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帶您認(rèn)識(shí)微區(qū)光譜與顯微角分辨光譜聯(lián)用系統(tǒng)
閱讀：12629 發(fā)布時(shí)間：2017-12-29
| 微區(qū)光譜技術(shù)背景 微區(qū)光譜，又稱(chēng)顯微光譜，是一種對(duì)樣品進(jìn)行μm量級(jí)空間分辨的光譜測(cè)量方法。一般來(lái)說(shuō)，光譜測(cè)量系統(tǒng)的空間分辨能力決定于系統(tǒng)中光斑的大小。對(duì)于使用自由光路的光譜測(cè)量系統(tǒng)，其光斑約在cm量級(jí)，例如大型分光光度計(jì)；對(duì)于使用光纖的光譜測(cè)量系統(tǒng)，其光斑約在mm量級(jí)，例如基于光纖光譜儀的反射率測(cè)量系統(tǒng)（圖1所示）。在微納光子學(xué)領(lǐng)域中，為了研究微觀樣品的光譜性能，經(jīng)常需要將光譜測(cè)量系統(tǒng)的空間分辨率提高至μm量級(jí)。而做到這一點(diǎn)的難度在于，必須將光斑縮小約百倍，同時(shí)將系統(tǒng)的靈敏度提高約百倍。 了解更多微區(qū)光譜或顯微光譜原理，請(qǐng)參考：顯微光譜系統(tǒng) |
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| 圖1，基于光纖光譜儀的反射率測(cè)量系統(tǒng) |
| 為了實(shí)現(xiàn)μm量級(jí)的空間分辨，微區(qū)光譜的測(cè)量通?；陲@微鏡展開(kāi)。圖2所示是一種采用了Kohler照明系統(tǒng)的現(xiàn)代商用顯微鏡架構(gòu)。為了理解微區(qū)光譜的實(shí)現(xiàn)方法，這里對(duì)顯微鏡中一些重要的平面展開(kāi)討論。顯微鏡中存在著一組重要的共軛面，包括了樣品平面、視場(chǎng)光闌平面和圖像平面。這三個(gè)共軛面的作用分別如下： ● 樣品平面：一般來(lái)說(shuō)顯微鏡的物鏡具有固定的工作距離，處于工作距離上的平面即樣品平面，只有當(dāng)樣品處于樣品平面時(shí)，顯微鏡才能成清晰的圖像； ● 視場(chǎng)光闌平面：視場(chǎng)光闌平面處于顯微鏡的入射光路，在此位置上會(huì)加載一個(gè)孔徑可調(diào)的光闌，以控制照射到樣品上的光斑大??； ● 圖像平面：圖像平面處于顯微鏡的出射光路，在此位置上的CCD相機(jī)用于圖像的實(shí)時(shí)采集。 這三個(gè)共軛面之間互為共軛關(guān)系，即三個(gè)平面之上的圖像會(huì)同時(shí)清晰。在這組共軛面上的圖像具有固定的放大比率，這個(gè)比率主要受物鏡放大倍率的影響。考慮zui簡(jiǎn)單的情況，忽略系統(tǒng)中其他光學(xué)鏡片的影響，視場(chǎng)光闌平面的圖像大小等于樣品平面的圖像大小乘上物鏡的放大倍數(shù)，視場(chǎng)光闌平面的圖像大小則等于圖像平面的圖像大小，即視場(chǎng)光闌平面和圖像平面的像都是樣品平面物體的放大實(shí)像。以100倍物鏡為例，樣品表面尺寸為1 μm的區(qū)域，對(duì)應(yīng)著視場(chǎng)光闌平面和圖像平面上尺寸為100 μm的區(qū)域。反過(guò)來(lái)，這意味著只需要在視場(chǎng)光闌位置放置一個(gè)較大孔徑的光闌，同時(shí)在圖像平面加載一根較大芯徑的光纖，即可獲得樣品平面微區(qū)的光譜信息。一般來(lái)說(shuō)，會(huì)使用較大的視場(chǎng)光闌以實(shí)現(xiàn)樣品平面全視場(chǎng)的照明，而使用一根光纖實(shí)現(xiàn)較高空間分辨的光譜收集。 |
