CN103940800A - 激光共焦布里渊-拉曼光谱测量方法与装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于显微成像及光谱测量技术领域，将共焦显微技术与光谱探测技术相结合，涉及一种“图谱合一”的高分辨光谱成像与探测方法及装置，可用于各类样品的三维形貌重构及微区形态性能参数测量。该方法与装置利用传统共焦拉曼系统遗弃的瑞利光采用共焦技术对样品进行位置探测，光谱探测系统进行光谱探测，利用传统共焦拉曼光谱探测技术遗弃的布里渊散射光对材料的弹性和压电等性质进行测试，从而实现样品微区高空间分形态参数测量。本发明具有定位准确，高空间分辨力，光谱探测灵敏度高和测量聚焦光斑尺寸可控等优点，在生物医学、法庭取证、微纳制造、材料工程、工程物理、精密计量、物理化学等领域有广泛的应用前景。

Description

激光共焦布里渊-拉曼光谱测量方法与装置

技术领域

本发明属于显微光谱成像技术领域，将共焦显微技术与光谱探测技术相结合，涉及一种激光共焦布里渊-拉曼光谱测量方法与装置，可用于样品的微区形态性能参数综合测试与高分辨成像。 

技术背景

激光共焦拉曼光谱测试技术是将显微分析技术与拉曼光谱分析技术结合起来的新技术，它将入射激光通过显微镜聚焦到样品上，从而可以在不受周围物质干扰的情况下，获得所照样品微区的分子结构等，被称为分子探针。它不仅可以观测样品同一层面内不同微区的拉曼光谱信号，还能分别观测样品内深度不同的各个层面的拉曼信号，对被测样品进行断层扫描，从而在不损伤样品的情况下达到进行“光学切片”的效果。激光共焦拉曼光谱测试技术由于其无损光谱层析成像能力及高分辨率，已广泛应用于物理、化学、生物医学、石油化工、环境科学、材料科学、地质、刑侦和珠宝等领域。 

目前，典型的激光共焦拉曼光谱探测仪的原理如图1所示，激光沿光路依次聚光镜聚焦、针孔、准直透镜、偏振分光棱镜、四分之一波片、物镜后，聚焦在被测样品上，激发出载有样品光谱特性的拉曼散射光；移动被测样品，使对应被测样品不同区域的拉曼散射光再次通过四分之一波片并被偏振分光棱镜反射，进入共焦拉曼光谱探测系统进行光谱探测。 

现有激光共焦拉曼光谱探测仪存在以下问题：1、为了减小拉曼散射光的能量损失，系统中选取的针孔通常在150μm～200μm之间，系统利用共焦方式进行焦点定位，针孔尺寸直接影响共焦轴向定位曲线的半高宽，针孔尺寸较大导致系统定焦精度降低，即降低空间分辨力；2、利用微弱的拉曼散射光进行定位，降低了系统的灵敏度；3、在长时间光谱探测过程中，系统容易受环境等因素影响发生漂移，产生离焦，降低系统空间分辨力；4、系统只可进行光谱探测，模式单一。上述原 因限制了共焦拉曼光谱显微系统探测微区光谱的能力，制约了共焦拉曼光谱技术的进一步发展。 

此外，现有激光共焦拉曼光谱探测仪还遗弃了含有丰富样品信息的布里渊散射光谱，使其在材料的弹性和压电等性质测试方面受限，制约了机械形态性能参数的同时测量需求。 

基于上述情况，本发明提出共焦探测系统利用现有共焦拉曼光谱探测系统收集到的样品散射光中遗弃的强于样品拉曼散射光10³～10⁶倍的瑞利光束进行高精度探测，利用遗弃的布里渊散射光谱对样品的弹性、压电等方面进行测试，使其与拉曼光谱探测系统有机融合，以期实现高空间分辨共焦布里渊-拉曼光谱成像与探测，而实现高空间分辨力的光谱探测是目前光谱显微测试领域亟待解决的问题，具有极其重要的理论和学术价值。 

发明内容

本发明的目的是：为了克服现有共焦拉曼光谱探测技术空间分辨力难以提高以及应用受限的不足，提出一种激光共焦布里渊-拉曼光谱测量方法和装置。 

本发明专利的具体思路是：将激光共焦技术与拉曼光谱探测技术有机结合，共焦系统利用系统收集到的样品散射光中的瑞利光束对聚焦光斑的焦点进行实时跟踪与空间位置探测，利用遗弃的布里渊散射光谱对样品的弹性、压电等方面进行测试，拉曼光谱探测系统利用系统收集到的样品的散射光中的拉曼散射光进行光谱探测，然后再将共焦探测系统信号与拉曼、布里渊光谱探测系统信号有机融合，从而实现对样品形态性能参数的高空间分辨探测。 

