本发明设计一种微纳光子测谱成像光学系统，尤其涉及一种不可见光波段表面等离激元共振的测谱和成像光学系统。
背景技术：
表面等离激元共振是光与等离激元纳米结构相互作用过程中形成的电磁振荡，因其能够突破衍射极限以及实现局域电磁场增强，在超分辨成像、拉曼光谱增强、生物传感、有机太阳能电池等领域得到了广泛的应用。对表面等离激元共振的光学表征，如共振峰的波长位置、共振峰的半高全宽等是充分利用共振效应的前提。理论上，对于表面等离激元共振的光学表征既可以利用等离激元纳米结构的吸收光谱和散射光谱，还可以利用其消光光谱。使用吸收光谱仅可表征化学方法合成的、各向同性的等离激元纳米结构，具有很强的局限性。因此，目前大多采用明场或暗场散射光学显微镜，测量等离激元纳米结构的散射光谱。利用明场或暗场散射光学显微镜的优点在于光学分辨率较高，缺点在于成本高、结构复杂且仅可表征可见光波段的表面等离激元共振。
技术实现要素：
本发明目的在于克服现有技术中存在的不足而提供一种简易、低成本的用于表征不可见光波段表面等离激元共振的测谱和成像光学系统。
本发明的目的是这样实现的：一种不可见光波段表面等离激元共振的测谱和成像光学系统，包括有激光器、载物台、被测等离激元纳米结构、测谱主光路、成像光路和照明光路，所述的测谱主光路至少包括有两个共焦的聚光光学元件、两个分光光学元件和一个具有色散功能的光电探测器；所述的成像光路至少包括有两个共轭的聚光光学元件、一个分光光学元件和一个成像元件；所述的照明光路至少包括有一个白光光源、一个分光光学元件和三个聚光光学元件。
所述的被测等离激元纳米结构放置于两个共焦的聚光光学元件的共同焦点处，两个分光光学元件位于两个共焦的聚光光学元件的两侧，具有色散功能的光电探测器位于测谱主光路中沿光束传播方向的末端。
所述的测谱主光路中的共焦的聚光光学元件包括有聚光光学元件一和聚光光学元件二，所述的成像光路中的共轭的聚光光学元件包括有聚光光学元件五和测谱主电路中的聚光光学元件二，所述的照明电路中的三个聚光光学元件包括有聚光光学元件三、聚光光学元件四和测谱电路中的聚光光学元件一。
所述的聚光光学元件包含但不局限于透镜或物镜。
所述的分光光学元件包含但不局限于分光玻片、分光棱镜、分光立方体或光纤分束器。
所述的具有色散功能的光电探测器包含但不局限于单色仪、光谱仪或色散元件和示波器的组合。
所述的成像元件包含但不限于传统摄像机或由ccd、cmos阵列所组成的数码摄像机，其波长感应范围至少包含可见光波段。
所述的白光光源是宽光谱光源，其光谱范围至少包含可见光波段。
本发明的有益效果：在实际应用中，仅需测出测谱主光路焦点在被测等离激元纳米结构区域内和区域外的透射光信号，即可快速获取等离激元纳米结构所对应的表面等离激元谐振的波峰位置和半高全宽，大大降低了表征表面等离激元谐振光学性质的工作量和成本，为等离激元纳米结构在不可见光波段的设计和应用提供了有效依据。
附图说明
图1为不可见光波段表面等离激元共振测谱和成像光学系统实施方案1；
图2为不可见光波段表面等离激元共振测谱和成像光学系统实施方案2；
图3为不可见光波段表面等离激元共振测谱和成像光学系统实施方案3；
图4为不可见光波段表面等离激元共振测谱和成像光学系统实施方案4；
图5为不可见光波段表面等离激元共振测谱主光路信号收集的优选实施方案1；
图6为不可见光波段表面等离激元共振测谱主光路信号收集的优选实施方案2；
图7为不可见光波段表面等离激元共振测谱主光路信号输入的优选实施方案；
图8为测量不同线偏振态下的不可见光波段表面等离激元共振的优选实施方案。
具体实施方式
