波精密测量。

第一方面，本发明提供的测量细颗粒物固有振动谱的微腔振动谱仪系统，包括固有振动激发光路单元和微腔探测光路单元；所述固有振动激发光路单元依次设有脉冲光源、振镜、物镜及待测颗粒物，所述微腔探测光路单元依次设有可调谐激光光源、可调衰减器、偏振控制器、耦合光波导、所述光学微腔、光电探测器和示波器。

本发明中，待测颗粒物可以为任意形状的物体，包括但不限于无机和有机物颗粒以及细胞和微生物等生物颗粒等；光学微腔可以为任意种类、材料和形状的光学微腔，优选包括回音壁微腔、光子晶体微腔、法布里泊罗腔等，以及任何工艺制备而成的光学微腔，优选包括片上集成的微盘腔、微环腔、微泡腔、微球等。本发明中，所述待测颗粒物放置于所述光学微腔的表面或与所述光学微腔接触的固体基底上。本发明中，耦合光波导还可以为微纳光纤、集成片上波导以及棱镜等倏势场耦合器件。

作为优选，所述示波器包括高频示波器和低速的示波器，所述低速的示波器用来监测微腔光学模式的传输谱，所述高频示波器用于分析颗粒的高频振动信号，所述高频示波器与所述光电探测器还设有高频放大器。

进一步优选，所述固有振动激发光路单元还包括可调谐衰减器、反射镜、聚焦透镜、平移台；用于调节脉冲光强度及空间位置，将脉冲光照射到微腔表面细颗粒物传感区域。

进一步优选，所述微腔探测光路单元还包括掺铒光纤放大器和高速采集卡；所述掺铒光纤放大器用于实现光信号的放大，所述高速采集卡用于光信号的连续采集。