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| 圖2，利用顯微鏡測(cè)量顯微光譜的原理 |
| 由于顯微鏡中入射光路和出射光路通過(guò)分束器分離成了兩個(gè)獨(dú)立的光路，因此可以實(shí)現(xiàn)一種特殊的微區(qū)光譜測(cè)量方案。如圖3所示，紫色光路代表了入射光線，綠色光路代表了出射光線。通過(guò)調(diào)節(jié)入射光路中視場(chǎng)光闌的位置和出射光路中光纖的位置，就可以實(shí)現(xiàn)樣品上入射光斑與出射光斑的分離。這種特殊的方案可用于表面波或波導(dǎo)等領(lǐng)域的光譜研究。 |
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| 圖3，微區(qū)光譜中發(fā)射和接收點(diǎn)異位測(cè)量的原理 |
| 在微區(qū)光譜系統(tǒng)中存在諸多光學(xué)元器件，每一個(gè)光學(xué)元器件的光學(xué)性能都會(huì)影響整個(gè)系統(tǒng)的性能。因此，在微區(qū)光譜系統(tǒng)的設(shè)計(jì)之中，需要對(duì)每個(gè)器件進(jìn)行選擇。這里討論一些重要的光學(xué)器件： 1）照明光源 顯微鏡中通常使用鹵素?zé)糇鳛檎彰鞴庠?。鹵素?zé)魧儆诤隗w輻射光源，其能量分布具有峰值波長(zhǎng)，在峰值波長(zhǎng)的兩側(cè)光譜強(qiáng)度會(huì)快速衰減，在短波長(zhǎng)波段尤其如此。另外，顯微鏡中的鹵素?zé)襞萆珳仄毡椴桓?，zui大輻射能量的波長(zhǎng)通常在可見(jiàn)光范圍，這使得短波段（紫外）和長(zhǎng)波段（紅外）的輻射光譜能量較少，導(dǎo)致信噪比較差。 為了獲取更加寬泛的微區(qū)光譜測(cè)試區(qū)域，可以選擇高壓氙燈作為照明光源。高壓氙燈屬于等離子體放電發(fā)光，能夠提供紫外至近紅外波段均勻的光譜輻射。因此，為了拓寬微區(qū)光譜測(cè)量系統(tǒng)的光譜測(cè)量波段，通常使用高壓氙燈作為照射光源。 2）分束器 顯微鏡中的分束器起到了分離入射光路和出射光路的作用。率的分束器通常采用干涉型濾光片制作。每種分束器都具有特定的適用波段，在適用波段之外分束效率將顯著下降。普通顯微鏡的設(shè)計(jì)是針對(duì)可見(jiàn)光波段的，因此內(nèi)部典型的分束器適用波段為400~700 nm。一般來(lái)說(shuō)，用于替換原顯微鏡內(nèi)分束器的光譜測(cè)量分束器具有三種波段，*種針對(duì)紫外波段設(shè)計(jì)，通常為250~450 nm，第二種針對(duì)可見(jiàn)至近紅外波段設(shè)計(jì)，通常為350~1100 nm，第三種針對(duì)近紅外波段設(shè)計(jì)，通常為900~2600 nm。為了將微區(qū)光譜系統(tǒng)的適用波段拓展至zui大，必須在微區(qū)光譜系統(tǒng)中設(shè)計(jì)切換器件，以選擇不同的分束器。 3）物鏡 物鏡是顯微鏡中zui關(guān)鍵的光學(xué)器件，決定了微區(qū)光譜系統(tǒng)的空間分辨能力。普通顯微鏡物鏡的設(shè)計(jì)波段一般為400~700 nm，一些熒光物鏡的波段可以延展至350~1100 nm。在近紅外波段，為了實(shí)現(xiàn)微區(qū)光譜測(cè)量，則必須使用一種采用反射式光路的特殊物鏡。一般來(lái)說(shuō)，由于反射光路沒(méi)有色散，因此反射式物鏡的適用波段可以從紫外覆蓋至中紅外波段，例如典型的200 nm~20μm。 4）光譜儀 在微區(qū)光譜系統(tǒng)中由于采用光纖作為圖像平面的光譜收集器件，因此作為光譜分析的設(shè)備也會(huì)采用光纖輸入的光纖光譜儀。