CN110967330B - 微区共焦拉曼光谱探测系统 - Google Patents

Abstract

本申请提供一种微区共焦拉曼光谱探测系统，通过第一分光单元以及第二分光单元实现了透射式的光路结构，使得拉曼散射光经过透射，传输至第一光谱探测单元与第二光谱探测单元进行拉曼光谱探测。经第一分光单元与第二分光单元可以分离出的第一路散射光与第二路散射光沿原路返回，沿光路传输至第一棱镜。并且，通过扫描探针可以增强拉曼散射，用以激发出样品的散射光，使得样品表面或近表面的电磁场的增强导致吸附分子的拉曼散射信号比普通拉曼散射信号大大增强，实现了在微区拉曼光谱中精确共焦、高空间分辨率以及高拉曼光谱分辨率的探测。

Description

微区共焦拉曼光谱探测系统

技术领域

本申请涉及显微光谱成像技术领域，特别是涉及一种微区共焦拉曼光谱探测系统。

背景技术

随着拉曼光谱学、激光技术的发展，拉曼光谱已经广泛运用于医学、毒品鉴定、生物、宝石鉴定等领域。传统的自发拉曼散射成像技术由于拉曼散射截面本身特性导致其发射信号极弱，即便用高强度的激光激发，要获得信噪比好的光谱图像依然需要很长的积分时间。然而，微区共焦拉曼光谱技术不仅可以实现拉曼光谱探测，因共焦显微技术具有独特的层析能力，还可实现对样品的轴向扫描和三维成像。

但是，传统的微区共焦拉曼光谱探测系统大多采用两个单波长激光器，只能获得特定频谱的光谱信息。并且，传统的微区共焦拉曼光谱探测系统没有强调系统的定焦能力，导致实际光谱探测位置往往处于离焦位置。即便光线在离焦位置也能激发出样品的拉曼光谱并被探测，但是强度并不能合理表征正确的光谱信号强度。

并且，在对样品进行检测时，传统的显微微区共焦拉曼光谱探测系统光学结构限制了探测微区光谱的能力，制约了样品微区光谱测试与分析的应用，难以实现在微区光谱中对空间位置信息和光谱信息的同步检测，导致传统的显微微区共焦拉曼光谱探测系统空间分辨率与拉曼光谱分辨率低。

发明内容

基于此，有必要针对传统的显微微区共焦拉曼光谱探测系统在微区光谱中空间分辨率与拉曼光谱分辨率低的问题，提供一种精确定焦、空间分辨率高、拉曼光谱分辨率高的微区共焦拉曼光谱探测系统。

本申请提供一种微区共焦拉曼光谱探测系统包括激光发射单元、第一棱镜、第一分光单元、光谱激发单元、第一光谱探测单元、第二棱镜以及共焦探测单元。所述激光发射单元用以发射出入射激光。所述第一棱镜设置于所述激光发射单元发射出的入射激光的光路上，用以将入射激光分成两路入射光。所述第一分光单元设置于经所述第一棱镜分束后的第一路入射光路上。所述光谱激发单元包括样品台与扫描探针，所述样品台用以放置样品，使得所述第一路入射光路沿光路传输至所述扫描探针，并通过所述扫描探针增强拉曼散射至所述样品表面，用以激发出所述样品的散射光。所述第一光谱探测单元设置于经所述第一分光单元分离出的第一路拉曼散射光路上，用以对所述样品进行拉曼光谱探测。所述第二棱镜设置于所述第一分光单元分离出的第一路散射光经所述第一棱镜分束后的光路上。所述共焦探测单元设置于经所述第二棱镜分束后的一条散射光路上，用以探测所述样品激发出的散射光。

在一个实施例中，所述微区共焦拉曼光谱探测系统还包括第二分光单元与第二光谱探测单元。所述第二分光单元设置于经所述第一棱镜分束后的第二路入射光路上。所述样品设置于所述第一路入射光路与所述第二路入射光路之间，使得所述第一路入射光路与所述第二路入射光路均沿光路通过所述扫描探针传输至所述样品表面，用以激发出所述样品的散射光。所述第二光谱探测单元设置于经所述第二分光单元分离出的第二路拉曼散射光路上，用以对所述样品进行拉曼光谱探测。所述第二分光镜设置于所述第一分光单元分离出的第一路散射光以及所述第二分光单元分离出的第二路散射光经所述第一棱镜分束后的光路上。

在一个实施例中，所述微区共焦拉曼光谱探测系统还包括第一聚光镜与电感探测器。所述第一聚光镜设置于经所述第二棱镜分束后的另一条散射光路上。所述电感探测器设置于经所述第一聚光镜会聚后的散射光路上。

在一个实施例中，所述微区共焦拉曼光谱探测系统还包括第一反射镜与第二反射镜。所述第一反射镜设置于所述激光发射单元与所述第一棱镜之间，用以改变入射激光的光路方向，缩小所述微区共焦拉曼光谱探测系统的整体体积。所述第二反射镜设置于所述第一棱镜与所述第二分光单元之间，用以改变所述第二路入射光路的光路方向，缩小所述微区共焦拉曼光谱探测系统的整体体积。

在一个实施例中，所述激光发射单元包括多个激光器、多个第三扩束准直镜、多个光阑、多个径向偏振光转换器、多个二向色镜以及偏振分光镜。所述多个激光器用以发射出多束入射激光。每个所述第三扩束准直镜设置于每个所述激光器发出的入射光路上。每个所述光阑设置于经所述第三扩束准直镜后的光路上。每个所述径向偏振光转换器设置于经所述光阑后的光路上。每个所述二向色镜设置于经所述径向偏振光转换器后的光路上，且经过所述多个二向色镜，使得多束入射激光重合成一束入射激光。所述偏振分光镜设置于经过所述多个二向色镜重合成一束入射激光的光路上。