本发明的目的是通过下述技术方案实现的。 

本发明的激光共焦布里渊-拉曼光谱测量方法，是利用二向色分光系统将拉曼散射光从瑞利光和布里渊散射光中分离出来，瑞利光和布里渊散射光经分光系统分束后一部分进入共焦探测系统进行焦点定位，另一部分进入布里渊光谱探测系统进行布里渊光谱探测，拉曼散射光进入拉曼光谱探测系统进行拉曼光谱探测，利用共焦曲线最大值 M与焦点O位置精确对应这一特性，通过寻找最大值来精确捕获激发光斑焦点位置的光谱信息，实现高空间分辨的光谱探测，该方法的具体实现步骤如下： 

1)通过激发光束产生系统产生激发光，经过第一分光系统、物镜后，聚焦在被测样品上，并激发出瑞利光、载有被测样品光谱特性的拉曼散射光以及布里渊散射光； 

2)移动被测样品，使瑞利光及对应被测样品不同区域的拉曼散射光、布里渊散射光再次经过物镜，并被第一分光系统反射至二向色分光系统，二向色分光系统将拉曼散射光与瑞利光、布里渊散射光进行分离； 

3)瑞利光和布里渊散射光被二向色分光系统反射进入第二分光系统，经第二分光系统透射的瑞利光和布里渊散射光进入共焦探测系统，利用共焦探测系统中的第一探测器，测得反映样品凹凸变化的强度响度相应I(ν,u)，即可进行三维尺度层析成像测试，其中，v为横向归一化光学坐标，u为轴向归一化光学坐标； 

4)经第二分光系统反射的瑞利光和布里渊散射光进入布里渊光谱探测系统，利用布里渊光谱探测系统测得载有被测样品特性的布里渊散射信号I(λ_B)，即可进行布里渊光谱测试，其中λ_B为布里渊光谱波长； 

5)拉曼散射光经二向色分光系统透射进入拉曼光谱探测系统，利用拉曼光谱探测系统测得载有被测样品特性的拉曼散射信号I(λ_r)，即可进行拉曼光谱测试，其中λ_r为拉曼光谱波长； 

6)将I(ν,u)、I(λ_r)和I(λ_B)送到数据处理模块11进行处理，从而获得包含被测样品位置信息I(ν,u)和光谱信息I(λ_r)、I(λ_B)的三维测量信息I(ν,u,λ_r,λ_B)； 

7)使被测样品沿x、y方向扫描，物镜沿z方向扫描，重复上述步骤测得对应物镜焦点位置附近的一组i个包含位置信息I(ν,u)和光谱信息I(λ_r)、I(λ_B)的序列测量信息{I_i(λ_r,λ_B)，I_i(ν,u)}； 

8)利用可分辨区域δ_i对应的位置信息I_i(ν,u)，找出对应δ_i区域的光谱信息I_i(λ_r,λ_B)值，再依据v与横向位置坐标(x,y)的关系以及u与轴向位置坐标z的关系，重构反映被测物微区δ_i三维尺度和光谱特性的信息I_i(x_i,y_i,z_i,λ_ri,λ_Bi)，即实现了微区δ_min的光谱探测和三维几何 位置探测； 

9)对应最小可分辨区域δ_min的三维尺度和光谱特性由下式确定： 

$I_{{\mathrm{\σ}}_{\min }}(x,y,z,{\mathrm{\λ}}_r,{\mathrm{\λ}}_B)=I_i(x,y,z,{\mathrm{\λ}}_r,{\mathrm{\λ}}_B){|}_{I_i(v,u)=\left(I_i(v,u)\right)\max }$

即实现了高空间分辨共焦布里渊、拉曼光谱探测。 

本发明的探测方法中，共焦曲线最大值M处对应物镜焦点O，此处聚焦光斑尺寸最小，探测的区域最小，共焦曲线其他位置对应物镜的离焦区域，在焦前或焦后BB'区域内的聚焦光斑尺寸随离焦量增大而增大，利用此特点，通过调整样品的z向离焦量，并根据实际测量精度需求来控制聚焦光斑的尺寸，可实现对样品探测区域大小可控。 

本发明的探测方法中，激发光束可以是偏振光束：线偏光、圆偏光、径向偏振光等；还可以是由光瞳滤波技术生成的结构光束，其与偏振调制技术联用可以压缩测量聚焦光斑尺寸，提高系统横向分辨力。 

