CN116165103A - 一种测量细颗粒物固有振动谱的微腔振动谱仪系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及细颗粒传感技术，具体涉及一种测量细颗粒物固有振动谱的微腔振动谱仪系统及方法。微腔振动谱仪系统包括固有振动激发光路单元和微腔探测光路单元；固有振动激发光路单元依次设有脉冲光源、振镜、物镜及待测颗粒物，微腔探测光路单元依次设有可调谐激光光源、可调衰减器、偏振控制器、耦合光波导、光学微腔、光电探测器和示波器。本发明能够实现固有振动频率在亚兆赫兹‑千兆赫兹频率范围内介观尺度颗粒物及生物颗粒的颗粒物振动引起的声波精密测量。
Description
技术领域
本发明涉及细颗粒传感技术，具体涉及一种测量细颗粒物固有振动谱的微腔振动谱仪系统及方法。
背景技术
任何尺度的物体均存在固有振动，例如化学键、分子、量子点到宏观岩石与桥梁。这些物体具有一系列的自然共振频率，这些特征频率由物体的尺寸、结构和机械性能决定。测量物体的固有振动谱不仅能够获得物体的结构和机械性能等内禀属性(具体包括几何形状、尺寸、质量和杨氏模量等参数)，并且有望能够进一步推断物体种类。目前，物质的振动谱测量主要基于超声共振谱仪以及光学振动谱仪，这些技术已经成为物质表征与识别最基本的手段。例如，拉曼和红外光谱仪通过探测分子振动从而特异性识别分子内部特有的化学键以及分子结构；超声共振谱仪通过测量单个晶体颗粒的振动谱，从而获得物质的弹性张量。然而，光学振动谱仪受限于弹性散射背景，所能分辨的振动频率范围通常处于千兆赫以上的高频区域；超声共振谱仪主要依赖于电学的超声换能器，由于压电效应固有的带宽和灵敏度限制，通常用来探测振动频率在兆赫兹以下低频区域的颗粒物。因此，这个领域一直缺乏能够覆盖自然频率在兆赫兹-千兆赫兹范围内的微观及介观尺度颗粒物的振动谱仪技术。
许多微纳尺度介质颗粒(例如磁、金、聚合物等功能性颗粒物)以及生物细胞(动植物细胞以及真菌、细菌以及病毒微生物)的自然频率通常位于几十千赫兹千兆赫兹范围内。这个频谱范围内的颗粒物振动谱探测对于识别他们的精细结构具有至关重要，也为颗粒物的几何、结构以及功能的调控提供指纹识别表征方法，对微纳领域的制造、应用与发展具有重要意义。此外，生物颗粒物的振动指纹探测不仅对于依赖细胞生物机械性能分析的细胞力学、药学等基础研究具有重要意义，其振动指纹识别有望为细胞的种类以及存活状态快速非标记识别与检测提供方法。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供一种测量细颗粒物固有振动谱的微腔振动谱仪系统及方法。本发明能够实现固有振动频率在亚兆赫兹-千兆赫兹频率范围内介观尺度颗粒物及生物颗粒的颗粒物振动引起的声波精密测量。
第一方面，本发明提供的测量细颗粒物固有振动谱的微腔振动谱仪系统，包括固有振动激发光路单元和微腔探测光路单元；所述固有振动激发光路单元依次设有脉冲光源、振镜、物镜及待测颗粒物，所述微腔探测光路单元依次设有可调谐激光光源、可调衰减器、偏振控制器、耦合光波导、所述光学微腔、光电探测器和示波器。
本发明中，待测颗粒物可以为任意形状的物体，包括但不限于无机和有机物颗粒以及细胞和微生物等生物颗粒等；光学微腔可以为任意种类、材料和形状的光学微腔，优选包括回音壁微腔、光子晶体微腔、法布里泊罗腔等，以及任何工艺制备而成的光学微腔，优选包括片上集成的微盘腔、微环腔、微泡腔、微球等。本发明中，所述待测颗粒物放置于所述光学微腔的表面或与所述光学微腔接触的固体基底上。本发明中，耦合光波导还可以为微纳光纤、集成片上波导以及棱镜等倏势场耦合器件。