在一个实施例中，所述第一分光单元与所述第二分光单元为二向色镜。

在一个实施例中，所述光谱激发单元还包括第一物镜与第二物镜。所述第一物镜设置于所述第一分光单元与所述样品之间，用以将光斑紧密聚焦在所述样品表面。所述第二物镜设置于所述第二分光单元与所述样品之间，用以将光斑紧密聚焦在所述样品表面。

在一个实施例中，所述第一光谱探测单元包括第二聚光镜、第一扩束准直镜、第三聚光镜以及第一检测器。所述第二聚光镜设置于经所述第一分光单元分离出的第一路拉曼散射光路上，且经所述第二聚光镜会聚后的第一路拉曼散射光通过器进入光纤。所述第一扩束准直镜设置于经光纤传输的第一路拉曼散射光的光路上。所述第三聚光镜设置于经所述第一扩束准直镜后的第一路拉曼散射光的光路上。所述第一检测器设置于经所述第三聚光镜会聚后的第一路拉曼散射光的光路上，用以对所述样品进行拉曼光谱探测。

在一个实施例中，所述第二光谱探测单元包括第四聚光镜、第二扩束准直镜、第五聚光镜以及第二检测器。所述第四聚光镜设置于经所述第二分光单元分离出的第二路拉曼散射光路上，且经所述第四聚光镜会聚后的第二路拉曼散射光通过器进入光纤。所述第二扩束准直镜设置于经光纤传输的第二路拉曼散射光的光路上。所述第五聚光镜设置于经所述第二扩束准直镜后的第二路拉曼散射光的光路上。所述第二检测器设置于经所述第五聚光镜会聚后的第二路拉曼散射光的光路上，用以对所述样品进行拉曼光谱探测。

在一个实施例中，所述共焦探测单元包括第三棱镜、两个第六聚光镜、两个针孔光阑以及两个光电倍增管。所述第三棱镜设置于经所述第二棱镜分束后的一条散射光路上，且与经所述第一聚光镜会聚后的散射光路不同。每个所述第六聚光镜分别设置于经所述第三棱镜分束的不同散射光路上。每个所述针孔光阑设置于经每个所述第六聚光镜会聚后的散射光路上。每个所述光电倍增管设置于经每个所述针孔光阑后的散射光路上，用以探测所述样品激发出的散射光。

本申请提供一种微区共焦拉曼光谱探测系统，经所述第一分光单元分离出的第一路拉曼散射光通过耦合器耦合进入光纤，并通过光纤传输至所述第一光谱探测单元，用以对所述样品进行拉曼光谱探测。经所述第二分光单元分离出的第二路拉曼散射光通过耦合器耦合进入光纤，并通过光纤传输至所述第二光谱探测单元，用以对所述样品进行拉曼光谱探测。通过所述第一分光单元以及所述第二分光单元实现了透射式的光路结构，使得拉曼散射光经过透射，传输至所述第一光谱探测单元与所述第二光谱探测单元进行拉曼光谱探测。

经所述第一分光单元与所述第二分光单元分离出的第一路散射光与第二路散射光沿原路返回，沿光路传输至所述第一棱镜。散射光通过所述第一棱镜分束，一路沿光路传输至所述共焦探测单元探测散射光的强度，实现了反射式的光路结构。通过构建所述微区共焦拉曼光谱探测系统的共焦、反射式以及透射式相结合的光学探测系统，可以实现在微区拉曼光谱中精确定焦、高空间分辨率以及高拉曼光谱分辨率的探测。

并且，通过所述扫描探针，使得所述第一路入射光路与所述第二路入射光路均沿光路通过所述扫描探针传输至所述样品表面，用以激发出所述样品的散射光。通过所述扫描探针可以增强拉曼散射，用以激发出所述样品的散射光，使得所述样品表面或近表面的电磁场的增强导致吸附分子的拉曼散射信号比普通拉曼散射信号大大增强。

附图说明

图1为本申请提供的微区共焦拉曼光谱探测系统图；

图2为本申请提供的一个实施例的微区共焦拉曼光谱探测系统图；

图3为本申请提供的采用微区共焦拉曼光谱探测系统获得的纯物质硫的拉曼光谱图；

图4为本申请提供的采用微区共焦拉曼光谱探测系统获得的单壁碳纳米管的拉曼光谱图；

图5为本申请一个实施例提供的弯曲扫描探针结构示意图；

图6为本申请一个实施例提供的光学显微镜下的弯曲扫描探针的示意图；

图7为本申请一个实施例提供的弯曲扫描探针示意图；

图8为本申请一个实施例提供的弯曲扫描探针示意图；

图9为本申请一个实施例提供的光学显微镜下的弯曲扫描探针示意图；

图10为本申请一个实施例提供的多台阶扫描探针示意图；

图11为本申请一个实施例提供的多台阶扫描探针示意图；

图12为本申请一个实施例提供的光学显微镜下的扫描探针的示意图；

图13为本申请一个实施例提供的多台阶扫描探针示意图。

附图标记说明

微区共焦拉曼光谱探测系统400、激光发射单元410、第一棱镜420、第一分光单元430、第二分光单元440、光谱激发单元450、样品501、第一光谱探测单元460、第二光谱探测单元470、第二棱镜480、共焦探测单元490、第一聚光镜910、电感探测器920、第一反射镜930、第二反射镜940、激光器401、第三扩束准直镜402、光阑403、径向偏振光转换器404、二向色镜405、偏振分光镜406、第一物镜502、第二物镜503、第二聚光镜601、第一扩束准直镜602、第三聚光镜603、第一检测器604、第四聚光镜701、第二扩束准直镜702、第五聚光镜703、第二检测器704、第三棱镜901、第六聚光镜902、针孔光阑903、光电倍增管904、扫描探针100、弯曲扫描探针10、探针主体110、延伸体120、弯钩部130、弯折体131、螺旋体132、拉长结构133、标志部140、第一凸起141、凹槽142、散射层143、多台阶扫描探针20、第一延伸体210、第二延伸体220、第三延伸体230、第一变径结构211、第二变径结构212、纳米光子散射结240、标志部250、第二凸起260、凹坑280、散射层270。