本发明提供了一种激光共焦布里渊-拉曼光谱测量装置，包括激发光束产生系统、第一分光系统、物镜、三维扫描系统、二向色分光系统、拉曼光谱探测系统、第二分光系统、布里渊光谱探测系统、共焦探测系统及数据处理模块；其中，第一分光系统、物镜、三维扫描系统沿光路依次放置在激发光束产生系统的出射方向，二向色分光系统位于第一分光系统的反射方向，拉曼光谱探测系统位于二向色分光系统的透射方向，第二分光系统位于二向色分光系统的反射方向，布里渊光谱探测系统位于第二分光系统的反射方向，共焦探测系统位于第二分光系统的反射方向，数据处理模块与拉曼光谱探测系统、布里渊光谱探测系统和共焦探测系统连接，用于融合并处理拉曼光谱探测系统、布里渊光谱探测系统和共焦探测系统采集到的数据。 

本发明的装置中，光谱探测系统可以是普通拉曼、布里渊光谱探测系统，包括沿光路依次放置的第三聚光镜、位于第三聚光镜焦点位置的拉曼光谱仪及位于拉曼光谱仪后的第二探测器，沿光路依次放置的第四聚光镜、位第四于聚光镜焦点位置的布里渊光谱仪及位于布里渊光谱仪后的第三探测器，用于被测样品的表层光谱探测；还可以是共焦拉曼、布里渊光谱探测系统，包括沿光路依次放置的第三聚光镜、位于第三聚光镜焦点位置的第三针孔、第三位于针孔后的第五聚光镜、位于第五聚光镜之后的拉曼光谱仪及位于拉曼光谱仪后的第二探测 器，沿光路依次放置的第四聚光镜、位于第四聚光镜焦点位置的第四针孔、位于第四针孔后的第六聚光镜、位于第六聚光镜之后的布里渊光谱仪及位于布里渊光谱仪后的第三探测器，用于提高系统信噪比和空间分辨力，以及对被测样品的层析光谱探测。 

本发明的装置中，激发光束产生系统还可以包括偏振调制器及光瞳滤波器，用于产生偏振光及结构光束。 

本发明的装置中，用于压缩激发光斑的光瞳滤波器可以位于径向偏振光发生器与第一分光系统之间，还可以位于第一分光系统与物镜之间。 

本发明的装置中，布里渊光谱探测系统还可以放在第二分光系统的透射方向，共焦探测系统位于第二分光系统的反射方向。 

本发明的装置中，激发光束产生系统还可以放第一分光系统的反射方向，二向色分光系统沿光路依次放在第一分光系统的透射方向，拉曼光谱探测系统位于二向色分光系统的透射方向，第二分光系统位于二向色分光系统的反射方向，布里渊光谱探测系统位于第二分光系统的反射方向，共焦探测系统位于第二分光系统的透射方向，数据处理模块连接共焦探测系统、拉曼光谱探测系统与布里渊光谱探测系统。 

本发明的装置中，还可以包括第三分光系统及位于第三分光系统反射方向的显微观察系统，用于被测样品粗瞄；其中，第三分光系统可以位于激发光束产生系统与第一分光系统之间，还可以位于第一分光系统与物镜之间。 

本发明的装置中，数据处理模块包括用于处理位置信息的共焦数据模块和用于融合位置信息和光谱信息的数据融合模块。 

有益效果： 

本发明对比已有技术具有以下创新点： 

1)本发明通过合理设计能够对蕴含不同信息的拉曼散射光谱和布里渊散射光谱同时进行探测，形成优势互补，实现了对材料成分与基本物理性质的高分辨探测，便于多性能参数的综合测试； 

2)利用共焦系统轴向响应曲线的最大值点与焦点位置精确对应这一特性，通过特性曲线最大值点来精确捕获激发光斑焦 点位置的光谱信息，实现高空间分辨的光谱探测； 

3)利用二向色分光装置对系统收集到的瑞利光和载有被测样品信息的拉曼散射光进行分光，瑞利光进入共焦探测系统，拉曼散射光进入拉曼光谱探测系统，实现光能的完全利用，使微弱的拉曼散射光能够无损的进入拉曼光谱探测系统，提高系统光谱探测灵敏度； 

4)将共焦显微系统与拉曼光谱成像系统在结构和功能上相融合，既可实现样品微区几何参数的层析成像，又可实现样品微区的光谱探测，即同时实现三维尺度层析成像、图谱层析成像和光谱测试三种成像模式； 