实施例1：如图1~图8所示，一种不可见光波段表面等离激元共振的测谱和成像光学系统，包括有激光器、载物台、被测等离激元纳米结构、测谱主光路、成像光路和照明光路。
激光器为一个可见光波段的激光器，用于确定主光路焦点在成像光路中的像。
载物台为一个二维或三维可移动的载物台，带有等离激元纳米结构的样品可被固定在此载物台上。载物台位于测谱主光路中两个共焦的聚光光学元件的共焦处，共焦是两个聚光光学元件的焦点重合。
所述的测谱主光路包括有两个共焦的聚光光学元件f1和f2、两个分光光学元件b1、b2，和一个具有色散功能的光电探测器；所述的成像光路至少包括有两个共轭的聚光光学元件f2和f5、一个分光光学元件b2和一个成像元件；所述的照明光路至少包括有一个白光光源、一个分光光学元件b1和三个聚光光学元件f3、f4、f1。
所述的被测等离激元纳米结构放置于两个共焦的聚光光学元件f1和f2的共同焦点处，两个分光光学元件b1和b2位于两个共焦的聚光光学元件的两侧，具有色散功能的光电探测器位于测谱主光路中沿光束传播方向的末端。准直后的不可见光波段入射光从测谱主光路沿光束传播方向分光光学元件b1入射，最后由测谱主光路中的光电探测器所收集。
所述的测谱主光路中的共焦的聚光光学元件包括有聚光光学元件一f1和聚光光学元件二f2，所述的成像光路中的聚光光学元件包括有聚光光学元件五f5和测谱主电路中的聚光光学元件二f2，所述的照明电路中的三个聚光光学元件包括有聚光光学元件三f3、聚光光学元件四f4和测谱电路中的聚光光学元件一f1。
测谱主光路用于探测等离激元纳米结构的消光光谱，核心是一对共焦的聚光光学元件f1、f2。聚光光学元件优选透或物镜镜头，待测的等离激元纳米结构样品放在其共同焦点处。测量光谱时，可分别测量不可见光波段入射光的焦点位于等离激元纳米结构阵列区域内和区域外时的透射光信号t(λ)、r(λ)，则等离激元纳米结构的消光信号e(λ)=[r(λ)-t(λ)]/r(λ)，其中λ是光波长。t(λ)是测谱主光路焦点位于等离激元纳米结构阵列区域内时光电探测器所收集的光信号，参考光信号r(λ)是测谱主光路焦点位于等离激元纳米结构阵列区域外时光电探测器所收集的光信号。
成像光路实现对被测量等离激元纳米结构阵列的成像和观察，核心是一对共轭的聚光光学元件f2、f5。待观察的等离激元纳米结构阵列位于成像光路中聚光光学元件f2的前焦面上，而成像光学元件则位于成像光路中聚光光学元件f5的后焦面上。第一个通过的聚光光学元件f2是成像光路两个共轭的聚光光学元件中沿光束传播方向首先通过的聚光光学元件；第二个通过的聚光光学元件f5是测谱主光路两个共焦的聚光光学元件中沿光束传播方向其次通过的聚光光学元件。成像光路与测谱光路共用分光光学元件b2。
为了使得整个光学系统更加紧凑，成像光路中聚光光学元件由测谱主光路中的聚光光学元件充当，即f2。成像光路和测谱主光路由一个分光光学元件b2连接。
照明光路用于给成像光路提供均匀的背景光，核心是采用柯勒(kohler)照明方案，至少包含一个白光光源、一个分光光学元件b1和三个聚光光学元件f3、f4、f1。白光光源位于照明光路中沿光束传播方向第一个通过的聚光光学元件f3的前焦面上，分光光学元件b1位于照明光路中沿光束传播方向第二个聚光光学元件f3和第三个通过的聚光光学元件f4的中间某一位置，照明光路中沿光束传播方向第二个聚光光学元件f3和第三个通过的聚光光学元件f4之间的距离是这两个聚光光学元件的焦距之和。为了使得整个光学系统更加紧凑，照明光路中最后一个聚光光学元件由测谱主光路中的一个聚光光学元件充当，即f1。照明光路和测谱主光路由一个分光光学元件b1连接。照明光路与测谱主光路共用分光光学元件b1。