具体实施方式

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下通过实施例，并结合附图，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。

本文中为部件所编序号本身，例如“第一”、“第二”等，仅用于区分所描述的对象，不具有任何顺序或技术含义。而本申请所说“连接”、“联接”，如无特别说明，均包括直接和间接连接(联接)。在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

在本申请中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

请参见图1-2，本申请提供一种微区共焦拉曼光谱探测系统400包括激光发射单元410、第一棱镜420、第一分光单元430、光谱激发单元450、第一光谱探测单元460、第二棱镜480以及共焦探测单元490。所述激光发射单元410用以发射出入射激光。所述第一棱镜420设置于所述激光发射单元410发射出的入射激光的光路上，用以将入射激光分成两路入射光。所述第一分光单元430设置于经所述第一棱镜420分束后的第一路入射光路上。所述光谱激发单元450包括样品台503与扫描探针100。所述样品台503用以放置样品501，使得所述第一路入射光路沿光路传输至所述扫描探针100，并通过所述扫描探针100增强拉曼散射至所述样品501表面，用以激发出所述样品501的散射光。所述第一光谱探测单元460设置于经所述第一分光单元430分离出的第一路拉曼散射光路上，用以对所述样品501进行拉曼光谱探测。所述第二棱镜480设置于所述第一分光单元430分离出的第一路散射光经所述第一棱镜420分束后的光路上。所述共焦探测单元490设置于经所述第二棱镜480分束后的一条散射光路上，用以探测所述样品501激发出的散射光。

所述激光发射单元410发射出入射激光，入射激光经耦合器进入光纤，并经过所述第一棱镜420将入射激光分成两路入射光。其中，所述第一路入射光经过所述第一分光单元430后沿光路传输至所述样品501表面，用以激发产生拉曼散射光以及散射光。并且，所述微区共焦拉曼光谱探测系统400通过所述扫描探针100，使得所述第一路入射光路沿光路通过所述扫描探针100传输至所述样品501表面，用以激发出所述样品的散射光。通过所述扫描探针100可以增强拉曼散射，通过元激发并达到所述样品的散射光信号增强，使得所述样品501表面或近表面的电磁场的显著增强，导致吸附的待测物质的拉曼散射信号比普通拉曼散射信号得到极大增强，提高信噪比，可以提高光谱分辨率和成像分辨率。

在一个实施例中，所述微区共焦拉曼光谱探测系统400还包括第二分光单元440与第二光谱探测单元470。所述第二分光单元440设置于经所述第一棱镜420分束后的第二路入射光路上。所述样品501设置于所述第一路入射光路与所述第二路入射光路之间，使得所述第一路入射光路与所述第二路入射光路均沿光路通过所述扫描探针100传输至所述样品501表面，用以激发出所述样品的散射光。所述第二光谱探测单元470设置于经所述第二分光单元440分离出的第二路拉曼散射光路上，用以对所述样品501进行拉曼光谱探测。所述第二分光镜480设置于所述第一分光单元430分离出的第一路散射光以及所述第二分光单元440分离出的第二路散射光经所述第一棱镜420分束后的光路上。

其中，所述第一棱镜420为分光镜，用以进行分光作用。所述第二棱镜480为分光镜，用以进行分光作用。所述第一光谱探测单元460设置于经所述第一分光单元430分离出的第一路拉曼散射光路上，用以对所述样品501进行拉曼光谱探测。所述第二光谱探测单元470设置于经所述第二分光单元440分离出的第二路拉曼散射光路上，用以对所述样品501进行拉曼光谱探测。所述第二棱镜480设置于所述第一分光单元430分离出的第一路散射光以及所述第二分光单元440分离出的第二路散射光经所述第一棱镜420分束后的光路上。所述共焦探测单元490设置于经所述第二棱镜480分束后的一条散射光路上，用以探测所述样品501激发出的散射光。

所述激光发射单元410发射出入射激光，入射激光经耦合器进入光纤，并经过所述第一棱镜420将入射激光分成两路入射光。其中，所述第一路入射光经过所述第一分光单元430后沿光路传输至所述样品501表面，用以激发产生拉曼散射光以及散射光。所述第二路入射光经过所述第二分光单元440后沿光路传输至所述样品501表面，用以激发产生拉曼散射光以及散射光。当通过沿光路传输所述样品501表面激发出的拉曼散射光以及散射光，会沿原路进行返回。同时，通过所述第一分光单元430与所述第二分光单元440将散射光进行分离，分离出拉曼散射光与散射光。

其中，经所述第一分光单元430分离出的第一路拉曼散射光通过耦合器耦合进入光纤，并通过光纤传输至所述第一光谱探测单元460，用以对所述样品501进行拉曼光谱探测。经所述第二分光单元440分离出的第二路拉曼散射光通过耦合器耦合进入光纤，并通过光纤传输至所述第二光谱探测单元470，用以对所述样品501进行拉曼光谱探测。通过所述第一分光单元430以及所述第二分光单元440实现了透射式的光路结构，使得拉曼散射光经过透射，传输至所述第一光谱探测单元460与所述第二光谱探测单元470进行拉曼光谱探测。