5)可以通过对共焦探测系统和布里渊光谱探测系统之前的分光系统选择合适的透反比，以最大化利用光强。 

本发明对比已有技术具有以下显著优点： 

1)融合共焦技术和光谱探测技术，利用共焦系统对焦点的精确定位，大幅提高光谱探测的空间分辨力； 

2)利用共焦响应曲线的离焦区域，调控聚焦光斑尺寸，可满足不同测试需求，使系统具有通用性； 

3)系统同时兼顾微尺度层析成像、图谱层析成像及光谱测试三种成像模式。 

附图说明

图1为共焦拉曼光谱成像方法示意图； 

图2为激光共焦布里渊-拉曼光谱测量方法示意图； 

图3为激光共焦布里渊-拉曼光谱测量装置示意图； 

图4为具有共焦光谱探测功能的激光共焦布里渊-拉曼光谱测量装置示意图； 

图5为布里渊光谱透射式探测的激光共焦布里渊-拉曼光谱测量装置示意图； 

图6为激发光源反射式激光共焦布里渊-拉曼光谱测量装置示意 图； 

图7为具有显微功能的激光共焦布里渊-拉曼光谱测量装置示意图； 

图8为具有显微功能的激光共焦布里渊-拉曼光谱测量方法与装置实施例示意图； 

其中，1-激发光束产生系统、2-第一分光系统、3-物镜、4-被测样品、5-三维扫描系统、6-二向色分光系统、7-拉曼光谱探测系统、8-第二分光系统、9-布里渊光谱探测系统、10-共焦探测系统、11-数据处理模块、12-拉曼光谱响应曲线、13-共焦响应曲线、14-布里渊光谱响应曲线、15-第一聚光镜、16-第一针孔、17-第一探测器、18-激光器、19-第二聚光镜、20-第二针孔、21-第一准直透镜、22-径向偏振光发生器、23-光瞳滤波器、24-第三聚光镜、25-拉曼光谱仪、26-第二探测器、27-第四聚光镜、28-布里渊光谱仪、29-第三探测器、30-共焦数据模块、31-数据融合模块、32-第三针孔、33-第五聚光镜、34-第四针孔、35-第六聚光镜、36-第三分光系统、37-显微观察系统、38-第四分光系统、39-柯勒照明系统、40-第七聚光镜、41-第四探测器、42-入射狭缝、43-平面反射镜、44-第一凹面反射聚光镜、45-光谱光栅、46-第二凹面反射聚光镜、47-出射狭缝、48-第五针孔、49-第二准直透镜、50-第一偶角棱镜、51-第二偶角棱镜、52-第一多通F-P、53-第二多通F-P、54-第八聚光镜、55-第六针孔、56-四分之一波片。 

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。 

本发明的基本思想是利用共焦探测和共焦拉曼探测相结合实现高空间分辨的拉曼光谱探测，利用布里渊散射光对样品的弹性、压电等参数进行测量。 

如图2所示，激发光束产生系统1产生激发光，经过第一分光系统2、物镜3后，聚焦在被测样品4上，并激发出瑞利光和载有被测样品4光谱特性的拉曼散射光以及布里渊散射光，激发出的拉曼散射光、布里渊散射光和瑞利光被系统收集回光路中，经过物镜3后被偏 振分光棱镜2反射至二向色分光系统6，经二向色分光系统6分光后，拉曼散射光从瑞利光和布里渊散射光中分离出来，瑞利光和布里渊散射光进入第二分光系统8进行分束，经第二分光系统8透射的瑞利光和布里渊散射光进入共焦探测系统10进行位置探测，经第二分光系统8反射的瑞利光和布里渊散射光进入布里渊光谱探测系统9进行布里渊光谱探测，经二向色分光系统6透射的拉曼散射光进入拉曼光谱探测系统7进行拉曼光谱探测。 

如图3所示，本装置包括沿光路依次放置的激发光束产生系统1、第一分光系统2、物镜3、被测样品4、三维扫描系统5、第一分光系统2反射方向的二向色分光系统6，位于二向色分光系统6透射方向的拉曼光谱探测系统7，位于二向色分光系统6反射方向的第二分光系统8，位于第二分光系统8反射方向的布里渊光谱探测系统9，以及位于第二分光系统8透射方向的共焦探测系统10，还包括连接拉曼光谱探测系统7、布里渊光谱探测系统9和共焦探测系统10的数据处理模块11。 

