基于反射镜实现变角度激发的显微角分辨光谱测量系统

1.本发明涉及一种角分辨光谱测量系统，尤其是涉及一种基于反射镜实现变角度激发的显微角分辨光谱测量系统，属于显微角分辨光谱测量领域。


背景技术：

2.研究光和物质的相互作用对发展光学探测器、发射器、激光等光电器件具有极为重要的意义。激子极化激元是光子和激子发生强耦合后所形成的准粒子，它同时具有光子和激子双重特性，可以实现室温玻色-爱因斯坦凝聚和低阈值极化子激光，有利于发展各种极化子器件。表面等离极化激元—般指金属纳米结构中自由电子的谐振运动，具有很多特殊的光学性质，它够将电磁场局域于亚波长尺度范围内从而突破衍射极限实现在纳米尺度下对电磁场进行调控，同时它将电磁场能量局域在金属介质界面附近波长范围内这使得界面附近电磁场得到极大增强，对表面增强拉曼散射、表面增强荧光、表面增强红外光谱等表面增强现象的研究具有重要意义。
3.由于激子极化激元以及表面等离极化激元等准粒子具有色散特性，可以通过角分辨光谱对其特性以及调控方式进行研究，所有对角分辨光谱系统的研发提出了需求。而变角度激发对与研究具有色散特性的准粒子具有至关重要的作用。目前一些角分辨光谱测试系统在收集角分辨光谱的过程中需要通过移动针孔(例如公告号为cn103884659a，名称为角分辨微纳光谱分析装置)或者是移动透镜组件(例如公告号为cn110274879a，名称为显微角分辨光谱测量系统)；而在实现变角度激发的过程中也需要移动针孔或者透镜组件，极大地增加了系统的不稳定性以及机械结构的复杂性。


技术实现要素：

4.本发明的主要目的是提供一种基于反射镜实现变角度激发的显微角分辨光谱测量系统，通过改变反射镜入射角度，使入射光束在物镜后焦面不同位置聚焦，从而使入射光束以不同角度照射到样品台上，实现对样品的变角度激发，样品发出的不同角度光信号经由物镜和两个平凸透镜通过傅里叶变换，实现实空间到k空间的转化，将物镜后焦面的k空间的像搬移到光谱仪狭缝处，对不同角度光信号的一次性采集，显著缩短光谱的采集时间，进而提高显微角分辨光谱测量效率。本发明通过增加微区成像模块实现对微米级别样品的区域照明和定位，通过半透半反镜在实时观测样品的同时实现对微区样品预定位置光的激发，且不需要对光路中的任何光学元件进行切换，以便实时收集微区样品的角分辨光谱。本发明具有显微角分辨光谱测量效率高、精度高、稳定性强、操作简便、结构紧凑的优点。
5.本发明的目的是通过下述技术方案实现的：
6.本发明公开的基于反射镜实现变角度激发的显微角分辨光谱测量系统，包括激发光路、角度分辨收集光路。
7.所述激发光路主要作用为：通过改变反射镜入射角度，使入射光束在物镜后焦面不同位置聚焦，从而使入射光束以不同角度照射到样品台上，实现对样品的变角度激发。所
述激发光路包括激光光源、第一凸透镜、小孔、第二凸透镜、反射镜、第三凸透镜、物镜、三轴样品位移台。所述激光光源发出的激光通过第一凸透镜汇聚到小孔上，小孔将散杂光滤掉，将激光整形成为高斯形状的激光，激光再通过第二凸透镜变成平行的光束，小孔位于第一凸透镜与第二凸透镜的焦点位置，第一凸透镜与第二凸透镜的焦距比决定出射光斑的大小。平行激光通过反射镜，透过第一半透半反镜，由第三凸透镜汇聚在物镜的后焦面p1上，再通过物镜变成平行光，照射到三轴样品位移台上。通过改变反射镜入射角度，使入射光束在物镜后焦面不同位置聚焦，从而使入射光束以不同角度照射到三轴样品位移台上，实现对样品的变角度激发。
8.为了保证激光光束的直径不变并且平行出射，作为优选，利用第一凸透镜、小孔、第二凸透镜实现激光的空间滤波，使出射的激光变为平行的高斯光。第一凸透镜与第二凸透镜的焦距比是1：1，小孔位于第一凸透镜与第二凸透镜的焦点位置。第一凸透镜与第二凸透镜的焦距比是1：1。