经所述第一分光单元430与所述第二分光单元440分离出的第一路散射光与第二路散射光沿原路返回，沿光路传输至所述第一棱镜420。散射光通过所述第一棱镜420分束，一路沿光路传输至所述共焦探测单元490探测散射光的强度，实现了反射式的光路结构。通过构建所述微区共焦拉曼光谱探测系统400的共焦、反射式以及透射式相结合的光学探测系统，可以实现在微区拉曼光谱中精确定焦、高空间分辨率以及高拉曼光谱分辨率的探测。

在一个实施例中，所述微区共焦拉曼光谱探测系统400还包括第一聚光镜910以及电感探测器920。所述第一聚光镜910设置于经所述第二棱镜480分束后的另一条散射光路上。所述电感探测器920设置于经所述第一聚光镜910会聚后的散射光路上。

通过所述第一聚光镜910会聚，被所述电感探测器920(CCD)所接收，并根据差动原理实现双极性绝对零点跟踪测量，精确定焦，精确定焦后再进行拉曼光谱探测，获得最佳光谱分辨能力和成像分辨率。

因此，通过所述微区共焦拉曼光谱探测系统400不仅可以用来测量所述样品501的成分，还以用来分析所述样品501的表面几何形貌。而且，通过所述微区共焦拉曼光谱探测系统400的光路设计，提升了空间分辨率。

并且，通过所述扫描探针100可以增强拉曼散射，通过元激发并达到所述样品的散射光信号增强，使得所述样品501表面或近表面的电磁场的显著增强，导致吸附的待测物质的拉曼散射信号比普通拉曼散射信号得到极大增强，提高信噪比，可以提高光谱分辨率和成像分辨率。

在一个实施例中，所述微区共焦拉曼光谱探测系统400还包括第一反射镜930以及第二反射镜940。所述第一反射镜930设置于所述激光发射单元410与所述第一棱镜420之间，用以改变入射激光的光路方向，缩小所述微区共焦拉曼光谱探测系统400的整体体积。所述第二反射镜940设置于所述第一棱镜420与所述第二分光单元440之间，用以改变所述第二路入射光路的光路方向，缩小所述微区共焦拉曼光谱探测系统400的整体体积。

通过所述第一反射镜930可以改变入射激光的光路方向，进而将所述微区共焦拉曼光谱探测系统400中的光路改变，缩小整体光路的体积，可以使得所述微区共焦拉曼光谱探测系统400更加便携式，方便转移携带。

通过所述第二反射镜940可以改变入射激光的光路方向，进而将所述微区共焦拉曼光谱探测系统400中的光路改变，缩小整体光路的体积，可以使得所述微区共焦拉曼光谱探测系统400更加便携式，方便转移携带。

在一个实施例中，所述激光发射单元410包括多个激光器401、多个第三扩束准直镜402、多个光阑403、多个径向偏振光转换器404、多个二向色镜405以及偏振分光镜406。所述多个激光器401用以发射出多束入射激光。每个所述第三扩束准直镜402设置于每个所述激光器401发出的入射光路上。每个所述光阑403设置于经所述第三扩束准直镜402后的光路上。每个所述径向偏振光转换器404设置于经所述光阑403后的光路上。每个所述二向色镜405设置于经所述径向偏振光转换器404后的光路上，且经过所述多个二向色镜405使得多束入射激光重合成一束入射激光。所述偏振分光镜406设置于经过所述多个二向色镜405重合成一束入射激光的光路上。

多个所述激光器401可以为不同类型的单纵模激光器具有抗干扰能力强，如532nm、633nm、488nm等类型的激光器，可以实现多波长拉曼光谱以及散射的探测。每个所述激光器401发射出入射激光经耦合器耦合进入光纤，并通过所述第三扩束准直镜402起到使激光聚焦效果更好的作用，以维持激光谐振腔和聚焦光学元件之间的光束的准直性。在所述第三扩束准直镜402后加入所述光阑403，可以弥补由于光纤入射数值孔径与所述第三扩束准直镜402数值孔径不匹配导致的大量入射光线进入光路中，这些光线经过装置中的夹持件、固定架多次反射和散射会产生大量杂乱光线，再次进入分光系统并分散到达检测器像面，影响最终拉曼光信号探测的缺陷。因此，通过所述光阑403降低了所述微区共焦拉曼光谱探测系统400中杂散光产生概率，减少了杂散光对拉曼散射光与散射光探测的影响，提高了光谱探测效率。

所述径向偏振光转换器404设置于经所述光阑403后的光路上，使入射光偏振状态发生改变，径向偏振光作为入射光在聚焦焦点处能够形成更强的纵向光场。

通过所述偏振分光镜406将入射激光的一路s偏振光被滤除，另一路p偏振光经由所述反射镜930、所述分光镜420、所述第二反射镜940、所述第一分光单元430以及所述第二分光单元440进入所述第一物镜502与所述第二物镜503，用于激发所述样品501的拉曼散射光以及散射光。其中，P偏光完全通过，而S偏光以45度角被反射，出射方向与P光成90度角。所述偏振分光镜406由一对高精度直角棱镜胶合而成，其中一个棱镜的斜边上镀有偏振分光介质膜。

在一个实施例中，所述第一分光单元430与所述第二分光单元440为二向色镜。

所述第一分光单元430与所述第二分光单元440对一定波长的光几乎完全透过，而对另一些波长的光几乎完全反射。通过所述第一分光单元430与所述第二分光单元440可以对所述样品501的散射光与拉曼散射光进行分离，从而散射光进入两个所述光电倍增管904探测散射光的强度，拉曼散射光进入所述第一检测器604与所述第二检测器704进行拉曼光谱探测。通过所述第一分光单元430与所述第二分光单元440可以将散射光与拉曼散射光进行分离，实现了所述微区共焦拉曼光谱探测系统400的反射式和透射式相结合的光学系统。