将图3中拉曼光谱探测系统7替换为包括第三聚光镜24、第三针孔32、第五聚光镜33、拉曼光谱仪25及第二探测器26的共焦拉曼光谱探测系统，将布里渊光谱探测系统9替换为包括第四聚光镜27、第四针孔34、第六聚光镜35、拉曼光谱仪28及第三探测器29的共焦布里渊光谱探测系统，如图4所示。 

把图4中的布里渊光谱探测系统放置于第二分光系统8的透射方向，共焦探测系统10放置于第二分光系统8的反射方向，即构成图5。 

把图4中的激发光束产生系统1放置于第一分光系统2的反射方向，二向色分光系统6放置于第一分光系统2的透射方向，即构成图6。 

在偏振第一分光系统2与物镜3之间添加第三分光系统36，第三分光系统36反射方向添加显微观察系统37，即构成图7。 

实施例 

本实施例中，第一分光系统2为偏振分光棱镜，三维扫描系统5为三维扫描工作台，二向色分光系统6为Notch filter，第二分光系统8 为分光镜，布里渊光谱仪28为F-P干涉仪，第三分光系统36为保偏分光棱镜，第四分光系统38为宽带分光棱镜，第四探测器41为CCD。 

如图6所示，激光共焦布里渊-拉曼光谱测量方法，其测试步骤如下： 

首先，柯勒照明系统39产生均匀白光，白光透过宽带分光棱镜38后，被保偏分光棱镜36反射，经过物镜3聚焦在被测样品4上，白光被反射回原光路，经物镜3后被保偏分光棱镜36、宽带分光棱镜38分别反射后，经过第七聚光镜40后进入CCD41，通过观察CCD41中的图像对被测样品4进行粗瞄，以确定被测样品4需要观测的区域对被测样品4进行粗定位。 

然后，激光器18发出的光束经第二聚光镜19会聚后进入第二针孔20，经过第一准直透镜21后准直扩束为平行光，经过径向偏振光发生器22和光瞳滤波器23后进入偏振分光棱镜2透射后，通过物镜3形成压缩光斑聚焦在被测样品4上，并激发出瑞利光和载有被测样品4光谱特性的拉曼散射光和布里渊散射光，被测样品4可通过增强拉曼光谱纳米粒子等拉曼增强技术进行处理，以提高拉曼散射光的强度。 

移动被测样品4，使瑞利光及对应被测样品4不同区域的拉曼散射光、布里渊散射光被系统收集回原光路进入过物镜3，经偏振分光棱镜2反射后，进入Notch filter6，Notch filter6将拉曼散射光与其他光谱无损分离，经Notch filter6透射的拉曼散射光进入拉曼光谱探测系统7，拉曼散射光被第三聚光镜24会聚进入第三针孔32后到达第五会聚镜33，被第五会聚镜33会聚后进入拉曼光谱仪25，拉曼散射光经入射狭缝42，平面反射镜43和第一凹面反射聚光镜44反射后到达光谱光栅45，光束经过光谱光栅45衍射后，被第二凹面反射聚光镜46反射聚焦到出射狭缝47上，最后入射到第二探测器26。由于光栅的衍射作用，拉曼光谱中不同波长的光相互分离，从出射狭缝47出来的光线为单色光，当光谱光栅45转动时，从出射狭缝47出射的光波长不同，通过监测第二探测器26的响应值和光栅旋转的角度即可得到被测样品4的拉曼光谱；经Notch filter6反射的瑞利光和布里渊散射光进入分光镜8，经分光镜8反射的瑞利光和布里渊散射光进入布 里渊光谱探测系统，包括位于第四聚光镜27焦点处的第四针孔34，位于第四针孔34之后的第六聚光镜35，位于第六聚光镜之35后的F-P干涉仪28，及位于F-P干涉仪28后的第三探测器29，其中，F-P干涉仪28包括第五针孔48、第二准直透镜49、第一偶角棱镜50、第二偶角棱镜51、第一多通F-P52、第二多通F-P53、第八聚光镜54以及第六针孔55；经分光镜8透射的瑞利光和布里渊散射光进入共焦探测系统10，光束经过第一聚光镜15、位于第一聚光镜15焦点位置的第一针孔16后被第一探测器17接收。 

测量过程中，通过三维扫工作台5对被测样品4进行轴向和横向扫描时，共焦探测系统10中的第一探测器17，测得反应被测样品4凹凸变化的强度响应为I(ν,u)，将所得强度响应I(ν,u)传送到共焦数据模块11进行处理，其中，v为横向归一化光学坐标，u为轴向归一化光学坐标； 