光譜儀的選擇主要考慮兩個(gè)因素，一個(gè)是波段，另一個(gè)是靈敏度。由于可見(jiàn)至近紅外350~1100 nm波段可以使用Si基探測(cè)器，而近紅外900~2500 nm波段則必須使用InGaAs的探測(cè)器。因此，需要針對(duì)微區(qū)光譜系統(tǒng)的波段選擇不同類(lèi)型探測(cè)器的光譜儀（例如用于紫外、可見(jiàn)波段的NOVA制冷型面陣背照式光譜儀和用于近紅外波段的NIR1700近紅外光纖光譜儀）。如果微區(qū)光譜系統(tǒng)的波段跨越了Si和InGaAs兩種探測(cè)器的波段，則需要同時(shí)使用兩臺(tái)不同探測(cè)器的光譜儀。 總而言之，微區(qū)光譜系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)在空間上μm量級(jí)的光譜分辨，被廣泛應(yīng)用于物理、化學(xué)、生物等領(lǐng)域的材料光譜性質(zhì)研究?；陲@微鏡的微區(qū)光譜系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)入射光斑和出射光斑的分離。微區(qū)光譜系統(tǒng)中的關(guān)鍵器件需要根據(jù)系統(tǒng)的性能進(jìn)行認(rèn)真選擇。 顯微角分辨光譜技術(shù)背景 顯微角分辨光譜技術(shù)（Microscopic Angle Resolved Photonic Spectroscopy, MARPS）是一種直接觀測(cè)微納米材料中電磁模式色散關(guān)系的方法。與角分辨光電子能譜（ARPES）在凝聚態(tài)物理和材料科學(xué)中的作用類(lèi)似，MARPS是目前所有實(shí)驗(yàn)手段中*能直接定量測(cè)量材料的電磁模式色散關(guān)系的工具。它是在光學(xué)顯微的基礎(chǔ)上，通過(guò)引入后焦平面成像技術(shù)，將光子k空間的角度信息經(jīng)傅里葉光學(xué)變換成像至實(shí)空間，實(shí)現(xiàn)了對(duì)材料微納米尺度區(qū)域的微區(qū)光譜和角分辨光譜的同時(shí)探測(cè)。利用MARPS對(duì)光子與微納米材料相互作用機(jī)制的深入研究，對(duì)于了解凝聚態(tài)物質(zhì)基本性質(zhì)、掌握微納結(jié)構(gòu)中的特殊的電磁模式的色散關(guān)系，并應(yīng)用于微型化光電器件的開(kāi)發(fā)，都具有重要的理論和實(shí)際意義。 |
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| 圖4，顯微角分辨光譜技術(shù)的原理 |
| 顯微角分辨光譜系統(tǒng)如圖4所示，其中的光路可以分為4個(gè)部分，包括了Kohler光路、TIRF光路、Image光路和Angle Resolved光路。Kohler光路與TIRF光路共同組成了入射光路，而Image光路和Angle Resolved光路則共同組成了出射光路。 為了理解顯微角分辨的技術(shù)原理，需要對(duì)系統(tǒng)中的一組共軛面進(jìn)行分析，這組共軛面包括了物鏡后焦平面、全內(nèi)反射平面、和角分辨平面。如同共軛面的概念所表達(dá)的，這三個(gè)平面之上的圖像可以同時(shí)清晰，即全內(nèi)反射平面上的一點(diǎn)經(jīng)成像后在物鏡后焦平面上匯聚為一點(diǎn)，再經(jīng)樣品反射，zui終匯聚于角分辨平面上的一點(diǎn)。我們知道，物鏡后焦平面上的一點(diǎn)在物鏡前對(duì)應(yīng)著一個(gè)特定方向的平行光。也就是說(shuō)，全內(nèi)反射平面上的一點(diǎn)對(duì)應(yīng)著物鏡前一個(gè)特定方向的平行光?