在一个实施例中，所述第一分光单元430与所述第二分光单元440也可以为窄带单陷波滤波器对散射的散射光和拉曼散射光进行分离。其中，散射光进入所述光电倍增管904探测散射光的强度，拉曼散射光经光纤耦合进入所述第一光谱探测单元460与所述第二光谱探测单元470进行拉曼散射光的探测。

在一个实施例中，所述光谱激发单元450还包括第一物镜502以及第二物镜503。所述第一物镜502设置于所述第一分光单元430与所述样品501之间，用以将光斑紧密聚焦在所述样品501表面。所述第二物镜503设置于所述第二分光单元440与所述样品501之间，用以将光斑紧密聚焦在所述样品501表面。

所述第一物镜502以及所述第二物镜503为高数值孔径物镜，可以采用三丰MPLANAPO HR长焦物镜、奥林帕斯LMPLFLN 100长焦物镜作为聚光元件，将光斑紧密聚焦在所述样品501表面，减小了激光光斑面积，从而提高了所述微区共焦拉曼光谱探测系统400分辨率。所述光谱激发单元450运用高数值孔径物镜聚焦光斑产生焦点处电场干涉叠加的强纵向场，尤其是在径向偏振光束聚焦时，能够在微区产生高质量纵向光场。

在一个实施例中，所述第一光谱探测单元460包括第二聚光镜601、第一扩束准直镜602、第三聚光镜603、第一检测器604。所述第二聚光镜601设置于经所述第一分光单元430分离出的第一路拉曼散射光路上，且经所述第二聚光镜601会聚后的第一路拉曼散射光通过器进入光纤。所述第一扩束准直镜602设置于经光纤传输的第一路拉曼散射光的光路上。所述第三聚光镜603设置于经所述第一扩束准直镜602后的第一路拉曼散射光的光路上。所述第一检测器604设置于经所述第三聚光镜603会聚后的第一路拉曼散射光的光路上，用以对所述样品501进行拉曼光谱探测。

通过所述第二聚光镜601以及所述第三聚光镜603可以弥补光量的不足和适当改变从光源射来的光的性质，而且可以将光线聚焦。同时，根据所述第一物镜502数值孔径的大小，相应地选择所述第二聚光镜601以及所述第三聚光镜603。当所述样品501的拉曼散射光进入所述第一检测器604后，通过所述第一检测器604进行光谱分析。

在一个实施例中，所述第二光谱探测单元470包括第四聚光镜701、第二扩束准直镜702、第五聚光镜703以及第二检测器704。所述第四聚光镜701设置于经所述第二分光单元440分离出的第二路拉曼散射光路上，且经所述第四聚光镜701会聚后的第二路拉曼散射光通过耦合器耦合进入光纤。所述第二扩束准直镜702设置于经光纤传输的第二路拉曼散射光的光路上。所述第五聚光镜703设置于经所述第二扩束准直镜702后的第二路拉曼散射光的光路上。所述第二检测器704设置于经所述第五聚光镜703会聚后的第二路拉曼散射光的光路上，用以对所述样品501进行拉曼光谱探测。

通过所述第四聚光镜701以及所述第五聚光镜703可以弥补光量的不足和适当改变从光源射来的光的性质，而且可以将光线聚焦。同时，根据所述第二物镜503数值孔径的大小，相应地选择所述第四聚光镜701以及所述第五聚光镜703。当所述样品501的拉曼散射光进入所述第二检测器704后，通过所述第二检测器704进行光谱分析。

在一个实施例中，所述第一检测器604与所述第二检测器704可以为探测器、示波器、光谱仪等。

在一个实施例中，所述共焦探测单元490包括第三棱镜901、两个第六聚光镜902、两个针孔光阑903以及两个光电倍增管904。所述第三棱镜901设置于经所述第二棱镜480分束后的一条散射光路上，且与经所述第一聚光镜910会聚后的散射光路不同。每个所述第六聚光镜902分别设置于经所述第三棱镜901分束的不同散射光路上。每个所述针孔光阑903设置于经每个所述第六聚光镜902会聚后的散射光路上。每个所述光电倍增管904设置于经每个所述针孔光阑903后的散射光路上，用以探测所述样品501激发出的散射光。

其中，所述第三棱镜901为分光镜，用以进行分光作用。经所述第一分光单元430与所述第二分光单元440分离出的第一路散射光与第二路散射光沿原路返回，沿光路传输至所述第一棱镜420。并且，通过所述第二棱镜480将所述样品501的散射光分束，一路散射光沿光路传输至所述第三棱镜901，分成两路，用以从两个探测光路对散射光进行探测。散射光通过所述第一棱镜420分束，一路沿光路传输至所述共焦探测单元490探测散射光的强度，实现了反射式的光路结构。同时，通过所述两个光电倍增管904等距位置的设置可以用来实现差动探测，实现了双极性绝对零点跟踪测量，精确定焦，精确定焦后再进行拉曼光谱探测，可以获得最佳光谱分辨能力。

在所述光谱激发单元450中，激光光束由所述第一物镜502以及所述第二物镜503将第一路入射光与第二路入射光聚焦在所述样品501表面，产生的拉曼散射信号和散射信号被所述第一分光单元430与所述第二分光单元440分离，形成第一路拉曼散射光、第二路拉曼散射光、第一路散射光以及第二路散射光。第一路拉曼散射光与第二路拉曼散射光分别由光纤耦合进入所述第一检测器604与所述第二检测器704实现光谱探测。第一路散射光与第二路散射光经所述第一棱镜420、所述第二棱镜480以及第所述三分光镜901到达两个所述光电倍增管904探测散射的强度，实现了反射式和透射式的光路结构。

