基于显微镜的激光双调制反射光谱检测系统的制作方法
【专利摘要】本专利公开了一种基于显微镜的激光双调制反射光谱检测系统，它包括一根单模光纤、一套成像放大系统、一个半透半反片、一套激光扩束系统、一个低频斩波器、一台激光器、一套显微镜系统和一个高频斩波器。纳米材料激光双调制反射光谱测量由以下部件实现：根据激光双调制工作原理，将高频斩波器调制后的白光源经过显微镜照明系统作为探测光，低频斩波器调制后的激光扩束后作为泵浦光，然后探测光和泵浦光经过同一显微物镜作用于样品表面，单模光纤作为视场光阑放置在二次放大像面处，通过电机控制对样品面进行二维扫描，获得相关光学信号。本专利实现了纳米量级区域的光谱探测，有效地消除了背景反射光的干扰，可以应用于微纳光学领域的光学特征光谱的测量。
【专利说明】基于显微镜的激光双调制反射光谱检测系统
【技术领域】
[0001]本专利属于光谱分析【技术领域】，具体涉及一种基于显微镜的激光双调制反射光谱检测系统，它用于针对纳米带、纳米线等纳米尺度材料的光学特性检测。
【背景技术】
[0002]纳米材料是指三维空间中至少有一维处于纳米尺寸范围内或由它们作为基本单元构成的材料。与常规体材料相比，其具有许多特异性能，例如:量子尺寸效应、表面效应、量子隧道效应等，使处在表面态的原子、电子行为与处于内部的原子、电子相比有很大差另IJ，从而导致纳米材料具有同种宏观体材料所不具备的新的光学特性。研究纳米材料的光学性质，需要借助于显微技术。此外，还需要对微区进行光激发和收集以便对选定的纳米结构进行详细的研究。
[0003]反射光谱是研究半导体能带结构及其它相关性质的最基本最普遍的光学方法之一，反映了高能态以及子能带之间的电子跃迁过程。然而，单纯的反射光谱是一种静态实验，具有很大的局限性，因为反射光谱图中的许多结构是微弱的、含糊不清的和低灵敏度的，不能将静态反射谱结构对应的光子能量和静态计算式作为参数调节依据的基本跃迁直接联系起来。为了克服静态反射光谱的这些缺陷，20世纪60年代以来，人们发展了多种手段的调制光谱方法。所谓调制光谱，就是在测量光谱的同时，周期性地改变被测半导体样品的实验条件或者施加一个周期性改变的外界微扰参数。其中，外界微扰参数可以是电场、磁场、压力、应力、热脉冲、入射光电磁波波长或者入射光强等。调制光谱不仅可以用于半导体体材料，也可用于半导体异质结、量子阱和纳米线等低维结构。而调制光谱技术具有高分辨率和高灵敏度是因为调制参数导致的能带结构的周期性改变只在联合态密度的奇异点才最有效地显示出来，从而抑制了布里渊区中其它广延区域的贡献，突出了临界点对调制光谱的贡献。现如今，由于具有与样品非接触、无损伤、方法简单以及灵敏度高等优点，激光调制技术已经从其它调制光谱技术中脱颖而出并在光谱检测领域广泛使用。但是激光调制技术也存在一定的局限性，因为激光周期性入射到样品表面时，样品自身发出的荧光会带有相同的载波频率，因此探测信号会同时包括荧光本底信号，为了克服激光调制技术的荧光本底问题，需要引入可以抑制荧光背景的激光双调制技术，通过令反射谱变化量和荧光本底信号带有不同的载波频率，从而在信号提取过程中将这两种信号区分开。
[0004]对于调制光谱，其调制信号一般为静态反射信号的10_4_10_6。因此如何抑制外来噪声，提高激光双调制反射信号的信噪比成为其发展瓶颈。当样品是纳米材料时，由于材料的尺寸在纳米量级，如果不对视场进行特殊限制，所得到的激光调制信号将淹没在无用的背景反射信号中，因此，消除背景反射、提高信噪比对纳米材料调制反射谱技术提出了更高的要求。
【发明内容】
[0005]本专利的目的是提供一种基于显微镜的激光双调制反射光谱检测系统，实现了纳米量级区域的光谱探测。
[0006]为了实现上述目的，本专利提供一种基于显微镜的激光双调制反射光谱检测系统。实现该系统的部件包括单模光纤1、成像放大系统2、半透半反片3、激光扩束系统4、低频斩波器5、激光器6、显微镜系统7和高频斩波器8，探测光和泵浦光经过同一显微物镜作用于纳米材料，其中:
[0007]检测系统将单模光纤I作为视场光阑实现对视场的限制作用，样品放置于显微物镜前焦平面7-3，将受高频斩波器8调制后的白光源通过显微镜照明系统7-2作为探测光聚焦入射到样品表面，激光器6发出的激光经低频斩波器5调制后通过扩束系统4，然后通过半透半反片3的反射作用进入镜筒透镜7-1作为泵浦光经过同一显微物镜7-4与探测光一起作用于纳米材料，样品反射的光经显微物镜7-4和镜筒透镜7-1成像到显微镜一次成像面10处，单模光纤I作为视场光阑放置在经成像放大系统2后的二次放大像面9处实现了对视场的限制作用，减弱了无用的背景反射信号的干扰，提高了激光双调制反射信号的信噪比，完成了对纳米材料的激光双调制。
