基於顯微鏡的雷射雙調製反射光譜檢測系統的製作方法

2023-06-13 18:32:31

基於顯微鏡的雷射雙調製反射光譜檢測系統的製作方法
【專利摘要】本專利公開了一種基於顯微鏡的雷射雙調製反射光譜檢測系統，它包括一根單模光纖、一套成像放大系統、一個半透半反片、一套雷射擴束系統、一個低頻斬波器、一臺雷射器、一套顯微鏡系統和一個高頻斬波器。納米材料雷射雙調製反射光譜測量由以下部件實現：根據雷射雙調製工作原理，將高頻斬波器調製後的白光源經過顯微鏡照明系統作為探測光，低頻斬波器調製後的雷射擴束後作為泵浦光，然後探測光和泵浦光經過同一顯微物鏡作用於樣品表面，單模光纖作為視場光闌放置在二次放大像面處，通過電機控制對樣品面進行二維掃描，獲得相關光學信號。本專利實現了納米量級區域的光譜探測，有效地消除了背景反射光的幹擾，可以應用於微納光學領域的光學特徵光譜的測量。
【專利說明】基於顯微鏡的雷射雙調製反射光譜檢測系統

【技術領域】
[0001]本專利屬於光譜分析【技術領域】，具體涉及一種基於顯微鏡的雷射雙調製反射光譜檢測系統，它用於針對納米帶、納米線等納米尺度材料的光學特性檢測。

【背景技術】
[0002]納米材料是指三維空間中至少有一維處於納米尺寸範圍內或由它們作為基本單元構成的材料。與常規體材料相比，其具有許多特異性能，例如:量子尺寸效應、表面效應、量子隧道效應等，使處在表面態的原子、電子行為與處於內部的原子、電子相比有很大差另IJ，從而導致納米材料具有同種宏觀體材料所不具備的新的光學特性。研究納米材料的光學性質，需要藉助於顯微技術。此外，還需要對微區進行光激發和收集以便對選定的納米結構進行詳細的研究。
[0003]反射光譜是研究半導體能帶結構及其它相關性質的最基本最普遍的光學方法之一，反映了高能態以及子能帶之間的電子躍遷過程。然而，單純的反射光譜是一種靜態實驗，具有很大的局限性，因為反射光譜圖中的許多結構是微弱的、含糊不清的和低靈敏度的，不能將靜態反射譜結構對應的光子能量和靜態計算式作為參數調節依據的基本躍遷直接聯繫起來。為了克服靜態反射光譜的這些缺陷，20世紀60年代以來，人們發展了多種手段的調製光譜方法。所謂調製光譜，就是在測量光譜的同時，周期性地改變被測半導體樣品的實驗條件或者施加一個周期性改變的外界微擾參數。其中，外界微擾參數可以是電場、磁場、壓力、應力、熱脈衝、入射光電磁波波長或者入射光強等。調製光譜不僅可以用於半導體體材料，也可用於半導體異質結、量子阱和納米線等低維結構。而調製光譜技術具有高解析度和高靈敏度是因為調製參數導致的能帶結構的周期性改變只在聯合態密度的奇異點才最有效地顯示出來，從而抑制了布裡淵區中其它廣延區域的貢獻，突出了臨界點對調製光譜的貢獻。現如今，由於具有與樣品非接觸、無損傷、方法簡單以及靈敏度高等優點，雷射調製技術已經從其它調製光譜技術中脫穎而出並在光譜檢測領域廣泛使用。但是雷射調製技術也存在一定的局限性，因為雷射周期性入射到樣品表面時，樣品自身發出的螢光會帶有相同的載波頻率，因此探測信號會同時包括螢光本底信號，為了克服雷射調製技術的螢光本底問題，需要引入可以抑制螢光背景的雷射雙調製技術，通過令反射譜變化量和螢光本底信號帶有不同的載波頻率，從而在信號提取過程中將這兩種信號區分開。
[0004]對於調製光譜，其調製信號一般為靜態反射信號的10_4_10_6。因此如何抑制外來噪聲，提高雷射雙調製反射信號的信噪比成為其發展瓶頸。當樣品是納米材料時，由於材料的尺寸在納米量級，如果不對視場進行特殊限制，所得到的雷射調製信號將淹沒在無用的背景反射信號中，因此，消除背景反射、提高信噪比對納米材料調製反射譜技術提出了更高的要求。


