CN105588640A - 多功能显微共焦光谱仪 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种多功能显微共焦光谱仪，该多功能显微共焦光谱仪包括：一光学平台；以及设置于该光学平台上的第二激光器模块、光路耦合与输出主模块、第一激光器模块、照明观测模块、显微模块、第一信号检测模块、第二信号检测模块和第三信号检测模块；其中，该光路耦合与输出主模块和照明观测模块具有同一基座，第一激光器模块、显微模块、第一信号检测模块、第二信号检测模块和第三信号检测模块均固定在该基座的四周。本发明可以实现样品以及相应激光斑点的显微观测，能够方便地进行样品拉曼信号和光致发光信号的显微共焦测试，具有结构简单、稳定性好、调节方便和便于扩展的优点。
Description
技术领域
本发明涉及显微光谱仪技术领域，具体涉及具有低成本优势且便于扩展的一种多功能显微共焦光谱仪。
背景技术
现有的显微共焦光谱仪集成了激光器、显微镜、共焦针孔、光栅和探测器，如图1所示。在这些商业化的拉曼光谱仪中，光栅和探测器已与显微共焦光路集成在一起而无法分离，使得功能不便扩展。并且，整套系统的集成使得光谱仪的使用成本非常高，例如市场上普通型的商业化显微共焦光谱仪的价格非常昂贵。
此外，对于显微共焦光谱仪而言，如何使得激光斑点与共焦孔在样品上的像点一致，是能够测到光谱和提高光谱仪信噪比的关键。同时，显微物镜的光学通孔非常小，如果使得激光能准直地入射到样品也是非常重要的问题。随着光谱仪系统集成度越来越高，光谱仪的自动化程度也逐渐提高，以至于不同激光器的切换，光学滤光片的选取，探测器出口的配置等都完全自动化。自动化的提高使得使用者操作非常方便，但关键光学元件的全自动化对仪器在长时间工作状态下的稳定性提出了很高要求。但在测试过程中，不可避免要更换激光器，因此就要更换相应的光学滤光片，如果把可见光激光器更换成紫外激光器，除了光学滤光片外，还要更换相应的紫外物镜。另外，在测试过程中，还可能需要更换不同倍数和工作距离的显微物镜。更换如上光谱仪的任何元件，采用全自动光谱仪都很难对激光进行共焦准直调节。因此，作为一个多功能谱仪来说，在更换很多光学元件情况下如何实现快速光路准直，是全自动谱仪很难实现的，还需要根据实际情况，合理设计光路，通过手动设置来达到目的。
现有的显微共焦光谱仪普遍缺乏两个以上(含两个)的探测器出口，使得在测试不同测试范围的光谱信号时，不得不需要两台以上的光谱仪。
综上，有必要提供一种成本低、操作简便以及光路布置合理的多功能显微共焦光谱仪。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种成本低、操作简便以及光路布置合理的多功能显微共焦光谱仪。
为达到上述目的，本发明提供了一种多功能显微共焦光谱仪，该多功能显微共焦光谱仪包括：一光学平台；以及设置于该光学平台上的第二激光器模块、光路耦合与输出主模块、第一激光器模块、照明观测模块、显微模块、第一信号检测模块、第二信号检测模块和第三信号检测模块；其中，该光路耦合与输出主模块以及照明观测模块具有一共同基座，第一激光器模块固定在该基座后侧面，显微模块固定在该基座前侧面，第一信号检测模块固定在该基座右侧面，第二和第三信号检测模块固定在该基座后侧面。
上述方案中，该第二激光器模块包括至少两个激光器LS3和LS4，相应的反射镜ML3和ML4，以及第三提升器SM3；
该光路耦合与输出主模块包括光学滤光片OFT、至少8个反射镜M1、M2、M3、M4、M5、M45、M6及M7，至少三个聚焦透镜LNS1、LNS2及LNS3，以及至少三个输出窗W1、W2及W3；该显微模块包括显微物镜OBJ和相应的调焦装置；该第一信号检测模块包括光栅光谱仪GSPY及其控制系统；该第二信号检测模块包括单道探测器SD及其控制系统；该第三信号检测模块包括连接光纤FBR，光纤光谱仪GXPY及其控制系统；光纤光谱仪GXPY置于光学平台上；该第一激光器模块包括至少两个激光器LS1和LS2，以及相应的第一提升器SM1和第二提升器SM2；其中，该第一激光器模块固定在该光路耦合与输出主模块基座的后侧面，并通过其中的第一提升器SM1和第二提升器SM2将第一激光器模块输出的激光提升到光路耦合与输出主模块中的内部光路；该第二激光器模块固定在该光路耦合与输出主模块基座的左侧面，并通过其中的反射镜ML3和ML4以及第三提升器SM3将第二激光器模块输出的激光提升到光路耦合与输出主模块中的内部光路；通过设置该光路耦合与输出主模块中的内部光路来选择激光器LS1、LS2、LS3和LS4中的一个作为激发光源，并将激发光向显微模块输出以对样品进行照射，进而允许样品反射光和照射后的散射信号光回射于其中，进而利用可更换的光学滤光片OFT来获得纯净的散射信号光；进而进一步将获得的散射信号光通过光路输送给第一窗W1、第二窗W2和/或第三窗W3；从第一窗W1、第二窗W2和/或第三窗W3输出的散射信号光输入到相应的三个信号检测模块中进行共焦信号检测。
