CN117571154A - 一种基于拉曼光谱的悬浮微粒测温装置和方法 - Google Patents
一种基于拉曼光谱的悬浮微粒测温装置和方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN117571154A CN117571154A CN202311748512.1A CN202311748512A CN117571154A CN 117571154 A CN117571154 A CN 117571154A CN 202311748512 A CN202311748512 A CN 202311748512A CN 117571154 A CN117571154 A CN 117571154A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- convex lens
- light
- capturing
- micro
- laser
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- 239000002245 particle Substances 0.000 title claims abstract description 31
- 238000001237 Raman spectrum Methods 0.000 title claims abstract description 30
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 15
- 239000002105 nanoparticle Substances 0.000 claims abstract description 62
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 claims abstract description 62
- 238000001069 Raman spectroscopy Methods 0.000 claims abstract description 45
- 238000009529 body temperature measurement Methods 0.000 claims abstract description 16
- 238000001514 detection method Methods 0.000 claims abstract description 11
- 239000000523 sample Substances 0.000 claims description 47
- 230000010287 polarization Effects 0.000 claims description 24
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 claims description 16
- 239000000443 aerosol Substances 0.000 claims description 11
- 238000012937 correction Methods 0.000 claims description 7
- 238000004861 thermometry Methods 0.000 claims description 6
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 claims description 4
- 238000003384 imaging method Methods 0.000 claims description 2
- 239000008188 pellet Substances 0.000 abstract description 9
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 abstract description 5
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 abstract description 2
- 238000012576 optical tweezer Methods 0.000 description 11
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 5
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 4
- 239000000725 suspension Substances 0.000 description 4
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 description 3
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 3
- 238000011160 research Methods 0.000 description 3
- 230000005484 gravity Effects 0.000 description 2
- 238000007792 addition Methods 0.000 description 1
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 1
- 238000013459 approach Methods 0.000 description 1
- 238000000149 argon plasma sintering Methods 0.000 description 1
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 description 1
