CN105424617A - 单根一维纳米材料散射光谱的显微成像测量方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种单根一维纳米材料散射光谱的显微成像测量方法及装置，其特征在于：在基于迈克耳孙干涉仪的测量光路中引入一个由双显微物镜构成的显微成像装置，收集来自单根一维纳米材料的微弱散射光信号进行成像和探测。第一激光器输出的探测光和第二激光器输出的参考光同时进入迈克耳孙干涉仪，迈克耳孙干涉仪输出的参考光经过反射镜到达第一探测器，迈克耳孙干涉仪输出的探测光依次经过显微成像装置、凸透镜到达第二探测器。本发明提出的方法及装置，综合了显微成像技术和傅里叶变换光谱技术的优势，在测量单根一维纳米材料散射光谱的同时，还可以确定单根一维纳米材料的位置，具有高分辨率、高灵敏度和高信噪比的优点。

Description

单根一维纳米材料散射光谱的显微成像测量方法及装置

技术领域

本发明涉及一种单根一维纳米材料散射光谱的显微成像测量方法及装置，属于微纳光子技术领域。

背景技术

一维纳米材料包括纳米线、纳米管等。这类材料不仅具有常规纳米材料所具有的表面效应、量子尺寸效应和小尺寸效应等特性，而且还具有独特的光学性质、机械和热稳定性、导光和导电性以及光电导和场发射效应等，因而应用前景广泛。一维纳米材料的光学、电学性质与材料具体的形状、结构和尺寸密切相关。准确地表征单根一维纳米材料的结构和物理属性，是人工“裁剪”纳米材料性能的基础，更是设计高性能纳米光电子器件的前提。在众多一维纳米材料的表征方法中，光谱分析技术无疑是最直接、有效的一类。以瑞利散射、拉曼散射、吸收光谱为代表的光谱分析技术，已被广泛用于碳纳米管、半导体纳米线的物性表征。

目前，主要通过共聚焦显微装置实现一维纳米材料散射光谱的探测，例如，公开号为CN102053101A的专利中，利用共聚焦显微装置测量半导体纳米线的荧光光谱。然而，共聚焦显微装置仅使用一个物镜激发样品并收集散射光信号，在测量时容易受到强的背景光的影响，降低探测信号的衬比度，而且对探测光路的调节要求较高。为了克服上述方法的不足，本发明提出在探测光路中引入一个由成一定夹角的两个显微物镜构成的显微成像装置，通过调整两个物镜的夹角，使得直透背景光在空间耗散掉，只收集微弱的散射光信号进行探测和成像，从而提高信号探测的衬比度和分辨率。当用超连续谱激光器作光源时，由于其输出的超连续谱激光束具有很高的亮度和一定的相干性，可以通过显微物镜会聚到接近衍射极限尺度，因而可以大大提高激发光的功率密度和信号光的强度。同时，微米尺度的聚焦光斑可以确保聚焦光束落到单根一维纳米材料上，既便于实现单根一维纳米材料散射光谱的探测，又便于确定其位置。

傅里叶变换光谱仪是一种宽光谱范围和高灵敏度的光谱测量装置，其巧妙地利用了某种干涉分光装置将待测光信号一分为二，使之经过不同的时间延迟后再次重合而发生干涉，通过测量两束光在不同光程差时的叠加光强度I(L)及两光波无干涉时的强度之和I₀，并对两者之差作快速傅里叶变换，便可以解调出待测光信号的光谱分布函数i(u)，即

$i\left(u\right)=2{\∫}_0^{\mathrm{\∞}}\[I\left(L\right)-I_0\]cos\left(2\mathrm{\π}uL\right)dL$

式中u＝1/λ为光波场的空间频率，L为两光波光程差。不同于传统的色散型光谱仪需要将信号光通过狭缝进行横向空间限制，傅里叶变换光谱仪直接将信号光无空间限制地引到探测器上，因此具有高光通量的优点；其次，傅里叶变换光谱仪有一路内置激光光路作为参考，用来定标光程差信息，大大提高了光谱仪的可靠性和测量精度；再次，傅里叶变换光谱仪的信噪比(SNR)正比于对测量样品扫描次数N的平方根，即SNR∝N^1/2，因此，扫描次数越多，所获得信号光光谱数据的信噪比越高。此外，对于时间调制型傅里叶变换光谱仪，其光谱分辨率(Res.)正比于干涉仪动镜移动的最长有效距离所引入的最大光程差L_max，即Res.∝1/L_max，因此，可以通过增大最大光程差来满足所需要的测量精度。高性能的时间调制型傅里叶变换光谱仪的动镜可以移动很长的距离，因而可以获得极高的光谱分辨率。