上述方案中，该第一激光器模块中的两个激光器LS1和LS2的波长与该第二激光器模块中的两个激光器LS3和LS4的波长均不相同。
上述方案中，激光器LS1出射的激光先经第一提升器SM1进行提升并进入光路耦合与输出主模块，提升后的激光入射到反射镜M1上，经由反射镜M1再反射到反射镜M2上，经由反射镜M2反射的激光入射到光学滤光片OFT上；激光器LS2出射的激光先经第二提升器SM2进行提升并进入光路耦合与输出主模块，提升后的激光入射到反射镜M3上，经由反射镜M3再反射到反射镜M4上，随后依次经由反射镜M4、反射镜M1、反射镜M2反射，经由反射镜M2反射的激光入射到光学滤光片OFT上；激光器LS3发出的激光先由反射镜ML3反射，随后经提升器SM3将激光提升并耦合进入光路耦合与输出主模块，随后依次经由反射镜M5、M1、M2进行反射，经由反射镜M2反射后的激光入射到光学滤光片OFT上；激光器LS4发出的激光先由反射镜ML4反射，随后经提升器SM3将激光提升并耦合进入光路耦合与输出主模块，随后依次经由反射镜M5、M1、M2进行反射，经由反射镜M2反射后的激光入射到光学滤光片OFT上；光学滤光片OFT将激光反射到45度倾斜放置的反射镜M45，激光被反射镜M45反射后竖直向下传播，进入显微模块的显微物镜OBJ，经显微物镜OBJ聚焦照射到样品SMP上；同时，显微物镜OBJ收集来自样品的竖直向上的激光反射光和散射信号光经反射镜M45反射后水平入射到光学滤光片OFT；光学滤光片OFT将激光反射光滤除并衰减到只有原来的1/106至1/1012，而使得绝大部分的散射信号光透过光学滤光片OFT供后续的信号检测模块检测；反射镜M6将透过该光学滤光片OFT的散射信号光反射后穿过小孔HL，照射到汇聚透镜LNS1上，经由汇聚透镜LNS1汇聚的散射信号光穿过第一输出窗W1，并聚焦到第一信号检测模块的狭缝SLT上；其中，小孔HL固定在一隔板上且其大小可调，该隔板把光路耦合与输出主模块分隔为左右两室以隔离激光杂散光；透过光学滤光片OFT的散射信号光经透镜LNS2汇聚后穿过第二输出窗W2，并聚焦到第二信号检测模块的单道探测器SD中心，进而由单道探测器SD所检测；反射镜M7将被反射镜M6反射然后穿过小孔HL的散射信号光反射到汇聚透镜LNS3上，经汇聚透镜LNS3汇聚的散射信号光穿过第三输出窗W3，并聚焦到第三信号检测模块的连接光纤FBR入口后，由连接光纤FBR将散射信号光传输到光纤光谱仪GXPY进行检测。
上述方案中，提升器SM1、SM2和SM3中所包含的各反射镜的角度，以及反射镜ML3、ML4、M1、M2、M4、M45、M5、M6和M7的角度均二维可调，且其调节架分别放置在具有两个固定位置的其各自对应的滑轨上；根据各个反射镜位于其对应滑轨的两个固定位置的不同，来选择不同的激光、散射信号光和/或输出窗。
上述方案中，汇聚透镜LNS1、LNS2和LNS3分别放置于三维平移调节架上，通过调节三维平移调节架的三个平移轴，不仅可在二维竖直方向上调节三个汇聚透镜的位置，还可在光轴方向调节三个汇聚透镜的位置，使得散射信号光可以分别精确入射并聚焦到到三个信号检测模块的信号输入口中心。
上述方案中，该光学滤光片OFT为陷波拉曼滤光片、边带拉曼滤光片、高通滤光片或低通滤光片。
上述方案中，反射镜M2放置于竖直二维角度调节架上，而该竖直二维角度调节架又放置于二维平移台上；调节二维平移台可使激光入射到反射镜上的不同位置，而竖直二维角度调节架用来调节反射镜方向使其将激光反射到光学滤光片OFT的中心；二维平移台和竖直二维角度调节架的组合使用，能够精确地调节激光入射到光学滤光片OFT中心的角度；光学滤光片OFT固定在一个竖直二维角度调节架上；竖直二维角度调节架可插拔地置于一个固定在光学平台上的支柱上；当更换不同波长激光时，将固定有相应光学滤光片OFT的竖直二维角度调节架更换到该支柱上；调节竖直二维角度调节架的螺纹，即可使激光入射到显微模块的显微镜物镜OBJ；通过该竖直二维角度调节架与在反射镜M2之前光路上的其它配备有反射镜的竖直二维角度调节架联合使用，即可使激光准直入射到显微模块的显微镜物镜OBJ，并聚焦到样品SMP上，以产生备检测的样品散射信号光。
