CN102449451A - 用于注入激励光和从样本收集非弹性散射光的全反射设备 - Google Patents

Abstract

公开了一种设备，其中激光辐射使用全反射光学器件照亮样本，并且其中使用同样的元件收集来自样本的非弹性散射光。该设备避免了以来自透射的光学器件的不需要的光谱污染激光辐射的问题，同时又提供了激光辐射相对于非弹性散射光的非常高的截止。此外，该设备能够收集和发射具有较高数值孔径和较大视场的光。

Description

用于注入激励光和从样本收集非弹性散射光的全反射设备

相关申请的交叉引用

本申请要求2009年6月2日提交的、题为“All ReflectiveApparatus For Injecting Excitation Light And Collecting In-ElasticallyScattered Light From A Sample”的序列号为61/183,470的美国临时专利申请的优先权，在此通过引用的方式包含其全部内容。

技术领域

本发明一般地涉及发射和收集用于非弹性光谱法的光。特别地，本发明示出了如何利用全反射光学器件来维持所发射的光的光谱纯度，同时又收集来自样本的具有较宽视场的光，重用最靠近样本的反射光学器件和滤光器，该滤光器用于既反射所发射的光又使非弹性散射光通过。

背景技术

在执行非弹性光谱法时，利用一个波长带中的光学辐射照射样本，并且该样本发出第二波长带中的辐射。如果激励辐射在碰撞在样本上之前经过透射光学元件，则光学器件有可能产生非弹性辐射，然后该辐射中的一些被样本散射并且与样本的散射光谱干涉。因此，有时采用反射光学器件来既将入射辐射聚焦在样本上又收集来自样本的散射光。Messerschmidt在美国专利5,225,678中公开了这种设备的示例，其中将对称成对的同样的抛物面镜用于收集和重新聚焦。这种对称系统的一种公知性质是能够由此实现某些像差消除。在公布为美国专利5,311,021的部分继续申请中，Messerschmidt进一步公开了特定于拉曼光谱法(一种形式的非弹性光谱法)的设备。参考专利5,311,021的图14，经由镜16中的孔洞将输入光束引到样本，镜16还反射从样本到检测器的散射辐射。具有孔洞的镜将表现出针对所反射的散射辐射的丢失，这在散射信号较弱时可能是重要的。另一个问题是激光可能从镜中的孔径散射，或者从镜的与激励源相反的那侧的光学器件散射，该散射辐射中的一些可能入射在光谱设备上。在非弹性光谱法中，激励波长的截止通常是关键的，这是因为散射辐射可能比激励辐射弱很多量级，因此这有助于避免产生可能入射在分光计上的不需要的激励辐射的源。

可以使用干涉反射器来执行分离激励(separating excitation)和发射光谱的功能，正如Wheatley等人在美国专利7,497,608 B2中所教导的那样。在Wheatley中，反射器使发射波长透射同时又反射激励波长。Wheatley的设备仅仅旨在照亮，并且特别地，其不适合于既照亮样本又收集来自样本同一侧的散射辐射。Wheatley的设备将需要到样本第二侧的光学通路，这通常是不切实际的。

发明内容

这些以及其他限制被本发明所解决，本发明公开了一种设备，由此全反射光学器件用于既递送激励光束又收集散射辐射，有利地将相同的部分重用于这两种功能。此外，还示出了如何可以通过合适的几何学选择获得较宽的视场。

本发明利用离轴反射器来递送激励光束以及收集来自样本的散射光。长波通干涉滤光器相对于来自离轴反射器的标称准直的光以一定角度布置。长波通(LWP)滤光器将来自激励源的光的标称准直的光束反射到离轴反射器，同时又使来自样本的非弹性散射光通过。应当理解，如果非弹性散射辐射在比激励波长短的波长处，则可以使用短波通滤光器来代替LWP滤光器。还可以使用其带宽足以使非弹性散射辐射通过的带通滤光器。