；谶@個(gè)原理，在全內(nèi)反射平面上引入一根細(xì)光纖實(shí)現(xiàn)點(diǎn)光源，即可以在物鏡前形成一個(gè)特定方向的平行光（平行度受限于光纖芯徑，芯徑越大，平行度越差）。同樣的道理，物鏡前一個(gè)特定方向的平行光，可以匯聚進(jìn)入角分辨平面上的一根光纖。因此，通過(guò)在全內(nèi)反射平面和角分辨平面上對(duì)光纖端面的位置進(jìn)行實(shí)空間掃描，即可以實(shí)現(xiàn)特定角度的入射和出射，從而實(shí)現(xiàn)角分辨的光譜測(cè)量。由于物鏡天然具有對(duì)樣品微區(qū)空間分辨的能力，因此，基于這種方法的角分辨光譜技術(shù)稱(chēng)為顯微角分辨光譜技術(shù)，實(shí)現(xiàn)這種技術(shù)的設(shè)備稱(chēng)為顯微角分辨光譜儀。 在入射光路中，可以通過(guò)切換器的光路切換實(shí)現(xiàn)兩種光源的照明條件。當(dāng)切換器切換至Kohler光路時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)全角度的照明條件。此時(shí)，所有角度的光被同時(shí)照射到樣品之上。當(dāng)切換器切換至TIRF光路時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)特定角度的照明條件。此時(shí)，只有特定角度的光被照射到樣品之上。兩種照明條件的適用情況不同。當(dāng)樣品具有顯著的衍射效應(yīng)時(shí)，例如光柵，一般使用TIRF照明條件。當(dāng)樣品不具有顯著的衍射效應(yīng)時(shí)，例如光子晶體，一般使用Kohler照明條件。 全內(nèi)反射平面與角分辨平面上光纖的運(yùn)動(dòng)模式可以有不同的組合，這形成了多種角分辨光譜的測(cè)量模式。如圖5所示，顯微角分辨光譜系統(tǒng)具有9種典型的測(cè)量模式，包括了：(a)全角度發(fā)射反射模式、(b)全角度發(fā)射透射模式、(c)定角度發(fā)射反射模式、(d)定角度發(fā)射透射模式、(e)背散射模式、(f)前散射模式、(g)發(fā)光模式、(h)自由模式、(i)編程模式等。其中，全角度發(fā)射反射模式和全角度發(fā)射透射模式常用于光子晶體材料的研究，定角度發(fā)射反射模式和定角度發(fā)射透射模式常用于光柵樣品衍射的研究，前散射模式和背散射模式常用于具有散射特性的樣品研究，而自由模式和編程模式則被用于研究更加復(fù)雜的體系。 |
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| 圖5，顯微角分辨光譜的測(cè)量模式，其中(a)為全角度發(fā)射反射模式，(b)為全角度發(fā)射透射模式、(c)為定角度發(fā)射反射模式、(d)定角度發(fā)射透射模式、(e)為背散射模式、(f)為前散射模式、(g)為發(fā)光模式、(h)為自由模式、(i)為編程模式 |
| ARM72M是一款功能全面的顯微角分辨光譜儀，在一套設(shè)備中實(shí)現(xiàn)了微區(qū)光譜與顯微角分辨光譜的聯(lián)用。目前該款設(shè)備已成功應(yīng)用于復(fù)旦大學(xué)、南京大學(xué)、上海交通大學(xué)、清華大學(xué)、蘇州大學(xué)、美國(guó)南加州大學(xué)等國(guó)內(nèi)研究單位，累計(jì)協(xié)助科研單位發(fā)表高水平文獻(xiàn)十多篇，成為光子晶體等微納光子結(jié)構(gòu)領(lǐng)域?qū)嶒?yàn)研究的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備。 |