拉曼光谱探测系统7中第二探测器26探测到的载有被测样品4拉曼光谱信息的拉曼散射光光谱信号为I(λ_r)(λ_r为拉曼光谱波长)； 

布里渊光谱探测系统9中第三探测器29探测到的载有被测样品4布里渊光谱信息的布里渊散射光光谱信号为I(λ_B)(λ_B布里渊光谱波长)； 

将I(λ_r)、I(λ_B)和I(ν,u)传送到数据融合模块30进行数据处理，从而获得包含被测样品4位置信息I(ν,u)和光谱信息I(λ_r,λ_B)的三维测量信息I(ν,u,λ_r,λ_B)。 

使被测样品4沿x、y方向扫描，物镜3沿z方向扫描，重复上述步骤测得对应物镜焦点位置附近的一组i个包含位置信息I(ν,u)和光谱信息I(λ_r)、I(λ_B)的序列测量信息{I_i(λ_r,λ_B)，I_i(ν,u)}； 

利用可分辨区域δ_i对应的位置信息I_i(ν,u)，找出对应δ_i区域的光谱信息I_i(λ_r,λ_B)值，再依据v与横向位置坐标(x,y)的关系以及u与轴向位置坐标z的关系，重构反映被测物微区δ_i三维尺度和光谱特性的信息I_i(x_i,y_i,z_i,λ_ri,λ_Bi)，即实现了微区δ_min的光谱探测和三维几何位置探测； 

对应最小可分辨区域δ_min的三维尺度和光谱特性由下式确定： 

$I_{{\mathrm{\σ}}_{\min }}(x,y,z,{\mathrm{\λ}}_r,{\mathrm{\λ}}_B)=I_i(x,y,z,{\mathrm{\λ}}_r,{\mathrm{\λ}}_B){|}_{I_i(v,u)=\left(I_i(v,u)\right)\max }$

这样即可实现高空间分辨的共焦拉曼光谱探测。 

从图8中可以看出，通过共焦探测系统10响应曲线的极大值点，可精确捕获激发光斑的焦点位置，从测量序列数据{I_i(λ_r,λ_B)，I_i(ν,u)}中，抽取对应焦点位置O的激发光谱，即实现了微区δ_min的光谱探测和三维几何位置探测。 

通过对测量信息{I_i(λ_r,λ_B)，I_i(ν,u)}的融合处理，可实现上式所示的多种测量模式，即：微区图谱层析成像测试、微区拉曼光谱层析成像、微区布里渊光谱层析成像、三维尺度层析成像、拉曼光谱探测、布里渊光谱探测等。 

如图8所示，激光共焦布里渊-拉曼光谱测量装置包括位于偏振分光棱镜2入射方向的激发光束产生系统1、位于偏振分光棱镜2透射方向沿光路依次放置的物镜3、被测样品4、三维扫描工作台5及位于偏振分光棱镜2反射方向的Notch filter6、位于Notch filter6透射方向的拉曼光谱探测系统7、位于Notch filter6反射方向的分光镜8，位于分光镜8反射方向的布里渊光谱探测系统，位于分光镜8透射方向的共焦探测系统10、及位于共焦探测系统10、拉曼光谱探测系统7和布里渊光谱探测系统9连接处的数据处理模块11；其中，激发光束产生系统1用于产生激发光束，包括沿光路依次放置激光器18、第二聚光镜19、位于第二聚光镜19焦点位置的第二针孔20、第一准直透镜21、径向偏振光发生器22以及光瞳滤波器23；拉曼光谱探测系统7包括沿光路依次放置的第三聚光镜24、位于第三聚光镜24焦点位置第三针孔32，焦点位于第三针孔处的第五聚光镜33，第五聚光镜33之后的拉曼光谱仪25，其中拉曼光谱仪25包括沿光路一次放置的入射狭缝42、平面反射镜43、第一凹面反射聚光镜44、光谱光栅45、第二凹面反射聚光镜46和出射狭缝47；布里渊光谱探测系统，包括沿光 路依次放置的第四聚光镜27，位于第四聚光镜27焦点处的第四针孔34，位于第四针孔34之后的第六聚光镜35，位于第六聚光镜之35后的F-P干涉仪28，以及位于F-P干涉仪28后的第三探测器29，其中，F-P干涉仪28包括第五针孔48、第二准直透镜49、第一偶角棱镜50、第二偶角棱镜51、第一多通F-P52、第二多通F-P53、第八聚光镜54以及第六针孔55；经分光镜8透射的瑞利光和布里渊散射光进入共焦探测系统10，光束经过第一聚光镜15、位于第一聚光镜15焦点位置的第一针孔16后被第一探测器17接收。数据处理模块11包括共焦数据模块30及数据融合模块31，用于融合处理采集到的数据。 