发明内容

要解决的技术问题

为了实现对单根一维纳米材料散射光谱的有效探测，本发明提出一种单根一维纳米材料散射光谱的显微成像测量方法及装置。

技术方案

一种单根一维纳米材料散射光谱的显微成像测量方法，其特征在于步骤如下：

步骤1：在基于迈克耳孙干涉仪的测量光路中引入一个由双显微物镜构成的显微成像装置，收集来自单根一维纳米材料的微弱散射光信号进行成像和探测；

步骤2：显微成像装置输出的散射光由电荷耦合器件(CCD)接收，得到散射光的强度分布图像；

步骤3：观察散射光的强度分布图像，调节待测样品的位置，将会聚光投射到单根一维纳米材料上，根据调节变化量可以确定单根一维纳米材料的位置；

步骤4：显微成像装置输出的散射光由光电探测器接收，进而利用傅里叶变换光谱技术获得单根一维纳米材料的散射光谱。

一种实现所述单根一维纳米材料散射光谱的显微成像测量方法的装置，其特征在于包括第一激光器1、第二激光器2、迈克耳孙干涉仪3、反射镜4、第一探测器5、显微成像装置6、凸透镜7和第二探测器8；第一激光器1输出的探测光和第二激光器2输出的参考光同时进入迈克耳孙干涉仪3，迈克耳孙干涉仪3输出的参考光经过反射镜4到达第一探测器5，迈克耳孙干涉仪3输出的探测光依次经过显微成像装置6、凸透镜7到达第二探测器8。所述迈克耳孙干涉仪3包括分光棱镜9、可移动直角反射镜10和固定直角反射镜11，可移动直角反射镜10和固定直角反射镜11分别位于分光棱镜9的反射光和透射光一侧。所述显微成像装置6包括凹透镜12、第一长工作距离显微物镜13、待测样品14、三维位移平台15和第二长工作距离显微物镜16，沿着入射光的轴向依次排列；待测样品14安放在三维位移平台15上，通过调节三维位移平台15使待测样品14位于第一长工作距离显微物镜13的焦点位置处；长工作距离显微物镜13和16的放大倍数均为20倍，两个物镜之间的夹角通过优化，确保入射探测光的直透分量在自由空间耗散掉，只有待测样品14的散射光被第二长工作距离显微物镜16收集。

所述第一激光器1、第二激光器2、迈克耳孙干涉仪3、反射镜4、第一探测器5、凸透镜7和第二探测器8构成傅里叶变换光谱仪。

所述第一激光器1为宽带激光器，包括超连续谱激光器；第二激光器2为稳频激光器，包括氦氖激光器、氩离子激光器或半导体激光器。

所述第一探测器5为光电二极管，第二探测器8为电荷耦合器件(CCD)或光电二极管。

有益效果

本发明提出一种单根一维纳米材料散射光谱的显微成像测量方法及装置，可用于测量单根一维纳米材料的散射光谱，同时确定单根一维纳米材料的位置，具有高分辨率、高灵敏度和高信噪比的优点。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；图中，1-第一激光器，2-第二激光器，3-迈克耳孙干涉仪，4-反射镜，5-第一探测器，6-显微成像装置，7-凸透镜，8-第二探测器，9-分光棱镜，10-可移动直角反射镜，11-固定直角反射镜，12-凹透镜，13-第一长工作距离显微物镜，14-待测样品，15-三维位移平台，16-第二长工作距离显微物镜。

图2为本发明实施例测量得到的碳纳米管束散射光的强度分布图像及散射光谱分布曲线。

具体实施方式

现结合实施例和附图对本发明作进一步说明：本发明提出的单根一维纳米材料散射光谱的显微成像测量方法及装置的结构示意图如图1所示，第一激光器1输出的探测光和第二激光器2输出的参考光同时入射到分光棱镜9后，被分为一路反射光和一路透射光，反射光经可移动直角反射镜10反射后再次透过分光棱镜9，与经固定直角反射镜11反射回的透射光会合叠加后输出，输出的参考光经反射镜4后入射到第一探测器5，输出的探测光经凹透镜12扩束、第一长工作距离显微物镜13会聚到待测样品14上，散射光信号由第二长工作距离显微物镜16收集，并经凸透镜7会聚入射到第二探测器8。单根一维纳米材料散射光谱的显微成像测量分为四个步骤：