9.所述角度分辨收集光路主要作用为：样品发出的不同角度光信号经由物镜和两个平凸透镜通过傅里叶变换，实现实空间到k空间的转化，将物镜后焦面的k空间的像搬移到光谱仪狭缝处，对不同角度光信号的一次性采集。所述角度分辨收集光路包括三轴样品位移台、物镜、第三凸透镜、第一半透半反镜、第四凸透镜、光谱仪狭缝、emccd、光谱仪。从样品发出的不同角度的光信号通过物镜汇聚在物镜的后焦面p1上，再通过第三凸透镜将发散的光信号变成平行光束，通过第一半透半反镜将平行的光信号反射到第四凸透镜中，第四凸透镜将平行的光信号汇聚到光谱仪狭缝上，由光谱仪实现波长的分辨，由emccd实现角度的分辨。反射镜位于第三凸透镜的焦平面上、物镜与第三凸透镜共聚焦、第三凸透镜与第四凸透镜共聚焦、光谱仪狭缝位于第四凸透镜的焦点位置，物镜将样品发出的角度信息转化为后焦面p1的位置信息，第三凸透镜与第四凸透镜共同作用将物镜后焦面p1的k空间的像搬移到光谱仪狭缝处，从而实现对不同角度光信号的一次性采集，即实现显微角分辨光谱的一次性采集。由于本发明通过光谱仪狭缝收集对k空间不同位置的光信号，不需要针孔以及其他任何需要机械控制移动的组件，便能够实现角分辨光谱的一次性采集，简化光路的机械结构，并且显著缩短光谱的采集时间。
10.作为优选，本发明公开的基于反射镜实现变角度激发的显微角分辨光谱测量系统，在包括激发光路、角度分辨收集光路基础上，还包括微区成像模块。
11.所述微区成像模块主要作用为：实现对微米级别样品的区域照明和定位，通过半透半反镜在实时观测样品的同时实现对微区样品预定位置光的激发，以便实时收集微区样品的角分辨光谱。所述微区成像模块包括第二半透半反镜、第三半透半反镜、物镜、三轴样品位移台、成像ccd、白光光源。白光光源发出的白光通过第二半透半反镜反射到物镜里，聚焦到三轴样品位移台上实现样品照明，经由样品反射的白光通过第三半透半反镜反射到成像ccd上，实现样品的照明成像，即通过第二半透半反镜、第三半透半反镜使得激发光束和收集信号与成像照明光路互不干扰，在实时观测样品的同时实现对微区样品预定位置光的激发，且不需要对光路中的任何光学元件进行切换，以便实时收集微区样品的角分辨光谱。
12.本发明公开的基于反射镜实现变角度激发的显微角分辨光谱测量系统的工作方法为：
13.在激发光路中，所述激光光源发出的激光通过第一凸透镜汇聚到小孔上，小孔将
散杂光滤掉，将激光整形成为高斯形状的激光，激光再通过第二凸透镜变成平行的光束，小孔位于第一凸透镜与第二凸透镜的焦点位置，第一凸透镜与第二凸透镜的焦距比决定出射光斑的大小。平行激光通过反射镜，透过第一半透半反镜，由第三凸透镜汇聚在物镜的后焦面p1上，再通过物镜变成平行光，照射到三轴样品位移台上。通过改变反射镜入射角度，使入射光束在物镜后焦面不同位置聚焦，从而使入射光束以不同角度照射到三轴样品位移台上，实现对样品的变角度激发。反射镜位于第三凸透镜的焦平面上，两者的光程差为第三凸透镜的焦距f1，第三凸透镜与物镜共聚焦，第三凸透镜与物镜后焦面的光程差为第三凸透镜的焦距f1。由于入射到反射镜上的激光是平行光，由反射镜反射的激光也是平行光。由于反射镜位于第三凸透镜的焦平面上，从焦平面出发的平行光会通过第三凸透镜汇聚到其第二焦平面上，而第三凸透镜与物镜共聚焦，第三凸透镜的第二焦平面与物镜后焦面p1重合，而汇聚在物镜后焦面p1上的点光源会通过物镜变成平行光照射到三轴样品位移台。改变反射镜的角度，从反射镜反射出的平行光会通过第三凸透镜汇聚到物镜后焦面p1的不同位置，不同位置的点光源会过物镜变成不同角度的平行光，实现入射光角度的改变。
14.所述角度分辨收集光路中，从样品发出的不同角度的光信号通过物镜汇聚在物镜的后焦面p1上，再通过第三凸透镜将发散的光信号变成平行光束，通过第一半透半反镜将平行的光信号反射到第四凸透镜中，第四凸透镜将平行的光信号汇聚到光谱仪狭缝上，由光谱仪实现波长的分辨，由emccd实现角度的分辨。第三凸透镜与第四凸透镜共聚焦，两者的光程差为第三凸透镜的焦距f1与第四凸透镜的焦距f之和；光谱仪狭缝位于第四凸透镜的焦点位置，两者的光程差为第四凸透镜的焦距f。入射激光通过一定角度照射到样品上，物镜将样品发出的角度信息转化为后焦面p1的位置信息，第三凸透镜与第四凸透镜共同作用将物镜后焦面p1的k空间的像搬移到光谱仪狭缝处，狭缝上不同位置的k空间成像对应着样品发出的不同角度的光信号，而光谱仪由于内部的结构，其入光口和出光空的信号k空间的位置信息不改变，也就是角度信息不改变，只是通过分光实现波长的分辨，而耦合到光谱仪出光口的emccd通过感光芯片上光信号的位置进行角度分辨，从而得到样品的角分辨光谱。