作为优选，所述示波器包括高频示波器和低速的示波器，所述低速的示波器用来监测微腔光学模式的传输谱，所述高频示波器用于分析颗粒的高频振动信号，所述高频示波器与所述光电探测器还设有高频放大器。
进一步优选，所述固有振动激发光路单元还包括可调谐衰减器、反射镜、聚焦透镜、平移台；用于调节脉冲光强度及空间位置，将脉冲光照射到微腔表面细颗粒物传感区域。
进一步优选，所述微腔探测光路单元还包括掺铒光纤放大器和高速采集卡；所述掺铒光纤放大器用于实现光信号的放大，所述高速采集卡用于光信号的连续采集。
进一步优选，所述微腔振动谱仪系统还包括颗粒物稀释雾化和微流传送单元，所述颗粒物稀释雾化和微流传送单元用于对所述待测颗粒物的溶液进行稀释雾化处理并通过气体微流通道转移到所述光学微腔的表面。
进一步优选，所述微腔振动谱仪系统还包括激光稳频锁模系统，所述激光稳频锁模系统用于将调谐单频激光光源激光频率锁定在光学模式内部，以实现长时稳定的振动探测。
进一步优选，所述微腔振动谱仪系统还包括信号处理单元，所述信号处理单元用于对声波调制信号进行检测，输出时域以及频域检测结果。
进一步优选，所述微腔振动谱仪系统还包括信号放大及噪声处理单元；通过平衡探测器、高通滤波器及射频放大器，依次对声波调制信号进行放大，所述平衡探测器还用于抑制共模噪声，在所述射频放大器前后设置所述高通滤波器滤除低频噪声。
进一步优选，所述微腔振动谱仪系统还包括脉冲激光空间位置扫描系统；所述脉冲激光空间位置扫描系统用于与振镜、电控三维平移台共同实现对三维样品任意位置的待测颗粒物进行激发，实现成像功能。
第二方面，本发明提供的细颗粒物固有振动谱的测量方法，包括以下步骤：
1)将待测颗粒物放置在光学微腔表面或与光学微腔接触的固体基底上；
2)脉冲光源的激光照射在所述待测颗粒物上，所述待测颗粒物颗粒振动产生的声波传播到所述光学微腔的光学模式所在区域，使光学模式的共振频率发生移动；
3)单频光通过微纳光波导-光学微腔耦合激发光学模式，当单频光的频率略微失谐于光学模式共振频率，声波调制导致的模式共振频率的变化转换为透射光光强的变化。
本发明解决了技术瓶颈，利用电磁脉冲吸收，高效地激发了颗粒物的固有振动模式，频率范围可以从亚兆赫兹覆盖到10GHz以上，还通过高灵敏的光学微腔超声传感器实现了颗粒物振动引起的声波精密测量。
本发明提供的测量细颗粒物固有振动谱的微腔振动谱仪系统及方法的有益效果包括以下：1)电磁窄脉冲能实现不同尺度颗粒物以及混合颗粒物固有振动模式的共同激发，频率激发范围取决于电磁脉冲的宽度。例如，利用脉冲宽度为100皮秒(或200ps等其他的脉冲宽度)的脉冲激光，可以激发从低频到10GHz带宽范围内的本征振动模式。2)利用光学微腔超声传感器可以同时探测不同尺度颗粒物以及混合颗粒物所有振动模式产生的声波信号，探测带宽覆盖从低频到1GHz以上。3)基于所述微腔振动谱仪，本发明可以通过颗粒物固有振动谱能够获得物体几何形状、尺寸、质量和杨氏模量等信息，并且能进一步通过物质的振动指纹推断物体以及生物颗粒的组成成分以及种类。4)基于所述微腔振动谱仪，本发明可以进行颗粒物的快速统计分析，可以用于颗粒物的筛选分析等。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例以及现有技术中的技术方案，下面将对实施例或者现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的微腔振动谱仪原理示意图。
图2为本发明实施例提供的微腔振动谱仪的光路结构示意图。
图3为本发明实施例提供的微腔振动谱仪测量细颗粒物固有振动的时域以及频谱信号结果图。