在一个实施例中，为了使激励波长与所观察到的非弹性光谱之间的所需的波长保护频带最小化，同时又使视场最大化，LWP滤光器相对于非弹性光谱的传播方向以一定角度布置，该角度不超过一定限制，该角度可以从所希望的视场与离轴反射器的焦距的比率计算。也基于该设备的紧凑性，这一角度应当具有下限并且被有利地选择为大约12°。

为最大化在激励源波长处对不需要的辐射的截止，以不同于第一LWP滤光器的角度布置的第二LWP滤光器可以部署在标称准直的区域中。

附图说明

图1A是示出与所收集的非弹性光谱相关联的光线的光学设计的等距图。图1B是示出与激励光束相关联的光线的等距图，仅包含对激励光束进行操作的那些光学元件。

具体实施方式

参考图1A，散射非弹性光谱的辐射15源发于点10处。在经过光学窗口20之后，辐射15入射在离轴反射器30上，离轴反射器30标称地准直光。非弹性光谱经过第一LWP滤光器40，然后经过第二LWP滤光器50。注意，LWP滤光器40、50相对于标称准直的非弹性光谱的传播方向以一定角度布置。然后，非弹性光谱入射在第二离轴反射器60上、被平面镜70反射并且聚焦在点80附近。

参考图1B，激励光束90入射在LWP滤光器40上，被LWP滤光器40反射。然后，激励光束90入射在离轴反射器30上，并且聚焦通过窗口20。激励光束90不必聚焦在图1A的点10处，并且一般来说可以偏离从中收集非弹性光谱的位置。

LWP滤光器40相对于离轴反射器30与LWP滤光器40之间的区域中的标称准直的光以角度I布置。因此，激励光束90能够跳过离轴反射器30而非基本上被其渐晕。当设备的紧凑性比较重要时，离轴反射器30与LWP滤光器40之间的距离应当最小化。对于给定的激励光束直径D_e、离轴反射器30的直径D_r以及离轴反射器30与LWP滤光器40之间的距离d，对于入射角I＜＜1弧度，如果下式成立，则激励光束将跳过离轴反射器30：

I＞(D_r+D_e)/2d            (1)

其中还假定激励光束90的中心光线入射在离轴反射器30的中心上，并且中心光线将被离轴反射器30偏转90°。

在很多环境中，使器件的视场最大化以便收集尽可能多的信号也是比较重要的。如果收集区域具有半径R，并且离轴反射器30的焦距是f，则对于R＜＜f，源自收集区域中的极限点的准直的光束将与源自中心的准直的光束形成的角度B将由下式给出：

B＝R/f                   (2)

相比用于垂直入射光的频带边缘，用于以非垂直角度入射的光的LWP滤光器的频带边缘将移动到较短的波长。频带边缘波长W’与相对于表面法线的入射角I之间的关系由下式给出：

W’＝W[1-(sinI/n_eff)²]^1/2            (3)

其中n_eff是滤光器的有效折射率并且一般来说在偏振的基础上不同，并且W是用于垂直入射光的频带边缘的波长。对公式3的研究表明，频带边缘相对于角度的改变速率对于45°的标称角度而言是最大的，并且对于小于45°的角度而言是标称入射角的单调递减函数。随着频带边缘转变到较短的波长，变得有必要允许所反射的激励辐射的波长与非弹性散射光谱的要被观察到的最短波长之间的越来越大的保护频带。这可能导致牺牲较短波长处的有价值的光谱信息。作为替代，可以减小照亮用于非弹性光谱的滤光器的角度的范围。这将导致角度I的减小的范围，在公式3中其将减少W’-W。根据公式2，入射角范围的减小是通过减小视场半径来实现的，这将具有减少所收集的信号的后果。作为替代，可以增加光学器件的焦距，导致牺牲紧凑性。根据前述内容，显然，应当使得滤光器的标称入射角度尽可能小，因为滤光器频带边缘对角度偏差的敏感度对于较小的标称入射角度为最小。然而，对紧凑性的考虑暗示着相反的方向，即使得角度尽可能大。那么显然，存在对于滤光器而言最优的角度范围。