上述方案中，该第一信号检测模块的光栅光谱仪GSPY包括狭缝SLT，反射镜M8和M9，光栅GRT，探测器CCD，其中：来自狭缝SLT的信号光入射到反射镜M8，经反射镜M8反射后的信号光照射到光栅GRT上，经光栅GRT色散后的信号光由反射镜M9进行收集并反射到探测器CCD进行检测。该光栅光谱仪GSPY置于固定支架之上，使得光栅光谱仪GSPY的光轴与光路耦合与输出主模块的光轴等高；透过第一输出窗W1的散射光信号不需要任何提升器直接进入光栅光谱仪GSPY的狭缝SLT并由后续的探测器CCD进行检测。
上述方案中，该照明观测模块包括：广谱光源WL，分束器BS1和BS2，汇聚透镜LNS4，照相机CMR，反射镜M45，其中：分束器BS2将来自广谱光源WL的白光反射到显微模块的显微物镜OBJ，经由显微物镜OBJ聚焦照射到样品SMP上；来自样品SMP的反射光经由显微模块的显微物镜OBJ收集后穿过分束器BS1后，经由分束器BS1反射到照相机CMR进行样品观察；分束器BS1和BS2成90度垂直角度放置，且都与光路成45度角；分束器BS1和BS2同时置于同一个具有两个固定位置的滑轨上；滑轨的一个位置使分束器BS1和BS2位于光路上，用于样品SMP的光学图像观察；将分束器BS1和BS2滑至滑轨的另外一个位置，分束器BS1和BS2将离开激光光路，使得广谱光源WL的白光不能入射到样品上，同时使得激光不受分束器BS1和BS2的干扰，这样激光可以无损通过照明观测模块来激发样品的散射光信号，同时，来自样品的散射光信号经显微模块的显微物镜OBJ收集也可以无损通过照明观测模块，然后传输到后续的信号检测模块并被信号检测模块检测。
上述方案中，所述第一激光器模块中的两个激光器LS1和LS2为小型固体激光器，所述第二激光器模块中的两个激光器LS3和LS4为各种固体或气体激光器。
从上述技术方案可以看出，本发明能够同时具有以下的优点：
1)两款及两款以上小型激光器的第一激光器模块直接固定于基座后侧面的支架上上，更换方便；
2)第一激光器模块、光路耦合与输出主模块、照明观测模块和显微模块都固定同一基座上，整个多功能显微共焦光谱仪的稳定性非常好。
3)在光路耦合与输出主模块之外引入与第一激光器波长不同的第二激光器，其波长范围可以选自紫外到近红外波长，从而扩展了工作范围；
4)提供三个及以上的散射信号光出口，以连接到不同光谱仪或探测器，甚至可方便地更换不同类型的光谱仪或探测器，克服了现有商业共焦光谱仪不具有扩展性的技术缺陷；
5)光路在不同激光器之间可以方便切换，并快速准直；
6)能够大范围地调节激光器入射到光学滤光片的入射角度，同时可方便地手动调节光学滤光片的角度，以便可以快速准直地调节共焦显微光路，提高信号探测效率和信噪比；
7)光学滤光片调节支架可手动更换且每个调节架都可实现二维方向精细调节，便于快速更换激光并准直调节光路。
附图说明
图1为现有技术中的显微共焦光谱仪的结构示意图；
图2为本发明提供的显微共焦光谱仪的结构示意图；
图3为利用本发明提供的显微共焦光谱仪和532纳米激光器所测试的晶体硅的拉曼光谱图，最低波数可达30波数；
图4为利用本发明提供的显微共焦光谱仪和405纳米激光器所测试的彩色玻璃的光致发光光谱图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
如图2所示，图2为本发明提供的显微共焦光谱仪的结构示意图，该多功能显微共焦光谱仪包括：一光学平台；以及设置于该光学平台上的第二激光器模块、光路耦合与输出主模块、第一激光器模块、照明观测模块、显微模块、第一信号检测模块、第二信号检测模块和第三信号检测模块；其中，该光路耦合与输出主模块以及照明观测模块具有一共同基座，第一激光器模块固定在该基座后侧面，显微模块固定在该基座前侧面，第一信号检测模块固定在该基座右侧面，第二和第三信号检测模块固定在该基座后侧面。