以上结合附图对本发明的具体实施方式作了说明，但这些说明不能被理解为限制了本发明的范围，本发明的保护范围由随附的权利要求书限定，任何在本发明权利要求基础上进行的改动都是本发明的保护范围。 

Claims (10)

1.激光共焦布里渊-拉曼光谱测量方法，其特征在于：利用二向色分光系统将拉曼散射光从瑞利光和布里渊散射光中分离出来，瑞利光和布里渊散射光经分光镜分束后一部分进入共焦探测系统进行焦点定位，另一部分进入布里渊光谱探测系统进行布里渊光谱探测，拉曼散射光进入拉曼光谱探测系统进行拉曼光谱探测，利用共焦曲线最大值M与焦点O位置精确对应这一特性，通过寻找最大值来精确捕获激发光斑焦点位置的光谱信息，实现高空间分辨的光谱探测，该方法的具体实现步骤如下： 

1)通过激发光束产生系统(1)产生激发光，经过第一分光系统(2)、物镜(3)后，聚焦在被测样品(4)上，并激发出瑞利光、载有被测样品光谱特性的拉曼散射光以及布里渊散射光； 

2)移动被测样品(4)，使瑞利光及对应被测样品不同区域的拉曼散射光、布里渊散射光再次经过物镜(3)，并被第一分光系统(2)反射至二向色分光系统(6)，二向色分光系统(6)将拉曼散射光与瑞利光、布里渊散射光进行分离； 

3)瑞利光和布里渊散射光被二向色分光系统反射进入第二分光系统(8)，经第二分光系统(8)透射的瑞利光和布里渊散射光进入共焦探测系统，利用共焦探测系统中的探测器(17)，测得反映样品凹凸变化的强度响度相应I(ν,u)，即可进行三维尺度层析成像测试，其中，v为横向归一化光学坐标，u为轴向归一化光学坐标； 

4)经第二分光系统(8)反射的瑞利光和布里渊散射光进入布里渊光谱探测系统(9)，利用布里渊光谱探测系统(9)测得载有被测样品(4)特性的布里渊散射信号I(λ_B)，即可进行布里渊光谱测试，其中λ_B为布里渊光谱波长； 

5)拉曼散射光经二向色分光系统透射进入拉曼光谱探测系统(7)，利用拉曼光谱探测系统(7)测得载有被测样品特性的拉曼散射信号I(λ_r)，即可进行拉曼光谱测试，其中λ_r为拉曼光谱波长； 

6)将I(ν,u)、I(λ_r)和I(λ_B)送到数据处理模块(11)进行处理，从而获得包含被测样品位置信息I(ν,u)和光谱信息I(λ_r)、I(λ_B)的三维测量信息I(ν,u,λ_r,λ_B)； 

7)使被测样品(4)沿x、y方向扫描，物镜(3)沿z方向扫描，重复上述步骤测得对应物镜焦点位置附近的一组i个包含位置信息I(ν,u)和光谱信息I(λ_r)、I(λ_B)的序列测量信息{I_i(λ_r,λ_B)，I_i(ν,u)}； 

8)利用可分辨区域δ_i对应的位置信息I_i(ν,u)，找出对应δ_i区域的光谱信息I_i(λ_r,λ_B)值，再依据v与横向位置坐标(x,y)的关系以及u与轴向位置坐标z的关系，重构反映被测物微区δ_i三维尺度和光谱特性的信息I_i(x_i,y_i,z_i,λ_ri,λ_Bi)，即实现了微区δ_min的光谱探测和三维几何位置探测； 

9)对应最小可分辨区域δ_min的三维尺度和光谱特性由下式确定： 

即实现了高空间分辨共焦布里渊、拉曼光谱探测。 

2.根据权利1所述的激光共焦布里渊-拉曼光谱测量方法，其特征在于：共焦曲线(13)最大值M处对应物镜焦点O，此处聚焦光斑尺寸最小，探测的区域最小，共焦曲线(13)其他位置对应物镜的离焦区域，在焦前或焦后BB'区域内的聚焦光斑尺寸随离焦量增大而增大，利用此特点，通过调整样品的z向离焦量，并根据实际测量精度需求来控制聚焦光斑的尺寸，控制对样品探测区域大小。 