以下示例提供了用于优选实施例的设计方针。令反射器30与焦点10之间的距离为6mm。反射器的形式为抛物面是有利的。将激励波长选择为特别适合于对生物样本执行拉曼光谱法的835nm。希望在非弹性散射光谱中收集的最小波长为850nm。LWP滤光器40具有高反射和高透射之间的全宽为7nm的过渡，这对于市场上可买到的高性能LWP滤光器而言是典型的。如果从半径R＝0.3mm的区域进行收集，则根据公式2的角度B为0.05弧度或2.9°。如果将标称入射角度I选择为12°，则最小入射角和最大入射角将分别是12°-2.9°和12°+2.9°或者9.1°和14.9°。将滤光器的频带边缘选择为位于对于12°的入射角而言激励波长与将在非弹性光谱中观察到的最小波长之间的间隙的中间，因此，在这一示例中，频带边缘W′在842.5nm处。然后，根据公式3，对于n_eff＝1.7(商用LWP滤光器的典型值，但具有低至1.5的n_eff的滤光器也是有用的)，以0°入射的频带边缘W为849nm。在公式3中使用W的这一值，能够得到针对最小入射角和最大入射角的W′，因此，对于I＝9.1°，W’＝845nm，并且对于I＝14.9°，W’＝839nm。回想频带的全宽是7nm，则半宽是3.5nm。频带边缘W′最接近于对于9.1°的角度而言针对非弹性光谱的观察的最小波长。如果将所需的保护频带的半宽添加到845nm的相应频带边缘，则得到848.5nm，这仍然比所选择为要观察的850nm的最小波长短，因此达到了所提出的要求。如果激励波长与非弹性散射辐射的最靠近激励波长的、希望观察的波长之间的差值比上述示例中小，则对于先前的示例中的反射器和滤光器，可能需要将视场减小为例如0.15mm的半径或0.3mm的直径。

在这一示例中，因为反射角等于入射角，激励光束90在滤光器40上的入射角也是12°，因此，在该示例中，激励光束将会按照需要被高度反射。

对于F/1.4系统，离轴反射器30的直径D_r将是4.3mm。如果激励光束90精确地充满了反射器30，则光束直径D_e也是4.3mm。根据公式1，能够因此推断激励光束将需要d＞20mm来跳过离轴反射器。一般而言，激励光束90可以更小，然而，相对于激励光束90的源，系统可能具有大于1的放大率。这可能是可接受的，除非源的横向尺寸太大(正如在激光器阵列的情况下可能发生的那样)。如果激励光束90更小，则可以减小距离d。作为替代，可以减小入射角。例如，对于示例中的无穷小的入射光束，可以将角度减小为大约6°那么小。如果激励辐射的波长与非弹性散射辐射的在波长上最靠近激励波长的、希望观察的波长之间的差值比先前示例中大，则可以使得入射角更大，例如高达30°。

对角度的适当选择引起对用于所透射的光的激励波长的良好截止，但该截止可以通过插入第二LWP滤光器来进一步提高，这在图1A中示出为项50。在其中频带边缘对角度偏差的敏感度最小的大约0°的入射角处，未被第一LWP截止的光可能被滤光器高度截止。这特别适合于拉曼光谱法，因为与激励光束的功率相比，信号是非常弱的。所提出的示例预期会提供至少九个量级的截止，其中第一滤光器预期会具有至少三个量级的截止。

在特别优选的实施例中，由第二离轴反射器60将与非弹性光谱相关联的光聚焦为图像，第二离轴反射器60被选择为与第一反射器30一样，这两个反射器被有利地选择为抛物面。这种选择使像差最小化，而不会增加过度的光学复杂度。图1A的平面镜70可以部署在第二离轴反射器60之后以在任何所希望的方向上偏转聚焦的光以供进一步处理。