步骤1：待测样品位置的调节。此时，第二探测器8为CCD，第二长工作距离显微物镜16收集的散射光由CCD采集成像，对样品进行实时监测，通过观察散射光的强度分布图像，调节三维位移平台15将会聚光投射到单根一维纳米材料样品上，同时根据三维位移平台15的刻度读数变化，可确定单根一维纳米材料样品的位置。

步骤2：单根一维纳米材料样品信号光谱的测量。将第二探测器8换为光电二极管，匀速移动可移动直角反射镜10，则经其反射的探测光和参考光各自的光程变化量相同，由第一探测器5记录的参考光叠加光强的变化就能得到光程差的信息，同时，第二探测器8记录了携带待测样品14散射光谱信息的探测光叠加光强I_s(L)，并测量第一激光器1的输出光强I₀，对I_s(L)-I₀作傅里叶余弦变换处理，得到单根一维纳米材料样品的信号光谱i_s(u)。

步骤3：背景光谱的测量。观察单根一维纳米材料样品散射光的强度分布图像，调节三维位移平台15将待测单根一维纳米材料样品移开聚焦光斑，匀速移动可移动直角反射镜10，采集物镜直透光的信号作为背景光谱i_b(u)。

步骤4：单根一维纳米材料样品散射光谱的计算。将测量得到的信号光谱除以背景光谱就得到待测单根一维纳米材料样品的散射光谱i(u)＝i_s(u)/i_b(u)。

图2中左图是依据本实施例测量得到的碳纳米管束散射光的强度分布图像，图2中右图为测量得到的碳纳米管束的散射光谱分布曲线。

Claims (5)

1.一种单根一维纳米材料散射光谱的显微成像测量方法，其特征在于步骤如下：

步骤1：在基于迈克耳孙干涉仪的测量光路中引入一个由双显微物镜构成的显微成像装置，收集来自单根一维纳米材料的微弱散射光信号进行成像和探测；

步骤2：显微成像装置输出的散射光由电荷耦合器件(CCD)接收，得到散射光的强度分布图像；

步骤3：观察散射光的强度分布图像，调节待测样品的位置，将会聚光投射到单根一维纳米材料上，根据调节变化量可以确定单根一维纳米材料的位置；

步骤4：显微成像装置输出的散射光由光电探测器接收，进而利用傅里叶变换光谱技术获得单根一维纳米材料的散射光谱。

2.一种实现权利要求1所述单根一维纳米材料散射光谱的显微成像测量方法的装置，其特征在于包括第一激光器(1)、第二激光器(2)、迈克耳孙干涉仪(3)、反射镜(4)、第一探测器(5)、显微成像装置(6)、凸透镜(7)和第二探测器(8)；第一激光器(1)输出的探测光和第二激光器(2)输出的参考光同时进入迈克耳孙干涉仪(3)，迈克耳孙干涉仪(3)输出的参考光经过反射镜(4)到达第一探测器(5)，迈克耳孙干涉仪(3)输出的探测光依次经过显微成像装置(6)、凸透镜(7)到达第二探测器(8)。所述显微成像装置(6)包括凹透镜(12)、第一长工作距离显微物镜(13)、待测样品(14)、三维位移平台(15)和第二长工作距离显微物镜(16)，沿着入射光的轴向依次排列；待测样品(14)安放在三维位移平台(15)上，通过调节三维位移平台(15)使待测样品(14)位于第一长工作距离显微物镜(13)的焦点位置处；长工作距离显微物镜(13)和(16)的放大倍数均为20倍，两个物镜之间的夹角通过优化，确保入射探测光的直透分量在自由空间耗散掉，只有待测样品(14)的散射光被第二长工作距离显微物镜(16)收集。

3.根据权利要求2所述单根一维纳米材料散射光谱的显微成像测量装置，其特征在于：所述第一激光器(1)、第二激光器(2)、迈克耳孙干涉仪(3)、反射镜(4)、第一探测器(5)、凸透镜(7)和第二探测器(8)构成傅里叶变换光谱仪。

4.根据权利要求2或3所述单根一维纳米材料散射光谱的显微成像测量装置，其特征在于：所述第一激光器(1)为宽带激光器，包括超连续谱激光器；第二激光器(2)为稳频激光器，包括氦氖激光器、氩离子激光器或半导体激光器。

5.根据权利要求2或3所述单根一维纳米材料散射光谱的显微成像测量装置，其特征在于：所述第一探测器(5)为光电二极管，第二探测器(8)为电荷耦合器件(CCD)或光电二极管。