- 230000009977 dual effect Effects 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 238000001914 filtration Methods 0.000 description 1
- 239000012530 fluid Substances 0.000 description 1
- 230000010354 integration Effects 0.000 description 1
- 238000004093 laser heating Methods 0.000 description 1
- 239000000463 material Substances 0.000 description 1
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 1
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 1
- 239000004005 microsphere Substances 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 230000005610 quantum mechanics Effects 0.000 description 1
- 238000000926 separation method Methods 0.000 description 1
- 238000004088 simulation Methods 0.000 description 1
- 230000003595 spectral effect Effects 0.000 description 1
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 1
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01K—MEASURING TEMPERATURE; MEASURING QUANTITY OF HEAT; THERMALLY-SENSITIVE ELEMENTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- G01K11/00—Measuring temperature based upon physical or chemical changes not covered by groups G01K3/00, G01K5/00, G01K7/00 or G01K9/00
- G01K11/32—Measuring temperature based upon physical or chemical changes not covered by groups G01K3/00, G01K5/00, G01K7/00 or G01K9/00 using changes in transmittance, scattering or luminescence in optical fibres
- G01K11/324—Measuring temperature based upon physical or chemical changes not covered by groups G01K3/00, G01K5/00, G01K7/00 or G01K9/00 using changes in transmittance, scattering or luminescence in optical fibres using Raman scattering
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01K—MEASURING TEMPERATURE; MEASURING QUANTITY OF HEAT; THERMALLY-SENSITIVE ELEMENTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- G01K13/00—Thermometers specially adapted for specific purposes
- G01K13/02—Thermometers specially adapted for specific purposes for measuring temperature of moving fluids or granular materials capable of flow
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Investigating, Analyzing Materials By Fluorescence Or Luminescence (AREA)
Abstract
本发明公开了一种基于拉曼光谱的悬浮微粒测温装置和方法。捕获光束入射到样品腔内后形成对微纳粒子的捕获光阱；微纳粒子被激光照射后产生的背向拉曼散射光又被第二凸透镜收集，经过分束棱镜后，再通过第一反射镜、二向色镜、第二反射镜后，进入空间滤波器，再经过第五凸透镜聚焦后进入拉曼光谱仪；探测光平行入射到微纳粒子上，再经过第二凸透镜、分束棱镜、第一反射镜、二向色镜、第六凸透镜后由CCD观测装置进行成像，用于观测捕获粒子。本发明利用拉曼光谱的温度敏感特性，实现了光阱系统中的微纳粒子温度测量，降低了光阱系统中小球受热逃逸的可能性，有利于进一步提高光阱系统的可控性。
Description
技术领域
本发明涉及一种悬浮微粒测温装置，尤其是涉及了一种基于拉曼光谱的悬浮微粒测温装置和方法。
背景技术