参照图2，该第二激光器模块包括至少两个激光器LS3和LS4，相应的反射镜ML3和ML4，以及第三提升器SM3；该光路耦合与输出主模块包括光学滤光片OFT、至少8个反射镜M1、M2、M3、M4、M5、M45、M6及M7，至少三个聚焦透镜LNS1、LNS2及LNS3，以及至少三个输出窗W1、W2及W3；该显微模块包括显微物镜OBJ和相应的调焦装置；该第一信号检测模块包括光栅光谱仪GSPY及其控制系统；该第二信号检测模块包括单道探测器SD及其控制系统；该第三信号检测模块包括连接光纤FBR，光纤光谱仪GXPY及其控制系统；光纤光谱仪GXPY置于光学平台上；该第一激光器模块包括至少两个激光器LS1和LS2，以及相应的第一提升器SM1和第二提升器SM2；
其中，该第一激光器模块固定在该光路耦合与输出主模块基座的后侧面，并通过其中的第一提升器SM1和第二提升器SM2将第一激光器模块输出的激光提升到光路耦合与输出主模块中的内部光路。该第二激光器模块固定在该光路耦合与输出主模块基座的左侧面，并通过其中的反射镜ML3和ML4以及第三提升器SM3将第二激光器模块输出的激光提升到光路耦合与输出主模块中的内部光路。该第一激光器模块中的两个激光器LS1和LS2的波长与该第二激光器模块中的两个激光器LS3和LS4的波长均不相同。
该光路耦合与输出主模块用于允许第二激光器模块的出射激光输入于其中，同时通过设置该光路耦合与输出主模块中的内部光路来选择激光器LS1、LS2、LS3、LS4中的一个作为激发光源，并将激发光向照明观测模块输出以对样品进行照射，进而允许样品反射光和照射后的散射信号光回射于其中，进而利用可更换的光学滤光片OFT来获得纯净的散射信号光，进而进一步将获得的散射信号光通过光路输送给第一窗W1、第二窗W2和/或第三窗W3；从该三个输出窗输出的散射信号光输入到信号检测模块中进行共焦信号检测。
具体而言，本发明提供的显微共焦光谱仪中具体光路如下：
激光器LS1出射的激光先经第一提升器SM1进行提升并进入光路耦合与输出主模块，提升后的激光入射到反射镜M1上，经由反射镜M1再反射到反射镜M2上，经由反射镜M2反射的激光入射到光学滤光片OFT上。
激光器LS2出射的激光先经第二提升器SM2进行提升并进入光路耦合与输出主模块，提升后的激光入射到反射镜M3上，经由反射镜M3再反射到反射镜M4上，随后依次经由反射镜M4、反射镜M1、反射镜M2反射，经由反射镜M2反射的激光入射到光学滤光片OFT上。
激光器LS3发出的激光先由反射镜ML3反射，随后经提升器SM3将激光提升并耦合进入光路耦合与输出主模块，随后依次经由反射镜M5、M1、M2进行反射，经由反射镜M2反射后的激光入射到光学滤光片OFT上。
激光器LS4发出的激光先由反射镜ML4反射，随后经提升器SM3将激光提升并耦合进入光路耦合与输出主模块，随后依次经由反射镜M5、M1、M2进行反射，经由反射镜M2反射后的激光入射到光学滤光片OFT上。
光学滤光片OFT将激光反射到小孔H1，随后穿过小孔H1的激光被45度倾斜放置的反射镜M45反射后竖直向下传播，进入显微物镜OBJ，经显微物镜OBJ聚焦照射到样品SMP上；同时，显微物镜OBJ收集来自样品的竖直向上的激光反射光和散射信号光经反射镜M45反射后水平入射到小孔H1，随后穿过小孔H1后入射到光学滤光片OFT；光学滤光片OFT将激光反射光滤除并衰减到只有原来的1/106至1/1012，而使得绝大部分的散射信号光透过光学滤光片OFT供后续的信号检测模块检测。
反射镜M6将透过该光学滤光片OFT的散射信号光反射后穿过小孔H2，照射到汇聚透镜LNS1上，经由汇聚透镜LNS1汇聚的散射信号光穿过第一输出窗W1，并聚焦到第一信号检测模块的狭缝SLT上；其中，小孔H2固定在一隔板上且其大小可调，该隔板把光路耦合与输出主模块分隔为左右两室以隔离激光杂散光。
透过光学滤光片OFT的散射信号光经透镜LNS2汇聚后穿过第二输出窗W2，并聚焦到第二信号检测模块的单道探测器SD中心，进而由单道探测器SD所检测。
反射镜M7将被反射镜M6反射然后穿过小孔HL的散射信号光反射到汇聚透镜LNS3上，经汇聚透镜LNS3汇聚的散射信号光穿过第三输出窗W3，并聚焦到第三信号检测模块的连接光纤FBR入口后，由连接光纤FBR将散射信号光传输到光纤光谱仪GXPY进行检测。
提升器SM1、SM2和SM3中所包含的各反射镜的角度，以及反射镜ML3、ML4、M4、M5、M6和M7的角度均二维可调，且其调节架分别放置在具有两个固定位置的其各自对应的滑轨上；反射镜ML3、ML4、M4、M5、M6和M7的调节架分别放置在具有两个固定位置的其各自对应的滑轨上，根据各个反射镜位于其对应滑轨的两个固定位置的不同，来选择不同的激光、散射信号光和/或输出窗。