所述的聚光光学元件包含但不局限于透镜和物镜。
所述的分光光学元件包含但不局限于分光玻片、分光棱镜、分光立方体和光纤分束器。
所述的具有色散功能的光电探测器包含但不局限于单色仪、光谱仪以及色散元件和示波器的组合。
所述的成像元件包含但不限于传统摄像机以及由ccd、cmos阵列所组成的数码摄像机，其波长感应范围至少包含可见光波段。
所述的白光光源是宽光谱光源，其光谱范围至少包含可见光波段。
本发明的具体操作步骤如下：
（1）按照附图1-4中的任意一种搭建和准直光路，成像元件优选数码摄像机，并连接显示器；
（2）把带有等离激元纳米结构阵列的样品固定在三维可移动的载物台上并放置于测谱主光路的共同焦点处，沿光轴方向（z方向）前后移动样品直至在显示器上观察到样品的清晰像；
（3）为了找到测谱主光路中焦点的像，测谱主光路中的平行入射光首先选用可见光波段激光，在显示器上找到焦点的像并标记其位置；
（4）把可见光波段激光换成不可见光波段入射光，不可见光波段包含但不局限于紫外和红外光波段。入射光须准直，即进入测谱主光路的入射光近似为理想平面光；
（5）通过载物台在xy平面上移动样品，使得焦点位于等离激元纳米结构阵列的区域外，测量透射光谱信号r(λ)；
（6）通过载物台在xy平面上移动样品，使得焦点位于等离激元纳米结构阵列的区域内，测量透射光谱信号t(λ)；
（7）待测等离激元纳米结构阵列对应的消光光谱e(λ)=[r(λ)-t(λ)]/r(λ)。
实施例2：
图1-4中四种光路等价，优选地，以图1所示实施方案说明测谱主光路信号收集的2种优选实施方案。
方案1：如果具有色散功能的光电探测器带有光纤输入接口，则沿光束传播方向上，在测谱主光路分光光学元件b2后方某一位置用准直器把透射光信号耦合到光纤中，如图5所示。准直镜的工作波长和不可见光波段光源以及光电探测器的工作波长相匹配，准直镜的na值与光纤的na值相匹配。准直镜可以有效收集透射的平行光信号，并为自由空间光耦合到光纤中提供转接功能。
方案2：如果具有色散功能的光电探测器没有光纤输入接口，则在分光光学元件b2和具有色散功能的光电探测器中间光路上加入聚光元件f6，f6的后焦面与具有色散功能的光电探测器的受光面重合，如图6所示。聚光元件f6可以提高对透射信号的利用率，进而提高整个光学系统的信噪比。
实施例3：
图1-4中四种光路等价，优选地，以图1所示实施方案说明测谱主光路信号输入的优选实施方案。
如果不可见光波段光源带有光纤输出接口，则沿光束传播方向上，在测谱主光路分光光学元件b1前方某一位置放置一准直器。准直器与光纤耦合，把不可见光波段光源信号输出为平行光，如图7所示。准直镜的工作波长和不可见光波段光源的工作波长相匹配，准直镜的na值与光纤的na值相匹配。准直镜可以有效收集光纤中的光信号，并为光纤中光信号输出为平行光提供有效途径。
实施例4：
图1-4中四种光路等价，优选地，以图1所示实施方案说明测量不同线偏振态的不可见光波段等离激元共振测谱和成像光学系统的优选实施方案。
如图8所示，沿光束传播方向上，在测谱主光路分光光学元件b1前方某一位置放置起偏器和半波片。起偏器把没有特定偏振态的不可见光波段入射光变成线偏振光，利用半波片进而可以定量改变入射光的偏振方向。具体地，转动半波片某一角度θ，则入射光的偏振方向随之转动2θ。
上述实例仅为本发明的优选实例而已，并不用以限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。