图4为本发明实施例提供的微腔振动谱仪测量混合的微生物颗粒及有机颗粒物固有振动的频谱信号结果图。
具体实施方式
为了使发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
下面结合图1-图4描述本发明的一种测量细颗粒物固有振动谱的微腔振动谱仪系统及方法。本发明克服了技术瓶颈，利用电磁脉冲吸收，高效地激发了颗粒物的高频固有振动，频率范围可以从低频覆盖到10GHz以上，还通过高灵敏的光学微腔超声传感器实现了颗粒物振动引起的声波精密测量。
本发明实施例提供的测量细颗粒物固有振动谱的微腔振动谱仪系统，包括固有振动激发光路单元和微腔探测光路单元；所述固有振动激发光路单元依次设有脉冲光源、振镜、物镜及待测颗粒物，所述微腔探测光路单元依次设有可调谐激光光源、可调衰减器、偏振控制器、耦合光波导、所述光学微腔、光电探测器和示波器。根据本发明测量细颗粒物固有振动谱的微腔振动谱仪系统，利用激光短脉冲激发颗粒物的固有振动，利用光学微腔超声传感器检测细颗粒物的振动谱，基于光学微腔超声传感器和细颗粒物固有振动激发，能够测量固有振动频率在亚兆赫兹-千兆赫兹频率范围内介观尺度颗粒物以及生物颗粒的振动谱测量。
其中，待测颗粒物可以为任意形状的物体，包括但不限于无机和有机物颗粒以及细胞和微生物等生物颗粒等；光学微腔可以为任意种类、材料和形状的光学微腔，包括回音壁微腔、光子晶体微腔、法布里泊罗腔等，以及任何工艺制备而成的光学微腔，包括片上集成的微盘腔、微环腔、微泡腔、微球等。待测颗粒物放置于光学微腔的表面或与光学微腔接触的固体基底上。耦合光波导还可以为微纳光纤、集成片上波导以及棱镜等倏势场耦合器件。
进一步地，本发明实施例提供的测量细颗粒物固有振动谱的微腔振动谱仪系统，所述示波器包括高频示波器和低速的示波器，所述低速的示波器用来监测微腔光学模式的传输谱，所述高频示波器用于分析颗粒的高频振动信号，所述高频示波器与所述光电探测器还设有高频放大器。
进一步地，本发明实施例提供的测量细颗粒物固有振动谱的微腔振动谱仪系统，所述固有振动激发光路单元还包括可调谐衰减器、反射镜、聚焦透镜、平移台；用于调节脉冲光强度及空间位置，将脉冲光照射到微腔表面细颗粒物传感区域。
进一步地，本发明实施例提供的测量细颗粒物固有振动谱的微腔振动谱仪系统，所述微腔探测光路单元还包括掺铒光纤放大器和高速采集卡；所述掺铒光纤放大器用于实现光信号的放大，所述高速采集卡用于光信号的连续采集。
进一步地，本发明实施例提供的所述微腔振动谱仪系统还包括颗粒物稀释雾化和微流传送单元，所述颗粒物稀释雾化和微流传送单元用于对所述待测颗粒物的溶液进行稀释雾化处理并通过气体微流通道转移到所述光学微腔的表面。
进一步地，本发明实施例提供的所述微腔振动谱仪系统还包括激光稳频锁模系统，所述激光稳频锁模系统用于将调谐单频激光光源激光频率锁定在光学模式内部，以实现长时稳定的振动探测。
进一步地，本发明实施例提供的所述微腔振动谱仪系统还包括信号处理单元，所述信号处理单元用于对声波调制信号进行检测，输出时域以及频域检测结果。
进一步地，本发明实施例提供的所述微腔振动谱仪系统还包括信号放大及噪声处理单元；通过平衡探测器、高通滤波器及射频放大器，依次对声波调制信号进行放大，所述平衡探测器还用于抑制共模噪声，在所述射频放大器前后设置所述高通滤波器滤除低频噪声。
进一步地，本发明实施例提供的所述微腔振动谱仪系统还包括脉冲激光空间位置扫描系统；所述脉冲激光空间位置扫描系统用于与振镜、电控三维平移台共同实现对三维样品任意位置的待测颗粒物进行激发，实现成像功能。
本发明实施例提供的细颗粒物固有振动谱的测量方法，包括以下步骤：