进一步地，汇聚透镜LNS1、LNS2和LNS3分别放置于三维平移调节架上，通过调节三维平移调节架的三个平移轴，不仅可在二维竖直方向上调节三个汇聚透镜的位置，还可在光轴方向调节三个汇聚透镜的位置，使得散射信号光可以分别精确入射并聚焦到到三个信号检测模块的信号输入口中心。
进一步地，第一信号检测模块的光栅光谱仪GSPY包括狭缝SLT，反射镜M8和M9，光栅GRT，探测器CCD，其中：来自狭缝SLT的信号光入射到反射镜M8，经反射镜M8反射后的信号光照射到光栅GRT上，经光栅GRT色散后的信号光由反射镜M9进行收集并反射到探测器CCD进行检测。该光栅光谱仪GSPY置于固定支架之上，使得光栅光谱仪GSPY的光轴与光路耦合与输出主模块的光轴等高；透过第一输出窗W1的散射光信号不需要任何提升器直接进入光栅光谱仪GSPY的狭缝SLT并由后续的探测器CCD进行检测。
进一步地，该照明观测模块包括：广谱光源WL，分束器BS1和BS2，汇聚透镜LNS4，照相机CMR，反射镜M45。
进一步地，该光学滤光片OFT为陷波拉曼滤光片、边带拉曼滤光片、高通滤光片或低通滤光片。
进一步地，反射镜M2放置于竖直二维角度调节架上，而该竖直二维角度调节架又放置于二维平移台上；调节二维平移台可使激光入射到反射镜上的不同位置，而竖直二维角度调节架用来调节反射镜方向使其将激光反射到光学滤光片OFT的中心；二维平移台和竖直二维角度调节架的组合使用，能够精确地调节激光入射到光学滤光片OFT中心的角度。
进一步地，光学滤光片OFT固定在一个竖直二维角度调节架上；竖直二维角度调节架可插拔地置于一个固定在光学平台上的支柱上；当更换不同波长激光时，将固定有相应光学滤光片OFT的竖直二维角度调节架更换到该支柱上；调节竖直二维角度调节架的螺纹，即可使激光入射到显微模块的显微镜物镜OBJ；通过该竖直二维角度调节架与在反射镜M2之前光路上的其它配备有反射镜的竖直二维角度调节架联合使用，即可使激光准直入射到显微模块的显微镜物镜OBJ，并聚焦到样品SMP上，以产生备检测的样品散射信号光。
进一步地，激光器LS1和LS2为小型激光器，如氦氖激光器和小型固态泵浦激光器，被固定于光路耦合与输出主模块基座的后侧面，与前面显微物镜在同一基座上，保持了光路的稳定性和操作的便利性。同时，根据需要，可随时换成其他小型激光器。激光器LS3和LS4可以为各种固体或气体激光器，根据需要，还可以在它们的侧边添加更多的激光器。
进一步地，所述的汇聚透镜LNS1、LNS2和LNS3都置于一个三维可调节架上，可以用来调节聚焦状况和调节聚焦点的位置。所述的汇聚透镜LNS1聚焦到第一输出窗W1，散射信号光透过第一输出窗W1输入到信号检测模块的狭缝SLT1并被随后的由反射镜M8和M9以及光栅GRT所组成的单色仪和CCD所检测。所述的透镜LNS2将透过光学滤光片OFT的散射信号光直接聚焦到第二输出窗W2上，并被单道探测器SD所检测。所述的汇聚透镜LNS3可以把散射信号光聚焦到第三输出窗W3上，透过第三窗W3输出的散射信号光经由光纤输入到光纤光谱仪GXPY进行检测，从而实现该显微共焦光谱仪的多功能性。
另一方面，分束器BS2将来自广谱光源WL的白光反射到显微模块的显微物镜OBJ，经由显微物镜OBJ聚焦照射到样品SMP上；来自样品SMP的反射光经由显微模块的显微物镜OBJ收集后穿过分束器BS1后，经由分束器BS1反射到照相机CMR进行样品观察；分束器BS1和BS2成90度垂直角度放置，且都与光路成45度角；分束器BS1和BS2同时置于同一个具有两个固定位置的滑轨上滑轨的一个位置使分束器BS1和BS2位于光路上，用于样品SMP的光学图像观察；将分束器BS1和BS2滑至滑轨的另外一个位置，分束器BS1和BS2将离开激光光路，使得广谱光源WL的白光不能入射到样品上，同时使得激光不受分束器BS1和BS2的干扰，这样激光可以无损通过照明观测模块来激发样品的散射光信号，同时，来自样品的散射光信号经显微模块的显微物镜OBJ收集也可以无损通过照明观测模块，然后传输到后续的信号检测模块并被信号检测模块检测。
附图2给出的三个输出窗口分别为直接耦合到光谱仪，连接到光纤光谱仪以及散射信号光直接由单道探测器检测。在实际应用中，三个或多个输出窗口可以根据需要随意配置。