通过所述微区共焦拉曼光谱探测系统400不仅可以用来测量所述样品501的成分，还以用来分析所述样品501的表面几何形貌。而且，通过所述微区共焦拉曼光谱探测系统400的光路设计，提升了空间分辨率。

在一个实施例中，所述微区共焦拉曼光谱探测系统400还包括数据采集卡、纳米位移台控制器、垂直位移台控制器、物镜执行器控制器、机械固定支架组成以及计算机。其中，所述纳米位移台、所述垂直位移台、所述物镜执行器控制所述第一物镜502以及所述第二物镜503与所述样品501的相对位置。所述垂直位移台选用纳米精度线性平移台，同时采用压电弯曲驱动器和直流伺服/滚珠丝杆驱动混合驱动，具有很高的驱动力和夹持力，可在系统中控制物镜垂直方向上7mm行程范围内的位移。所述垂直位移台具有纳米精密三轴位移台，由三根压电陶瓷棒驱动，可以在x、y和z方向上产生精密微位移运动。所述压电陶瓷配合所述纳米位移台控制器使用。所述纳米位移台控制器内置传感器、伺服控制模块以及高功率压电放大模块，所述压电陶瓷棒通过连接线与传感器、伺服控制模块连接。

所述计算机分别与所述纳米位移台控制器、所述垂直位移台控制器、所述物镜执行器控制器以及所述数据采集卡连接，通过所述计算机控制驱动信号的输出，驱动压电陶瓷产生微位移，实现纳米位移台三维运动。所述数据采集卡通过PCI插槽内置于所述计算机主板上，可同时采集两路所述光电倍增管904输出的微弱电压信号。第一路散射光与第二路散射光经所述第一棱镜420、所述第二棱镜480以及第所述三分光镜901到达两个所述光电倍增管904探测散射的强度，并由欧姆同轴电缆传输至所述数据采集卡，进行微弱电压信号的计算与处理。

请参见图3-4，可知纯物质硫测出了153cm^-1、219cm^-1、473cm^-1的特征峰，单臂碳纳米管测出了1581cm-1、2708cm-1的特征峰，测量结果属于硫与单臂碳纳米管的拉曼光谱。通过采用激光功率计得到了共焦收光面上光功率，并且将所述微区共焦拉曼光谱探测系统400进行光线追迹，对所述共焦探测单元490光通量辐照度进行分析，仿真结果与功率计误差不超过1.54％。所述微区共焦拉曼光谱探测系统400共焦形成高分辨率大视场，可以达到800万像素～1000万像素。所述微区共焦拉曼光谱探测系统400的空间分辨率小于80nm，其中x方向小于80nm、z方向小于0.05nm，拉曼光谱分辨率为1cm^-1～2cm^-1。

请参见图5-6，在一个实施例中，通过扫描探针针尖的制备装置与扫描探针针尖的制备方法可以制得的所述扫描探针100。所述扫描探针100可以为弯曲扫描探针10。所述弯曲扫描探针10包括探针主体110，延伸体120和弯钩部130。所述延伸体120设置于探针主体110探针主体110的一端。所述弯钩部130，设置于所述延伸体120远离所述探针主体110探针主体110的一端。

在一个实施例中，所述探针主体110的长度可以为25μm～2.5mm。所述延伸体120连接于所述弯钩部130和所述探针主体110探针主体110之间。所述延伸体120可以为渐进梯度双曲结构。所述延伸体120横截面积小的一端可以与所述弯钩部130直接连接。所述弯钩部130可以增加散射截面，进而提高拉曼散射。

请参见图7，在一个实施例中，所述弯钩部130包括弯折体131。所述弯折体131的长度可以为10nm～2.5μm。所述弯折体131与所述延伸体120垂直连接。所述弯折体131可以为杆状，所述延伸体120可以为杆状。所述弯折体131与所述延伸体120连接的位置可以为直角。所述弯折体131的直径朝向所述延伸体120的末端可以逐渐减小。所述弯折体131表面可以形成平台。通过所述弯折体131可以提高拉曼光谱分辨率。

请参见图8，在一个实施例中，所述弯折体131的末端可以设置有与所述延伸体120大致平行的朝向远离所述延伸体120方向延伸的拉长结构133。通过所述拉长结构133可以提高所述弯曲扫描探针10的扫描空间分辨比。

在一个实施例中，所述弯钩部130包括螺旋体132。所述螺旋体132的长度可以为200μm-400μm。所述螺旋体132的一端与所述延伸体120远离所述探针主体110的一端连接。所述螺旋体132可以为从所述延伸体120延伸出的圆柱状结构螺旋延伸形成。所述螺旋体132的轴线可以与所述延伸体120的轴线交叉设置。

在一个实施例中，所述螺旋体132的轴线可以与所述延伸体120的轴线垂直。所述螺旋体132可以提高所述弯曲扫描探针10的散射界面。

在一个实施例中，所述螺旋体132的螺距从所述延伸体120朝向所述螺旋体132延伸的方向逐渐变小。所述螺旋体132的直径可以逐渐变小，因此所述螺旋体132的末端尺寸更小，便于实验中操作。

在一个实施例中，所述弯曲扫描探针10还包括标志部140。所述标志部140设置于所述延伸体120或者所述弯钩部130的表面。所述标志部140可以用以在暗场光学显微镜下观察所述弯曲扫描探针10的位置。所述标志部140可以为设置在所述延伸体120或者所述弯钩部130的异形结构，可以为第一凸起141或者波纹等结构。所述标志部140可以为一个，也可以为多个。