显然，在这一示例中所建议的光学系统的尺寸可以均匀地缩放，同时具有大致类似的性能。

可以按照更大的入射角部署具有更高n_eff的滤光器，得到更紧凑的器件，同时又保持所有其他要求。基于光子晶体(其为一维、二维或三维的周期性结构)的LWP滤光器在某个波长范围之上可以具有非常高的n_eff，例如n_eff＞2.0，因此对于本申请而言将是特别希望的。

离轴反射器30的抛物面以外的表面形状的选择是可能的，诸如施密特-卡塞格林望远镜，然而，通常重要的是避免使得激励光束经过透射光学器件以便避免被来自光学材料的拉曼散射和荧光污染，因此一般用于非抛物面镜的像差校正器可能是不适当的。

图1A中的光学窗口20应当由不会呈现出与来自样本的光谱干涉的光谱的材料制成。生物标本的光谱法的合适选择是氟化镁和蓝宝石。还将窗口20有利地选择为与焦距相比较薄，从而使得其不会引入显著的球面像差。

虽然该详细描述包含很多特定细节，但这些特定细节不应当解释为对本发明范围的限制，而仅仅应当解释为对本发明的不同示例和方面的说明。应当意识到，本发明的范围包括上面并未详细讨论的其他实施例。在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以在此处公开的本发明的设备的布置和细节方面进行对本领域技术人员来说将显而易见的各种其他修改、改变和变更。

Claims (12)

1.一种用于将光学辐射发射到样本上并且收集来自样本的非弹性散射辐射的设备，包括：

第一离轴反射器，其将标称准直的辐射聚焦到样本上，并且收集来自所述样本的散射辐射；

至少一个滤光器，其中最靠近所述第一离轴反射器的滤光器反射来自光源的辐射，从而使得其被所述第一离轴反射器拦截，并且所述最靠近所述第一离轴反射器的滤光器使被所述第一离轴反射器反射的非弹性散射辐射透射，所述最靠近所述第一离轴反射器的滤光器以一定角度部署，从而使得来自所述光源的光束在其入射在所述滤光器上之前将不会被所述第一离轴反射器基本上拦截；以及

用于聚焦由所述最靠近所述第一离轴反射器的滤光器透射的辐射的装置。

2.根据权利要求1的设备，其中所述用于聚焦由所述滤光器透射的辐射的装置是与所述第一离轴反射器基本上同一种形式的第二离轴反射器。

3.根据权利要求1的设备，其中所述最靠近第一离轴反射器的滤光器相对于来自所述样本的辐射在被所述第一离轴反射器反射之后的方向以6°与30°之间的角度部署。

4.根据权利要求1的设备，其中所述第一离轴反射器为抛物面。

5.根据权利要求1的设备，其中所述最靠近第一离轴反射器的滤光器具有对于任一偏振至少1.50的有效折射率。

6.根据权利要求5的设备，其中所述最靠近第一离轴反射器的滤光器由2维或更多维的周期性结构构成，并且所述第一离轴反射器具有超过2.0的有效折射率。

7.根据权利要求1的设备，其中一个或多个附加滤光器部署为比反射来自所述光源的辐射的所述最靠近离轴反射器的滤光器离所述第一离轴反射器更远，每个附加滤光器不平行于所述第一滤光器，并且每个附加滤光器基本上反射具有所述光源的波长的辐射同时又使所述非弹性散射辐射通过。

8.根据权利要求7的设备，其中所述一个或多个附加滤光器中的至少一个滤光器相对于所述标称准直的光束以0°的标称角度部署。

9.根据权利要求1的设备，其中在所述样本与所述第一离轴反射器之间插入光学窗口。

10.根据权利要求1的设备，其中所述光源的波长与由所述最靠近第一离轴反射器的滤光器透射的最短波长之间的差值小于所述光源的标称波长的2％。

11.根据权利要求1的设备，其中所述样本处的视场大于从所述第一离轴反射器到焦点的距离的5％。

12.根据权利要求1的设备，其中所述最靠近第一离轴反射器的滤光器使来自所述光源的不多于0.1％的入射辐射透射。

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