利用此多功能显微共焦光谱仪，我们测试了硅单晶的拉曼光谱，使用了100倍莱卡显微物镜，1800刻线光栅，光谱仪入口狭缝宽度80微米，使用532nm固态泵浦激光器，所测的拉曼光谱图如附图3所示。由于我们这款多功能显微共焦光谱仪能精确调节关键光学元件的角度和位置，该光谱仪最低测试波数达到30cm-1，远优于一般的商业化拉曼光谱仪。
利用此多功能显微共焦光谱仪，我们也测量了NewportOG507彩色玻璃的光致发光光谱，使用了50倍长工作距离物镜，150刻线光栅，光谱仪狭缝宽度200微米，使用405nm固态泵浦激光器，到达样品激光功率小于0.004mW，并衰减10000倍，所得到的光致发光光谱如附图4所示，可以看出所得到的光谱信噪比非常高。
以上两个实例说明本发明的多功能显微共焦光谱仪的扩展性非常强，且性价比远高于现有的商业化显微共焦光谱仪，便于显微共焦光谱测试技术和显微共焦光谱仪的推广，并能够推动拉曼光谱和光致发光光谱在材料研究中的应用。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、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，并不用于限制本发明，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。
Claims (12)
1.一种多功能显微共焦光谱仪，其特征在于，该多功能显微共焦光谱仪包括：
一光学平台；以及
设置于该光学平台上的第二激光器模块、光路耦合与输出主模块、第一激光器模块、照明观测模块、显微模块、第一信号检测模块、第二信号检测模块和第三信号检测模块；
其中，该光路耦合与输出主模块以及照明观测模块具有一共同基座，第一激光器模块固定在该基座后侧面，显微模块固定在该基座前侧面，第一信号检测模块固定在该基座右侧面，第二和第三信号检测模块固定在该基座后侧面。
2.根据权利要求1所述的多功能显微共焦光谱仪，其特征在于，
该第二激光器模块包括至少两个激光器LS3和LS4，相应的反射镜ML3和ML4，以及第三提升器SM3；
该光路耦合与输出主模块包括光学滤光片OFT、至少8个反射镜M1、M2、M3、M4、M5、M45、M6及M7，至少三个聚焦透镜LNS1、LNS2及LNS3，以及至少三个输出窗W1、W2及W3；
该显微模块包括显微物镜OBJ和相应的调焦装置；
该第一信号检测模块包括光栅光谱仪GSPY及其控制系统；
该第二信号检测模块包括单道探测器SD及其控制系统；
该第三信号检测模块包括连接光纤FBR，光纤光谱仪GXPY及其控制系统；光纤光谱仪GXPY置于光学平台上；
该第一激光器模块包括至少两个激光器LS1和LS2，以及相应的第一提升器SM1和第二提升器SM2；
其中，该第一激光器模块固定在该光路耦合与输出主模块基座的后侧面，并通过其中的第一提升器SM1和第二提升器SM2将第一激光器模块输出的激光提升到光路耦合与输出主模块中的内部光路；该第二激光器模块固定在该光路耦合与输出主模块基座的左侧面，并通过其中的反射镜ML3和ML4以及第三提升器SM3将第二激光器模块输出的激光提升到光路耦合与输出主模块中的内部光路；通过设置该光路耦合与输出主模块中的内部光路来选择激光器LS1、LS2、LS3和LS4中的一个作为激发光源，并将激发光向显微模块输出以对样品进行照射，进而允许样品反射光和照射后的散射信号光回射于其中，进而利用可更换的光学滤光片OFT来获得纯净的散射信号光；进而进一步将获得的散射信号光通过光路输送给第一窗W1、第二窗W2和/或第三窗W3；
从第一窗W1、第二窗W2和/或第三窗W3输出的散射信号光输入到相应的三个信号检测模块中进行共焦信号检测。
3.根据权利要求2所述的多功能显微共焦光谱仪，其特征在于，该第一激光器模块中的两个激光器LS1和LS2的波长与该第二激光器模块中的两个激光器LS3和LS4的波长均不相同。
4.根据权利要求2所述的多功能显微共焦光谱仪，其特征在于，
激光器LS1出射的激光先经第一提升器SM1进行提升并进入光路耦合与输出主模块，提升后的激光入射到反射镜M1上，经由反射镜M1再反射到反射镜M2上，经由反射镜M2反射的激光入射到光学滤光片OFT上；
激光器LS2出射的激光先经第二提升器SM2进行提升并进入光路耦合与输出主模块，提升后的激光入射到反射镜M3上，经由反射镜M3再反射到反射镜M4上，随后依次经由反射镜M4、反射镜M1、反射镜M2反射，经由反射镜M2反射的激光入射到光学滤光片OFT上；