在一个实施例中，所述延伸体120或者所述弯钩部130的表面设置有凹槽142。所述凹槽142可以为多个。所述凹槽142可以用以耦合光提高激发效率。

在一个实施例中，所述延伸体120和所述弯钩部130的表面设置有散射层143。所述散射层143可以用以增强表面等离激元共振，进而提高拉曼散射。

在一个实施例中，所述散射层143可以为贵金属材料。所述散射层143可以为金、银。

请参见图9，在一个实施例中，通过所述扫描探针针尖的制备方法制备的所述弯曲扫描探针10，也可以为所述延伸体120与所述弯钩部130形成钝角的形状。

请参见图10，在一个实施例中，扫描探针针尖的制备装置与扫描探针针尖的制备方法可以制得的所述扫描探针100。所述扫描探针100也可以为多台阶扫描探针20。所述多台阶扫描探针20包括第一延伸体210、第二延伸体220和第三延伸体230。所述第一延伸体210、所述第二延伸体220和所述第三延伸体230依次连接。所述第一延伸体210的横截面积、所述第二延伸体220的横截面积和所述第三延伸体230的横截面积依次减小。

在一个实施例中，所述第一延伸体210、所述第二延伸体220和所述第三延伸体230可以为圆柱状。所述第一延伸体210、所述第二延伸体220和所述第三延伸体230的长度可以为10nm～2.5μm。所述第一延伸体210、所述第二延伸体220和所述第三延伸体230可以为钨、银、金、铂。

所述第一延伸体210、所述第二延伸体220和所述第三延伸体230可以为三个纳米光子散射结240。所述纳米光子散射结240可以为纳米光场的会聚中心。

在一个实施例中，所述第一延伸体210、所述第二延伸体220和所述第三延伸体230依次连接，且所述第一延伸体210的横截面积、所述第二延伸体220的横截面积和所述第三延伸体230的横截面积依次减小可以形成跨尺度的增强场，通过结构的几何级联获得纳米级联场增强，从而进一步增强拉曼散射。

在一个实施例中，所述多台阶扫描探针20还包括第一变径结构211和第二变径结构212。所述第一延伸体210和所述第二延伸体220之间通过第一变径结构211过渡连接。所述第二延伸体220和所述第三延伸体230之间通过第二变径结构212过渡连接。所述第一变径结构211和所述第二变径结构212的表面可以为弧面或者平面。所述第一变径结构211的横截面积可以大于所述第二变径结构212的横截面积。

请参见图11-13，在一个实施例中，所述扫描探针20还包括至少一个纳米光子散射结240。所述纳米光子散射结240设置于所述第三延伸体230远离所述第一延伸体210的一端。所述纳米光子散射结240可以为纳米光场的会聚中心。所述纳米光子散射结240可以与所述第三延伸体230一体成型。

在一个实施例中，所述纳米光子散射结240为球体或椭球体。所述纳米光子散射结240还可以为多个串联的球体。因此可以增强所述纳米光子散射结240的纳米光学聚焦效果。

在一个实施例中，所述纳米光子散射结240的截面为三角形。所述三角形的拐角处可以为弧形过渡。所述三角形可以为不规则三角形。

在一个实施例中，所述纳米光子散射结240还可以包括至少一个散射面241。

在一个实施例中，所述散射面241至少设置有一个凸起260。所述凸起260可以为光场的散射中心。纳米点的光场辅助纳米结的光场进一步耦合会聚形成跨尺度级联场增强，进而实现整个针尖的拉曼散射增强。所述凸起260可以将受激发的光场耦合至散射。

在一个实施例中，所述纳米光子散射结240至少设置有一个凹坑280。所述凹坑280可以为纳米点是光场的散射中心。纳米点的光场辅助纳米结的光场进一步耦合会聚形成跨尺度级联场增强，进而实现整个针尖的拉曼散射增强。所述凹坑280可以将受激发的光场耦合至散射。

在一个实施例中，所述多台阶扫描探针20还包括标志部250。所述标志部250设置于所述第一延伸体210或者第二延伸体220或者第三延伸体230的表面。所述标志部250可以用以在暗场光学显微镜下观察所述多台阶扫描探针20的位置。所述标志部250可以为设置在所述第一延伸体210或者第二延伸体220或者第三延伸体230异形结构，可以为沟槽或者波纹等结构。所述标志部250可以为一个，也可以为多个。

在一个实施例中，所述第一延伸体210、所述第二延伸体220和所述第三延伸体230的表面设置散射层270。所述散射层270可以用以增强表面等离激元共振，进而提高拉曼散射。

在一个实施例中，所述散射层270可以为贵金属材料。所述散射层270可以为金、银。

在一个实施例中，所述第一延伸体210、所述第二延伸体220和所述第三延伸体230一体成型，因而可以所述多台阶扫描探针20的提高制造效率。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本申请专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (8)

1.一种微区共焦拉曼光谱探测系统，其特征在于，包括：

激光发射单元（410），用以发射出入射激光；所述激光发射单元（410）包括多个激光器（401）、多个第三扩束准直镜（402）、多个光阑（403）、多个径向偏振光转换器（404）、多个二向色镜（405）和偏振分光镜（406），多个所述激光器（401），用以发射出多束入射激光；多个所述第三扩束准直镜（402），每个所述第三扩束准直镜（402）设置于每个所述激光器（401）发出的入射光路上；多个所述光阑（403），每个所述光阑（403）设置于经所述第三扩束准直镜（402）后的光路上；多个所述径向偏振光转换器（404），每个所述径向偏振光转换器（404）设置于经所述光阑（403）后的光路上；多个所述二向色镜（405），每个所述二向色镜（405）设置于经所述径向偏振光转换器（404）后的光路上，且经过所述多个二向色镜（405），使得多束入射激光重合成一束入射激光；所述偏振分光镜（406），设置于经过所述多个二向色镜（405）重合成一束入射激光的光路上；