3.根据权利1所述的激光共焦布里渊-拉曼光谱测量方法，其特征在于：激发光束包括偏振光束、线偏光、圆偏光或径向偏振光；还可以是由光瞳滤波技术生成的结构光束，其与偏振调制技术联用可以压缩测量聚焦光斑尺寸，提高系统横向分辨力。 

4.激光共焦布里渊-拉曼光谱测量装置，其特征在于：包括激发光束产生系统(1)、第一分光系统(2)、物镜(3)、三维扫描系统(5)、二向色分光系统(6)、拉曼光谱探测系统(7)、第二分光系统(8)、布里渊光谱探测系统(9)、共焦探测系统(10)及数据处理模块(11)；其中，第一分光系统(2)、物镜(3)、三维扫描系统(5)沿光路依次放置在激发光束产生系统(1)的出射方向，二向色分光系统(6)位于第一分光系统(2)的反射方向，拉曼光谱探测系统(7)位于二向色分光系统(6)的透射方向，第二分光系统(8)位于二向色分光系统(6)的反射方向，布里渊光谱探测系统(9)位于第二分光系统(8)的反射方向，共焦探测系统(10)位于第二分光系统(8)的反射方向，数据处理模块(11)与拉曼光谱探测系统(7)、布里渊光谱探测系统(9)和共焦探测系统(10)连接，用于融合并处理拉曼光谱探测系统(7)、布里渊光谱探测系统(9)和共焦探测系统(10)采集到的数据。 

5.根据权利4所述的激光共焦布里渊-拉曼光谱测量装置，其特征在于：光谱探测系统可以是普通拉曼、布里渊光谱探测系统，包括沿光路依次放置的第三聚光镜(24)、位于第三聚光镜(24)焦点位置的拉曼光谱仪(25)及位于拉曼光谱仪(25)后的第二探测器(26)，沿光路依次放置的第四聚光镜27、位于第四聚光镜27焦点位置的拉曼光谱仪(28)及位于拉曼光谱仪(28)后的第三探测器(29)，用于被测样品的表层光谱探测；还可以是共焦拉曼、布里渊光谱探测系统，包括沿光路依次放置的第三聚光镜(24)、位于第三聚光镜(24)焦 点位置的第三针孔(32)、位于第三针孔(32)后的第五聚光镜(33)、位于第五聚光镜(33)之后的拉曼光谱仪(25)及位于拉曼光谱仪(25)后的第二探测器(26)，沿光路依次放置的第四聚光镜(27)、位于第四聚光镜(27)焦点位置的第四针孔(34)、位于第四针孔(34)后的第六聚光镜(35)、位于第六聚光镜(35)之后的布里渊光谱仪(28)及位于布里渊光谱仪(28)后的第三探测器(29)，用于提高系统信噪比和空间分辨力，以及对被测样品的层析光谱探测。 

6.根据权利4所述的激光共焦布里渊-拉曼光谱测量装置，其特征在于：激发光束产生系统(1)包括径向偏振光发生器(22)及光瞳滤波器(23)，用于产生偏振光及结构光束。 

7.根据权利6所述的激光共焦布里渊-拉曼光谱测量装置，其特征在于：用于压缩激发光斑的光瞳滤波器(23)可以位于径向偏振光发生器(22)与第一分光系统(2)之间，还可以位于第一分光系统(2)与物镜(3)之间。 

8.根据权利4所述的激光共焦布里渊-拉曼光谱测量装置，其特征在于：布里渊光谱探测装置(9)还可以放在第二分光系统(8)的透射方向，差动共焦探测装置(10)位于第二分光系统(8)的反射方向。 

9.根据权利4所述的激光共焦布里渊-拉曼光谱测量装置，其特征在于：激发光束产生系统(1)还可以放在第一分光系统(2)的反射方向，二向色分光系统(6)沿光路依次放在第一分光系统(2)的透射方向，拉曼光谱探测系统(7)位于二向色分光系统(6)的透射方向，第二分光系统(8)位于二向色分光系统(6)的反射方向，布里渊光谱探测系统(9)位于第二分光系统(8)的反射方向，共焦探测系统(10)位于第二分光系统(8)的透射方向，数据处理模块(11)连接共焦探测系统(10)、拉曼光谱探测系统(7)与布里渊光谱探测系统(9)。 

10.根据权利4所述的激光共焦布里渊-拉曼光谱测量装置，其特征在于：还可以包括第三分光系统(36)及位于第三分光系统(36)反射方向的显微观察系统(37)，用于被测样品粗瞄；其中，第三分光系统(36)可以位于激发光束产生系统(1)与第一分光系统(2)之间，还可以位于第一分光系统(2)与物镜(3)之间。