激光器LS3发出的激光先由反射镜ML3反射，随后经提升器SM3将激光提升并耦合进入光路耦合与输出主模块，随后依次经由反射镜M5、M1、M2进行反射，经由反射镜M2反射后的激光入射到光学滤光片OFT上；
激光器LS4发出的激光先由反射镜ML4反射，随后经提升器SM3将激光提升并耦合进入光路耦合与输出主模块，随后依次经由反射镜M5、M1、M2进行反射，经由反射镜M2反射后的激光入射到光学滤光片OFT上；
光学滤光片OFT将激光反射到45度倾斜放置的反射镜M45，激光被反射镜M45反射后竖直向下传播，进入显微模块的显微物镜OBJ，经显微物镜OBJ聚焦照射到样品SMP上；同时，显微物镜OBJ收集来自样品的竖直向上的激光反射光和散射信号光经反射镜M45反射后水平入射到光学滤光片OFT；光学滤光片OFT将激光反射光滤除并衰减到只有原来的1/106至1/1012，而使得绝大部分的散射信号光透过光学滤光片OFT供后续的信号检测模块检测；
反射镜M6将透过该光学滤光片OFT的散射信号光反射后穿过小孔HL，照射到汇聚透镜LNS1上，经由汇聚透镜LNS1汇聚的散射信号光穿过第一输出窗W1，并聚焦到第一信号检测模块的狭缝SLT上；其中，小孔HL固定在一隔板上且其大小可调，该隔板把光路耦合与输出主模块分隔为左右两室以隔离激光杂散光；
透过光学滤光片OFT的散射信号光经透镜LNS2汇聚后穿过第二输出窗W2，并聚焦到第二信号检测模块的单道探测器SD中心，进而由单道探测器SD所检测；
反射镜M7将被反射镜M6反射然后穿过小孔HL的散射信号光反射到汇聚透镜LNS3上，经汇聚透镜LNS3汇聚的散射信号光穿过第三输出窗W3，并聚焦到第三信号检测模块的连接光纤FBR入口后，由连接光纤FBR将散射信号光传输到光纤光谱仪GXPY进行检测。
5.根据权利要求4所述的多功能显微共焦光谱仪，其特征在于，提升器SM1、SM2和SM3中所包含的各反射镜的角度，以及反射镜ML3、ML4、M4、M45、M5、M6和M7的角度均二维可调；反射镜ML3、ML4、M4、M5、M6和M7的调节架分别放置在具有两个固定位置的其各自对应的滑轨上，根据各个反射镜位于其对应滑轨的两个固定位置的不同，来选择不同的激光、散射信号光和/或输出窗。
6.根据权利要求4所述的多功能显微共焦光谱仪，其特征在于，汇聚透镜LNS1、LNS2和LNS3分别放置于三维平移调节架上，通过调节三维平移调节架的三个平移轴，不仅可在二维竖直方向上调节三个汇聚透镜的位置，还可在光轴方向调节三个汇聚透镜的位置，使得散射信号光可以分别精确入射并聚焦到到三个信号检测模块的信号输入口中心。
7.根据权利要求2所述的多功能显微共焦光谱仪，其特征在于，该光学滤光片OFT为陷波拉曼滤光片、边带拉曼滤光片、高通滤光片或低通滤光片。
8.根据权利要求2所述的多功能显微共焦光谱仪，其特征在于，
反射镜M2放置于竖直二维角度调节架上，而该竖直二维角度调节架又放置于二维平移台上；调节二维平移台可使激光入射到反射镜上的不同位置，而竖直二维角度调节架用来调节反射镜方向使其将激光反射到光学滤光片OFT的中心；二维平移台和竖直二维角度调节架的组合使用，能够精确地调节激光入射到光学滤光片OFT中心的角度；
光学滤光片OFT固定在一个竖直二维角度调节架上；竖直二维角度调节架可插拔地置于一个固定在光学平台上的支柱上；当更换不同波长激光时，将固定有相应光学滤光片OFT的竖直二维角度调节架更换到该支柱上；调节竖直二维角度调节架的螺纹，即可使激光入射到显微模块的显微镜物镜OBJ；通过该竖直二维角度调节架与在反射镜M2之前光路上的其它配备有反射镜的竖直二维角度调节架联合使用，即可使激光准直入射到显微模块的显微镜物镜OBJ，并聚焦到样品SMP上，以产生备检测的样品散射信号光。
9.根据权利要求2所述的第一信号检测模块，其特征在于，该光栅光谱仪GSPY包括狭缝SLT，反射镜M8和M9，光栅GRT，探测器CCD，其中：
来自狭缝SLT的信号光入射到反射镜M8，经反射镜M8反射后的信号光照射到光栅GRT上，经光栅GRT色散后的信号光由反射镜M9进行收集并反射到探测器CCD进行检测。
10.根据权利要求8所述的光栅光谱仪GSPY，其特征在于，该光栅光谱仪GSPY置于固定支架之上，使得光栅光谱仪GSPY的光轴与光路耦合与输出主模块的光轴等高；透过第一输出窗W1的散射光信号不需要任何提升器直接进入光栅光谱仪GSPY的狭缝SLT并由后续的探测器CCD进行检测。