1)将待测颗粒物放置在光学微腔表面或与光学微腔接触的固体基底上；
2)脉冲光源的激光照射在所述待测颗粒物上，所述待测颗粒物颗粒振动产生的声波传播到所述光学微腔的光学模式所在区域，使光学模式的共振频率发生移动；
3)单频光通过微纳光波导-光学微腔耦合激发光学模式，当单频光的频率略微失谐于光学模式共振频率，声波调制导致的模式共振频率的变化转换为透射光光强的变化。
本发明实施例提供的实施方案的微腔振动谱仪系统原理示意图如图1所示，微腔振动谱仪(系统)主要由二氧化硅微纳光纤(直径约为1微米)和二氧化硅微球腔(直径约为60微米)耦合系统组成，待测细颗粒物放置于微腔表面任意位置。为了激发细颗粒物的固有振动，利用一束自由空间的短脉冲光(波长532纳米，脉冲宽度200皮秒)照射待测物颗粒。颗粒振动在微腔表面产生的声波传输到回音壁微腔光学模式所在区域，调制微腔的共振频率。为了探测振动产生的声波调制，可调谐激光光源出射一束单频连续光(波长1550纳米)通过微纳光纤耦合进入光学微腔模式，将此连续光的频率调节至光学模式洛伦兹线型斜率最大值附近，声波导致的共振频率的变化能够转化为光纤的透射功率的改变，因此能够通过一个高频探测器直接读取出颗粒的时域信号和对应的功率谱信号。
本发明实施例提供的实施方案的微腔振动谱仪光路如图2所示，主要包括自由空间激发光路和微腔探测光路。自由空间激发光路主要包括脉冲光源、振镜以及物镜等，可选的可以加入可调谐衰减器、反射镜、聚焦透镜、平移台等调节脉冲光强度以及空间位置，将脉冲光照射到微腔表面细颗粒物传感区域。微腔探测光路主要包括可调谐激光光源、可调衰减器、偏振控制器、耦合微纳光纤、二氧化硅微球腔、光电探测器以及电学高频放大器和示波器，可选的可以加入掺铒光纤放大器和高速采集卡分别实现光信号的放大和信号的连续采集。低速的示波器用来监测微腔光学模式的传输谱，高频示波器用于分析颗粒的高频振动信号。
本发明实施例提供的实施方案的微腔振动谱仪测量标准聚苯乙烯微球颗粒的振动谱结果如图3所示。在实施案例中，将半径为2.8微米的黑色聚苯乙烯小球放置于二氧化硅微球腔表面，利用能量密度为2皮焦每平方微米的脉冲光照射聚苯乙烯颗粒，颗粒物时域振动可以通过光电探测器测量所述光纤-微腔耦合系统的透射功率变化得到(颗粒物时域振动信号如图2-左所示)。然后，通过直接对时域信号取傅里叶变换得到颗粒的振动功率谱信号(颗粒物固有振动谱如图2-右所示)。通过对照理论或者仿真所得到的颗粒振动谱特征，可以推测实验数据所对应的每个本征振动模式的模式数。
本发明实施例提供的实施方案的微腔振动谱仪测量混合微生物以及有机物颗粒的振动谱结果如图4所示，图4分别显示了黑曲霉孢子(图4-上)、黑曲霉孢子和曲霉菌(图4-中)、黑曲霉孢子和曲霉菌以及聚苯乙烯小球(图4-下)同时激发测量所得到的振动谱图。在实施案例中，将不同种类的生物颗粒放置于微腔表面，将能量密度小于5皮焦每平方微米的宽场脉冲光照射颗粒物，所有被脉冲光激发的颗粒物时域振动均可以通过一个光电探测器测量所述光纤-微腔耦合系统的透射功率变化得到。然后，通过直接对时域信号取傅里叶变换得到颗粒的振动功率谱信号。通过调制脉冲光的光斑大小和位置，可以实现颗粒物的选择性激发。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示或具体实施例的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，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发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个、三个等，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“耦合”、“联接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (10)