反射镜位于第三凸透镜的焦平面上、物镜与第三凸透镜共聚焦、第三凸透镜与第四凸透镜共聚焦、光谱仪狭缝位于第四凸透镜的焦点位置，物镜将样品发出的角度信息转化为后焦面p1的位置信息，第三凸透镜与第四凸透镜共同作用将物镜后焦面p1的k空间的像搬移到光谱仪狭缝处，从而实现对不同角度光信号的一次性采集，即实现显微角分辨光谱的一次性采集。由于本发明通过光谱仪狭缝收集对k空间不同位置的光信号，不需要针孔以及其他任何需要机械控制移动的组件，便能够实现角分辨光谱的一次性采集，简化光路的机械结构，并且显著缩短光谱的采集时间。
15.所述微区成像模块中，白光光源发出的白光通过第二半透半反镜反射到物镜里，聚焦到三轴样品位移台上实现样品照明，经由样品反射的白光通过第三半透半反镜反射到成像ccd上，实现样品的照明成像，即通过第二半透半反镜、第三半透半反镜使得激发光束和收集信号与成像照明光路互不干扰，在实时观测样品的同时实现对微区样品预定位置光的激发，且不需要对光路中的任何光学元件进行切换，以便实时收集微区样品的角分辨光谱。
16.有益效果：
17.1、现有技术一般通过移动小孔或是透镜组件实现变角度激发，本发明公开的基于
反射镜实现变角度激发的显微角分辨光谱测量系统，通过在傅里叶变换透镜的焦面处设置反射镜，使得激发光从里叶变换透镜的焦点处出射，改变反射镜角度的同时不改变激发光出射位置，使入射光束在物镜后焦面不同位置聚焦，从而使入射光束以不同角度照射到样品台上，实现对样品的变角度激发，即通过改变反射镜入射角度实现对样品的变角度激发，不需要针孔以及其他任何需要机械控制移动的组件，简化光路的机械结构，增加光路的稳定性。由于仅需调节反射镜角度来实现样品的变角度激发，操作快捷简便，角度设置范围大，角度调控精确，有利于显微角分辨光谱测量系统的小型化、集成化。
18.2、本发明公开的基于反射镜实现变角度激发的显微角分辨光谱测量系统，样品发出的不同角度光信号经由物镜和两个平凸透镜通过傅里叶变换，实现实空间到k空间的转化，将物镜后焦面的k空间的像搬移到光谱仪狭缝处，对不同角度光信号的一次性采集。由于本发明利用光谱仪狭缝在k空间位置的完整性，通过光谱仪狭缝收集对k空间不同位置的光信号，不需要针孔以及其他任何需要机械控制移动的组件，便能够实现角分辨光谱的一次性采集，简化光路的机械结构，并且显著缩短光谱的采集时间，进而提高显微角分辨光谱测量效率。
19.3、本发明公开的基于反射镜实现变角度激发的显微角分辨光谱测量系统，通过增加微区成像模块实现对微米级别样品的区域照明和定位，利用半透半反镜既可以使一半光束透过一半光束反射的原理，使得激发光束和收集信号与成像照明光路互不干扰，在实时观测样品的同时实现对微区样品预定位置光的激发，且不需要对光路中的任何光学元件进行切换，以便实时收集微区样品的角分辨光谱。
20.4、本发明公开的基于反射镜实现变角度激发的显微角分辨光谱测量系统，在实现上述3个有益效果的基础上，使本发明具有显微角分辨光谱测量效率高、精度高、稳定性强、操作简便、结构紧凑的优点。
附图说明
21.图1为本发明的一种基于反射镜实现变角度激发的显微角分辨光谱测量系统。
22.图2为本实施例的一种基于反射镜实现变角度激发的显微角分辨光谱测量系统(按模块划分)。
23.其中：1—激光光源、2—第一凸透镜、3—小孔、4—第二凸透镜、5—反射镜、6—第一半透半反镜、7—第三凸透镜、8—第二半透半反镜、9—第三半透半反镜、10—物镜、11—三轴样品位移台、12—成像ccd、13—白光光源、14—第四凸透镜、15—光谱仪狭缝、16—emccd、17—光谱仪。
具体实施方式
24.为了更好的说明本发明的目的和优点，下面结合附图和实例对发明内容做进一步说明。
25.实施例1：
26.如图1、2所示，本实施例公开的一种基于反射镜实现变角度激发的显微角分辨光谱测量系统包括可变角度的激发光路、可实现角度分辨收集光路以及可实现对微区样品成像定位的微区成像模块。