[0008]纳米材料的激光双调制反射光谱信号检测原理是在激光双调制的基础上，利用激光扩束系统和现代显微镜系统的配合使用，同时实现了对样品的泵浦和探测作用，再通过单模光纤对视场的限制作用，实现了纳米量级区域的激光双调制光谱探测。本专利是利用显微镜照明系统将受到高频斩波器调制后的白光源作为探测光聚焦入射到显微物镜前焦平面，扩束后的激光作为泵浦光经过同一显微物镜作用于该平面，同时保证激光光斑能完全覆盖探测光光斑。样品的反射光成像到镜筒透镜后焦平面，并通过外接成像放大系统实现二次像面放大。单模光纤作为视场光阑放置在二次放大像面处，通过电机控制对样品面进行二维扫描并收集相关光学信号，得到纳米材料的激光双调制反射光谱信号。
[0009]本专利的优越性在于:在现代显微镜系统的基础上，通过从外界引入激光同时完成对样品的泵浦和探测，并以单模光纤作为视场光阑对样品进行纳米量级区域的光谱探测，有效的消除了背景反射光的影响。为微纳光学领域如纳米薄膜材料、纳米线、量子点等提供了一个高信噪比的光谱检测装置。
【专利附图】
【附图说明】
[0010]图一是本专利提供的一种基于显微镜和单模光纤的纳米材料激光双调制反射光谱信号测量装置的示意图；
[0011]图一中标记说明
[0012]I——单模光纤；
[0013]2——成像放大系统；
[0014]3—半透半反片；
[0015]4——激光扩束系统；
[0016]5——低频斩波器；
[0017]6——激光器；
[0018]7 显微镜系统；
[0019]7-1——镜筒透镜；
[0020]7-2—显微镜照明系统；[0021 ]7-3—显微物镜前焦平面；
[0022]7-4——显微物镜；
[0023]8——高频斩波器；
[0024]9——二次放大成像面；
[0025]10——镜筒透镜后焦平面；
【具体实施方式】
[0026]本专利提供一种纳米材料激光双调制反射光谱信号测量装置的示意图如图1所
/Jn ο
[0027]—种纳米材料激光双调制反射光谱信号测量装置，利用激光光谱双调制技术，包括一根单模光纤1、一套成像放大系统2、一个半透半反片3、一套激光扩束系统4、一个低频斩波器5、一台激光器6、一套显微镜系统7和一个高频斩波器8，其中主要器件具体参数如下:
[0028]单模光纤I为可见光波段单模光纤,覆盖波段为400-680nm,内芯直径为1um,包层直径125um。
[0029]激光扩束系统采用伽利略10倍变焦扩束器。
[0030]低频斩波器5的输出频率为33Hz，高频斩波器8的输出频率为3333Hz。
[0031]显微镜系统7采用生物显微镜，其中，镜筒透镜7-1与显微物镜7-4结合实现放大倍率为100X，显微物镜7-4数值孔径0.8。显微镜照明系统7-2采用柯勒照明方式。
[0032]成像放大系统2采用对镜组成像系统，对镜的两个透镜焦长分别为25mm和500mm，以镜筒透镜后焦平面10和二次放大成像面9为两个共轭面以完成20X放大成像。
[0033]所述的纳米材料激光双调制反射光谱信号测量装置将单模光纤I作为视场光阑实现对视场的限制作用，把样品放置于显微物镜前焦平面7-3，根据激光双调制的工作原理，白光源受高频斩波器8调制后通过显微镜照明系统7-2作为探测光聚焦入射到样品表面，激光经低频斩波器8调制后通过扩束系统4，然后进入镜筒透镜7-1作为泵浦光与探测光一起经过同一显微物镜7-4作用于纳米材料，单模光纤I作为视场光阑放置在经成像放大系统2后的二次放大像面9处实现了对视场的限制作用，减弱了无用的背景反射信号，使得激光调制信号能够被提取出来，完成了对纳米材料的激光双调制。
【权利要求】
1.一种基于显微镜的激光双调制反射光谱检测系统，包括单模光纤(I)、成像放大系统(2)、半透半反片(3)、激光扩束系统(4)、低频斩波器(5)、激光器(6)、显微镜系统(7)和一个高频斩波器(8)，其特征在于: 在所述的一激光双调制反射光谱检测系统中，被测样品放置于显微镜前焦平面(7-3)上，作为探测光的受高频斩波器(8)调制后的白光源通过显微镜照明系统(7-2)聚焦入射到样品表面，激光器(6)发出的激光经低频斩波器(5)调制后通过扩束系统(4)，然后通过半透半反片(3)的反射作用进入镜筒透镜(7-1)作为泵浦光与探测光一起经过同一显微物镜(7-4)聚焦入射到样品表面，样品反射的光经显微镜(7)汇聚到显微镜一次成像面(10)处并经成像放大系统(2)成像至二次放大像面(9)，作为视场光阑的单模光纤(I)放置在二次放大像面(9)处，通过电机控制对样品面进行二维扫描，获得纳米区域的激光双调制反射光谱信号。
【文档编号】G01N21/25GK204086126SQ201420462978
【公开日】2015年1月7日 申请日期:2014年8月15日 优先权日:2014年8月15日
【发明者】王玘, 袁小文, 孙聊新, 张波, 陆卫 申请人:中国科学院上海技术物理研究所