第一棱镜（420），设置于所述激光发射单元（410）发射出的入射激光的光路上，用以将入射激光分成两路入射光；

第一分光单元（430），设置于经所述第一棱镜（420）分束后的第一路入射光路上；

光谱激发单元（450），包括样品台与扫描探针（100），所述样品台用以放置样品（501），使得所述第一路入射光路沿光路传输至所述扫描探针（100），并通过所述扫描探针（100）增强拉曼散射至所述样品（501）表面，用以激发出所述样品（501）的散射光；所述扫描探针（100）包括探针主体（110）；延伸体（120），设置于探针主体（110）的一端；弯钩部（130），设置于所述延伸体（120）远离所述探针主体（110）的一端；所述延伸体（120）或者所述弯钩部（130）的表面设置有凹槽（142）；所述凹槽（142）用以耦合光提高激发效率；

第一光谱探测单元（460），设置于经所述第一分光单元（430）分离出的第一路拉曼散射光路上，用以对所述样品（501）进行拉曼光谱探测；

第二分光单元(440)，设置于经所述第一棱镜(420)分束后的第二路入射光路上；

所述样品(501)设置于所述第一路入射光路与所述第二路入射光路之间，使得所述第一路入射光路与所述第二路入射光路均沿光路通过所述扫描探针(100)传输至所述样品(501)表面，用以激发出所述样品(501)的散射光；

第二光谱探测单元(470)，设置于经所述第二分光单元(440)分离出的第二路拉曼散射光路上，用以对所述样品(501)进行拉曼光谱探测；

第二棱镜(480)，所述第二棱镜(480)设置于所述第一分光单元(430)分离出的第一路散射光以及所述第二分光单元(440)分离出的第二路散射光经所述第一棱镜(420)分束后的光路上；

共焦探测单元（490），设置于经所述第二棱镜（480）分束后的一条散射光路上，用以探测所述样品（501）激发出的散射光。

2.如权利要求1所述的微区共焦拉曼光谱探测系统，其特征在于，所述微区共焦拉曼光谱探测系统还包括：

第一聚光镜（910），设置于经所述第二棱镜（480）分束后的另一条散射光路上；

电感探测器（920），设置于经所述第一聚光镜（910）会聚后的散射光路上。

3.如权利要求1所述的微区共焦拉曼光谱探测系统，其特征在于，所述微区共焦拉曼光谱探测系统还包括：

第一反射镜（930），设置于所述激光发射单元（410）与所述第一棱镜（420）之间，用以改变入射激光的光路方向，缩小所述微区共焦拉曼光谱探测系统的整体体积；

第二反射镜（940），设置于所述第一棱镜（420）与所述第二分光单元（440）之间，用以改变所述第二路入射光路的光路方向，缩小所述微区共焦拉曼光谱探测系统的整体体积。

4.如权利要求1所述的微区共焦拉曼光谱探测系统，其特征在于，所述第一分光单元（430）与所述第二分光单元（440）为二向色镜。

5.如权利要求1所述的微区共焦拉曼光谱探测系统，其特征在于，所述光谱激发单元（450）还包括：

第一物镜（502），设置于所述第一分光单元（430）与所述样品（501）之间，用以将光斑紧密聚焦在所述样品（501）表面；

第二物镜（503），设置于所述第二分光单元（440）与所述样品（501）之间，用以将光斑紧密聚焦在所述样品（501）表面。

6.如权利要求1所述的微区共焦拉曼光谱探测系统，其特征在于，所述第一光谱探测单元（460）包括：

第二聚光镜（601），设置于经所述第一分光单元（430）分离出的第一路拉曼散射光路上，且经所述第二聚光镜（601）会聚后的第一路拉曼散射光通过耦合器耦合进入光纤；

第一扩束准直镜（602），设置于经光纤传输的第一路拉曼散射光的光路上；

第三聚光镜（603），设置于经所述第一扩束准直镜（602）后的第一路拉曼散射光的光路上；

第一检测器（604），设置于经所述第三聚光镜（603）会聚后的第一路拉曼散射光的光路上，用以对所述样品（501）进行拉曼光谱探测。

7.如权利要求1所述的微区共焦拉曼光谱探测系统，其特征在于，所述第二光谱探测单元（470）包括：

第四聚光镜（701），设置于经所述第二分光单元（440）分离出的第二路拉曼散射光路上，且经所述第四聚光镜（701）会聚后的第二路拉曼散射光通过耦合器耦合进入光纤；

第二扩束准直镜（702），设置于经光纤传输的第二路拉曼散射光的光路上；

第五聚光镜（703），设置于经所述第二扩束准直镜（702）后的第二路拉曼散射光的光路上；

第二检测器（704），设置于经所述第五聚光镜（703）会聚后的第二路拉曼散射光的光路上，用以对所述样品（501）进行拉曼光谱探测。

8.如权利要求2所述的微区共焦拉曼光谱探测系统，其特征在于，所述共焦探测单元（490）包括：

第三棱镜（901），设置于经所述第二棱镜（480）分束后的一条散射光路上，且与经所述第一聚光镜（910）会聚后的散射光路不同；

两个第六聚光镜（902），每个所述第六聚光镜（902）分别设置于经所述第三棱镜（901）分束的不同散射光路上；

两个针孔光阑（903），每个所述针孔光阑（903）设置于经每个所述第六聚光镜（902）会聚后的散射光路上；

两个光电倍增管（904），每个所述光电倍增管（904）设置于经每个所述针孔光阑（903）后的散射光路上，用以探测所述样品（501）激发出的散射光。

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