1.一种测量细颗粒物固有振动谱的微腔振动谱仪系统，其特征在于，包括固有振动激发光路单元和微腔探测光路单元；所述固有振动激发光路单元依次设有脉冲光源、振镜、物镜及待测颗粒物，所述微腔探测光路单元依次设有可调谐激光光源、可调衰减器、偏振控制器、耦合光波导、所述光学微腔、光电探测器和示波器。
2.根据权利要求1所述的微腔振动谱仪系统，其特征在于，所述示波器包括高频示波器和低速的示波器，所述低速的示波器用来监测微腔光学模式的传输谱，所述高频示波器用于分析颗粒的高频振动信号，所述高频示波器与所述光电探测器还设有高频放大器。
3.根据权利要求2所述的微腔振动谱仪系统，其特征在于，所述固有振动激发光路单元还包括可调谐衰减器、反射镜、聚焦透镜、平移台；用于调节脉冲光强度及空间位置，将脉冲光照射到微腔表面细颗粒物传感区域。
4.根据权利要求3所述的微腔振动谱仪系统，其特征在于，所述微腔探测光路单元还包括掺铒光纤放大器和高速采集卡；所述掺铒光纤放大器用于实现光信号的放大，所述高速采集卡用于光信号的连续采集。
5.根据权利要求1-4任一项所述的微腔振动谱仪系统，其特征在于，所述微腔振动谱仪系统还包括颗粒物稀释雾化和微流传送单元，所述颗粒物稀释雾化和微流传送单元用于对所述待测颗粒物的溶液进行稀释雾化处理并通过气体微流通道转移到所述光学微腔的表面。
6.根据权利要求5所述的微腔振动谱仪系统，其特征在于，所述微腔振动谱仪系统还包括激光稳频锁模系统，所述激光稳频锁模系统用于将调谐单频激光光源激光频率锁定在光学模式内部，以实现长时稳定的振动探测。
7.根据权利要求6所述的微腔振动谱仪系统，其特征在于，所述微腔振动谱仪系统还包括信号处理单元，所述信号处理单元用于对声波调制信号进行检测，输出时域以及频域检测结果。
8.根据权利要求7所述的微腔振动谱仪系统，其特征在于，所述微腔振动谱仪系统还包括信号放大及噪声处理单元；通过平衡探测器、高通滤波器及射频放大器，依次对声波调制信号进行放大，所述平衡探测器还用于抑制共模噪声，在所述射频放大器前后设置所述高通滤波器滤除低频噪声。
9.根据权利要求8所述的微腔振动谱仪系统，其特征在于，所述微腔振动谱仪系统还包括脉冲激光空间位置扫描系统；所述脉冲激光空间位置扫描系统用于与振镜、电控三维平移台共同实现对三维样品任意位置的待测颗粒物进行激发，实现成像功能。
10.一种细颗粒物固有振动谱的测量方法，其特征在于，包括：
1)将待测颗粒物放置在光学微腔表面或与光学微腔接触的固体基底上；
2)脉冲光源的激光照射在所述待测颗粒物上，所述待测颗粒物颗粒振动产生的声波传播到所述光学微腔的光学模式所在区域，使光学模式的共振频率发生移动；
3)单频光通过微纳光波导-光学微腔耦合激发光学模式，当单频光的频率略微失谐于光学模式共振频率，声波调制导致的模式共振频率的变化转换为透射光光强的变化。
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| CN117338254B (zh) * | 2023-12-06 | 2024-04-16 | 中山大学附属第一医院 | 一种基于气管导管光声成像的肺泡水氧含量监测系统 |
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