【發明內容】

[0005]本專利的目的是提供一種基於顯微鏡的雷射雙調製反射光譜檢測系統，實現了納米量級區域的光譜探測。
[0006]為了實現上述目的，本專利提供一種基於顯微鏡的雷射雙調製反射光譜檢測系統。實現該系統的部件包括單模光纖1、成像放大系統2、半透半反片3、雷射擴束系統4、低頻斬波器5、雷射器6、顯微鏡系統7和高頻斬波器8，探測光和泵浦光經過同一顯微物鏡作用於納米材料，其中:
[0007]檢測系統將單模光纖I作為視場光闌實現對視場的限制作用，樣品放置於顯微物鏡前焦平面7-3，將受高頻斬波器8調製後的白光源通過顯微鏡照明系統7-2作為探測光聚焦入射到樣品表面，雷射器6發出的雷射經低頻斬波器5調製後通過擴束系統4，然後通過半透半反片3的反射作用進入鏡筒透鏡7-1作為泵浦光經過同一顯微物鏡7-4與探測光一起作用於納米材料，樣品反射的光經顯微物鏡7-4和鏡筒透鏡7-1成像到顯微鏡一次成像面10處，單模光纖I作為視場光闌放置在經成像放大系統2後的二次放大像面9處實現了對視場的限制作用，減弱了無用的背景反射信號的幹擾，提高了雷射雙調製反射信號的信噪比，完成了對納米材料的雷射雙調製。
[0008]納米材料的雷射雙調製反射光譜信號檢測原理是在雷射雙調製的基礎上，利用雷射擴束系統和現代顯微鏡系統的配合使用，同時實現了對樣品的泵浦和探測作用，再通過單模光纖對視場的限制作用，實現了納米量級區域的雷射雙調製光譜探測。本專利是利用顯微鏡照明系統將受到高頻斬波器調製後的白光源作為探測光聚焦入射到顯微物鏡前焦平面，擴束後的雷射作為泵浦光經過同一顯微物鏡作用於該平面，同時保證雷射光斑能完全覆蓋探測光光斑。樣品的反射光成像到鏡筒透鏡後焦平面，並通過外接成像放大系統實現二次像面放大。單模光纖作為視場光闌放置在二次放大像面處，通過電機控制對樣品面進行二維掃描並收集相關光學信號，得到納米材料的雷射雙調製反射光譜信號。
[0009]本專利的優越性在於:在現代顯微鏡系統的基礎上，通過從外界引入雷射同時完成對樣品的泵浦和探測，並以單模光纖作為視場光闌對樣品進行納米量級區域的光譜探測，有效的消除了背景反射光的影響。為微納光學領域如納米薄膜材料、納米線、量子點等提供了一個高信噪比的光譜檢測裝置。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0010]圖一是本專利提供的一種基於顯微鏡和單模光纖的納米材料雷射雙調製反射光譜信號測量裝置的示意圖；
[0011]圖一中標記說明
[0012]I——單模光纖；
[0013]2——成像放大系統；
[0014]3—半透半反片；
[0015]4——雷射擴束系統；
[0016]5——低頻斬波器；
[0017]6——雷射器；
[0018]7 顯微鏡系統；
[0019]7-1——鏡筒透鏡；
[0020]7-2—顯微鏡照明系統；[0021 ]7-3—顯微物鏡前焦平面；
[0022]7-4——顯微物鏡；
[0023]8——高頻斬波器；
[0024]9——二次放大成像面；
[0025]10——鏡筒透鏡後焦平面；

【具體實施方式】
[0026]本專利提供一種納米材料雷射雙調製反射光譜信號測量裝置的示意圖如圖1所
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[0027]—種納米材料雷射雙調製反射光譜信號測量裝置，利用雷射光譜雙調製技術，包括一根單模光纖1、一套成像放大系統2、一個半透半反片3、一套雷射擴束系統4、一個低頻斬波器5、一臺雷射器6、一套顯微鏡系統7和一個高頻斬波器8，其中主要器件具體參數如下:
[0028]單模光纖I為可見光波段單模光纖,覆蓋波段為400-680nm,內芯直徑為1um,包層直徑125um。
[0029]雷射擴束系統採用伽利略10倍變焦擴束器。
[0030]低頻斬波器5的輸出頻率為33Hz，高頻斬波器8的輸出頻率為3333Hz。
[0031]顯微鏡系統7採用生物顯微鏡，其中，鏡筒透鏡7-1與顯微物鏡7-4結合實現放大倍率為100X，顯微物鏡7-4數值孔徑0.8。顯微鏡照明系統7-2採用柯勒照明方式。
[0032]成像放大系統2採用對鏡組成像系統，對鏡的兩個透鏡焦長分別為25mm和500mm，以鏡筒透鏡後焦平面10和二次放大成像面9為兩個共軛面以完成20X放大成像。
[0033]所述的納米材料雷射雙調製反射光譜信號測量裝置將單模光纖I作為視場光闌實現對視場的限制作用，把樣品放置於顯微物鏡前焦平面7-3，根據雷射雙調製的工作原理，白光源受高頻斬波器8調製後通過顯微鏡照明系統7-2作為探測光聚焦入射到樣品表面，雷射經低頻斬波器8調製後通過擴束系統4，然後進入鏡筒透鏡7-1作為泵浦光與探測光一起經過同一顯微物鏡7-4作用於納米材料，單模光纖I作為視場光闌放置在經成像放大系統2後的二次放大像面9處實現了對視場的限制作用，減弱了無用的背景反射信號，使得雷射調製信號能夠被提取出來，完成了對納米材料的雷射雙調製。
【權利要求】
1.一種基於顯微鏡的雷射雙調製反射光譜檢測系統，包括單模光纖(I)、成像放大系統(2)、半透半反片(3)、雷射擴束系統(4)、低頻斬波器(5)、雷射器(6)、顯微鏡系統(7)和一個高頻斬波器(8)，其特徵在於: 在所述的一雷射雙調製反射光譜檢測系統中，被測樣品放置於顯微鏡前焦平面(7-3)上，作為探測光的受高頻斬波器(8)調製後的白光源通過顯微鏡照明系統(7-2)聚焦入射到樣品表面，雷射器(6)發出的雷射經低頻斬波器(5)調製後通過擴束系統(4)，然後通過半透半反片(3)的反射作用進入鏡筒透鏡(7-1)作為泵浦光與探測光一起經過同一顯微物鏡(7-4)聚焦入射到樣品表面，樣品反射的光經顯微鏡(7)匯聚到顯微鏡一次成像面(10)處並經成像放大系統(2)成像至二次放大像面(9)，作為視場光闌的單模光纖(I)放置在二次放大像面(9)處，通過電機控制對樣品面進行二維掃描，獲得納米區域的雷射雙調製反射光譜信號。
【文檔編號】G01N21/25GK204086126SQ201420462978
【公開日】2015年1月7日 申請日期:2014年8月15日 優先權日:2014年8月15日
【發明者】王玘, 袁小文, 孫聊新, 張波, 陸衛 申請人:中國科學院上海技術物理研究所