11.根据权利要求1所述的多功能显微共焦光谱仪，其特征在于，该照明观测模块包括：广谱光源WL，分束器BS1和BS2，汇聚透镜LNS4，照相机CMR，反射镜M45，其中：
分束器BS2将来自广谱光源WL的白光反射到显微模块的显微物镜OBJ，经由显微物镜OBJ聚焦照射到样品SMP上；
来自样品SMP的反射光经由显微模块的显微物镜OBJ收集后穿过分束器BS1后，经由分束器BS1反射到照相机CMR进行样品观察；
分束器BS1和BS2成90度垂直角度放置，且都与光路成45度角；
分束器BS1和BS2同时置于同一个具有两个固定位置的滑轨上；
滑轨的一个位置使分束器BS1和BS2位于光路上，用于样品SMP的光学图像观察；
将分束器BS1和BS2滑至滑轨的另外一个位置，分束器BS1和BS2将离开激光光路，使得广谱光源WL的白光不能入射到样品上，同时使得激光不受分束器BS1和BS2的干扰，这样激光可以无损通过照明观测模块来激发样品的散射光信号，同时，来自样品的散射光信号经显微模块的显微物镜OBJ收集也可以无损通过照明观测模块，然后传输到后续的信号检测模块并被信号检测模块检测。
12.根据权利要求1所述的多功能显微共焦光谱仪，其特征在于，所述第一激光器模块中的两个激光器LS1和LS2为小型固体激光器，所述第二激光器模块中的两个激光器LS3和LS4为各种固体或气体激光器。
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| CN201610130068.0A CN105588640B (zh) | 2016-03-08 | 2016-03-08 | 多功能显微共焦光谱仪 |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN109557073A (zh) * | 2018-11-27 | 2019-04-02 | 中国农业科学院农业质量标准与检测技术研究所 | 一种便携式拉曼光谱仪 |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2008299146A (ja) * | 2007-05-31 | 2008-12-11 | Tokyo Instruments Inc | 共焦点顕微分光装置 |
| CN103743720A (zh) * | 2014-01-20 | 2014-04-23 | 厦门大学 | 一种具有角分辨能力的共焦显微拉曼光谱仪 |
| CN203606288U (zh) * | 2013-12-11 | 2014-05-21 | 中国科学院西安光学精密机械研究所 | 共聚焦显微拉曼和激光诱导击穿光谱联用激光光谱分析仪 |
| CN103884704A (zh) * | 2014-03-10 | 2014-06-25 | 北京理工大学 | 分光瞳激光共焦布里渊-拉曼光谱测量方法及装置 |
-
2016
- 2016-03-08 CN CN201610130068.0A patent/CN105588640B/zh active Active
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2008299146A (ja) * | 2007-05-31 | 2008-12-11 | Tokyo Instruments Inc | 共焦点顕微分光装置 |
| CN203606288U (zh) * | 2013-12-11 | 2014-05-21 | 中国科学院西安光学精密机械研究所 | 共聚焦显微拉曼和激光诱导击穿光谱联用激光光谱分析仪 |
| CN103743720A (zh) * | 2014-01-20 | 2014-04-23 | 厦门大学 | 一种具有角分辨能力的共焦显微拉曼光谱仪 |
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN109557073A (zh) * | 2018-11-27 | 2019-04-02 | 中国农业科学院农业质量标准与检测技术研究所 | 一种便携式拉曼光谱仪 |
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