27.可变角度的激发光路包括激光光源1、第一凸透镜2、小孔3、第二凸透镜4、反射镜5、第三凸透镜7、物镜10、三轴样品位移台11。激光光源1发出的激光通过第一凸透镜2汇聚到小孔3上，小孔3将散杂光滤掉，将激光整形成为高斯形状的激光，激光再通过第二凸透镜4变成平行的光束，第一凸透镜2与第二凸透镜4的焦距比是1：1，小孔3位于第一凸透镜2与第二凸透镜4的焦点位置。平行激光通过反射镜5，透过第一半透半反镜6，由第三凸透镜7汇聚在物镜10的后焦面p1上，再通过物镜10变成平行光，照射到三轴样品位移台11上。
28.反射镜5位于第三凸透镜7的焦平面上，两者的光程差为第三凸透镜7的焦距f1，第三凸透镜7与物镜10共聚焦，第三凸透镜7与物镜后焦面的光程差为第三凸透镜7的焦距f1。由于入射到反射镜5上的激光是平行光，由反射镜5反射的激光也是平行光。由于反射镜5位于第三凸透镜7的焦平面上，从焦平面出发的平行光会通过第三凸透镜7汇聚到其第二焦平面上，而第三凸透镜7与物镜10共聚焦，第三凸透镜7的第二焦平面与物镜后焦面p1重合，而汇聚在物镜后焦面p1上的点光源会通过物镜10变成平行光照射到三轴样品位移台11。改变反射镜5的角度，从反射镜5反射出的平行光会通过第三凸透镜7汇聚到物镜后焦面p1的不同位置，不同位置的点光源会过物镜10变成不同角度的平行光，实现入射光角度的改变。当反射镜5与入射光路的夹角为45
°
时，出射光路与第三凸透镜7以及物镜10的主光轴平行，此时实现了入射光的垂直入射到三轴样品位移台11上；此时转动反射镜5，当激光经过物镜10入光口边缘时，入射光与三轴样品位移台11的角度取决于所用物镜10的数值孔径，此时达到了一个极限的入射角度。
29.角度分辨收集光路包括三轴样品位移台11、物镜10、第三凸透镜7、第一半透半反镜6、第四凸透镜14、光谱仪狭缝15、emccd16、光谱仪17。从样品发出的不同角度的信号通过物镜10汇聚在物镜10的后焦面p1上，再通过第三凸透镜7将发散的光信号变成平行光束，通过第一半透半反镜6将平行的光信号反射到第四凸透镜14中，第四凸透镜14将平行的信号汇聚到光谱仪狭缝15上，由光谱仪17实现波长的分辨，由emccd16实现角度的分辨。
30.第三凸透镜7与第四凸透镜14共聚焦，两者的光程差为第三凸透镜7的焦距f1与第四凸透镜14的焦距f2之和；光谱仪狭缝15位于第四凸透镜14的焦点位置，两者的光程差为第四凸透镜14的焦距f2。入射激光通过一定角度照射到样品上，物镜10将样品发出的角度信息转化为后焦面p1的位置信息，第三凸透镜7与第四凸透镜14共同作用将物镜后焦面p1的k空间的像搬移到光谱仪狭缝15处，狭缝上不同位置的k空间成像对应着样品发出的不同角度的光信号，而光谱仪17由于内部的结构，其入光口和出光空的信号k空间的位置信息不改变，也就是角度信息不改变，只是通过分光实现波长的分辨，而耦合到光谱仪17出光口的emccd16通过感光芯片上光信号的位置进行角度分辨，从而得到样品的角分辨光谱。
31.可实现对微区样品成像定位的微区成像模块包括第二半透半反镜8、第三半透半反镜9、物镜10、三轴样品位移台11、成像ccd12、白光光源13。白光光源13发出的白光通过第二半透半反镜8反射到物镜10里，聚焦到三轴样品位移台11上实现样品照明，经由样品反射的白光通过第三半透半反镜9反射到成像ccd12上，实现样品的照明成像。打开白光光源13的开关，调节三轴样品位移台11与物镜10之间的距离直到可以在成像ccd12中看到样品清晰的像，然后移动三轴样品位移台11的另外两个轴，将样品移动到激光照射的位置，现对微区样品特定位置的激发以便收集微区样品的角分辨光谱。本发明可以通过转动特定的反射镜实现对激发角度的改变从而快速简便地实现变角度激发；微区成像模块可对微米级别的
样品进行成像定位从而满足对微区样品特定位置激发的需求。本发明可用于具有色散特性准粒子的角分辨光谱并且可实现定量变角度激发的角分辨光谱。
32.以上所述的具体描述，对发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。