1970年，科学家Arthur Ashkin首次发表文章，描述了对微米大小粒子的光学散射和梯度力的检测，同时还利用光对微粒产生的力的作用，将粒子加速并困在稳定的光学势阱中。之后，1986年，Ashkin及其合作者报道了对光镊的首次观察：一束能够在三维空间中保持微观粒子稳定的紧密聚焦的光束。正因如此，Ashkin被称为“光镊之父”，并获得了2018年的诺贝尔物理学奖。光镊具有非接触、无损伤、高精度的特点，可以产生小至数皮牛的力，并实现对微米乃至纳米尺度的物体实施捕获与操纵，目前已逐渐成为操控介观物体的重要工具，这一技术所提供的精确控制使得在以前无法达到的尺度上对物理现象进行实验观察成为可能，其中包括测量流体的非高斯性质、研究随机热力学与介观尺度下的量子力学等。
2018年，Thai M.Hoang等人发表了“微分涨落定理和任意初始状态的广义Jarzynski等式的实验检验”一文，深入研究了热力学第二定律。一直以来，人们对热力学第二定律的掌握都比较局限，Jarzynski恒等式拓展了它的含义，是热力学第二定律更为本源的体现，更为根本的则是其微观可逆性。而光镊系统，就是验证这些公式的一个理想的物理模型。通过对小球施加力的作用并做功，再探测其瞬时速度与瞬时位置，就可以计算出相关结果。这其中，温度正是一个重要的因素，该文中未考虑激光的热效应，采用室温来替代小球的温度。而如果采取了降温或升温措施，就需要比较精确地测量小球的温度。J.Millen等人曾给出过激光加热下微球表面温度的仿真结果以及推算公式，但并没有实验上的测量方案。因此，一种非接触的温度测量方法是很有必要的，而拉曼测温法就是一个很好的途径。
拉曼散射，也被叫做拉曼效应，是由印度物理学家钱德拉塞卡拉·拉曼于1928年发现，它是一种光子的非弹性散射现象，具体表现为光在被散射后，频率会发生变化，而拉曼也因在光散射方面开创性的工作获得了1930年诺贝尔物理学奖。研究拉曼散射光谱的学科即拉曼光谱学，有着非常广泛的应用。由于不同物质的化学键以及对称分子都有其特殊振动的光谱信息，拉曼光谱可以用于物质鉴定和化学键的分析。同时，拉曼光谱反映的是声子的信息，因而也可以反映出物质状态的信息，如相变、受力应变等。
除了上述内容之外，拉曼光谱还有一个重要的应用，就是进行温度的测量。拉曼散射信号分为频率较低的斯托克斯信号和频率较高的反斯托克斯信号，产生这两种散射信号的分子布居数满足玻尔兹曼分布，而玻尔兹曼分布与温度相关，因此可以通过测量两种信号强度的比值来测量样品温度。二者的比值满足：其中IS和IAS分别代表斯托克斯信号与反斯托克斯信号的强度，νl为入射激光频率，vp为对应拉曼位移的声子频率，γ为修正因子，T为温度，h、k则分别为普朗克常数和玻尔兹曼常数。
因此，测得拉曼光谱后，就可以根据上述公式，从中分析出样品的温度。通过这种方式，可以对光镊系统中的悬浮微纳粒子进行非接触式地测温，便于进行热力学的相关研究。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明的目的是提出一种基于拉曼光谱的悬浮微粒测温装置和方法，能够实现对光阱系统中的微纳粒子进行非接触式测温，提升了光阱系统的可控性，具有实际应用价值。
为了实现以上目的，本发明所采用的的具体技术方案如下：
一、一种基于拉曼光谱的悬浮微粒测温装置
装置包括线偏振光生成系统、空间滤波器、分束棱镜、第二凸透镜、微纳粒子、样品腔、第二激光器、第一反射镜、第一二向色镜、第二反射镜、第五凸透镜、拉曼光谱仪、第六凸透镜和CCD观测装置；
样品腔内设置有第二凸透镜和微纳粒子，线偏振光生成系统中出射的捕获光束在样品腔内形成捕获光阱，微纳粒子被捕获光阱捕获；微纳粒子被捕获光束照射后产生的背向拉曼散射光又被第二凸透镜收集，再经分束棱镜的透射后入射至第一反射镜，接着依次经第一反射镜的反射、第一二向色镜的反射和第二反射镜的反射后入射至空间滤波器，最后经第五凸透镜的透射后被拉曼光谱仪采集；
第二激光器中出射的探测光入射到微纳粒子上后产生散射光，该散射光沿光轴依次经第二凸透镜的透射、分束棱镜的透射、第一反射镜的反射、第一二向色镜的透射和第六凸透镜的透射后在CCD观测装置中成像。
所述线偏振光生成系统中出射的捕获光束频率与第二激光器中出射的探测光频率不同。
当所述捕获光阱为单光束光阱时，所述线偏振光生成系统包括第一激光器、半波片、偏振分光镜和扩束系统；第一激光器中出射的激光依次经半波片的透射和偏振分光镜的透射后入射至扩束系统中，扩束系统中出射的激光记为捕获光束，捕获光束经分束棱镜的反射后入射至样品腔内并且经第二凸透镜后形成捕获光阱。
当所述捕获光阱为双光束光阱时，样品腔内设置有聚焦物镜，第二凸透镜和聚焦物镜沿光轴设置，微纳粒子设置在第二凸透镜和聚焦物镜之间，所述线偏振光生成系统包括第一激光器、半波片、偏振分光镜、扩束系统、反射镜、第二二向色镜和聚焦物镜；第一激光器中出射的激光经半波片的透射后入射至偏振分光镜，偏振分光镜的反射光经反射镜的反射和第二二向色镜的反射后入射至样品腔内并且经聚焦物镜的透射后形成第一捕获光束，偏振分光镜的透射光入射至扩束系统中，扩束系统中出射的激光经分束棱镜的反射后入射至样品腔内并且经第二凸透镜的透射后形成第二捕获光束，由第一捕获光束和第二捕获光束形成捕获光阱。
所述扩束系统包括凹透镜和第一凸透镜，经偏振分光镜透射的激光沿光轴依次经凹透镜和第一凸透镜后入射至分束棱镜。
所述空间滤波器包括第三凸透镜、孔径光阑和第四凸透镜；孔径光阑位于第三凸透镜和第四凸透镜的焦点，经第二反射镜的反射的激光沿光轴依次经第三凸透镜、孔径光阑和第四凸透镜后再入射至第五凸透镜。
所述第二反射镜和空间滤波器之间沿光轴还设置有偏振片，所述空间滤波器与第五凸透镜之间沿光轴还设置有陷波滤波片。
所述样品腔内壁上镀有氧化膜。
所述样品腔的侧壁中还开设有光学窗口，光学窗口中设置有增透膜。
二、一种基于拉曼光谱的悬浮微粒测温方法
方法采用所述的一种基于拉曼光谱的悬浮微粒测温装置，方法包括以下步骤：
1)开启线偏振光生成系统，捕获光束在样品腔内形成光阱捕获区域；
2)启动起支装置，释放微纳粒子并使其落入到捕获光阱中，并且微纳粒子被稳定捕获；
3)开启第二激光器，使探测光平行入射到被捕获的微纳粒子上，通过第二凸透镜与第六凸透镜后在CCD观测装置中成像；
4)调节空间滤波器以及第一反射镜、第一二向色镜、第二反射镜之间的位置，使得光路中的杂散光被过滤；
5)测量当前室温下拉曼光谱仪的光谱信号，利用拉曼测温公式标定修正因子γ；
6)改变样品仓内的温度，采集对应的拉曼光谱，基于修正因子γ计算获得微纳粒子在加热后的温度。
本发明中，装置通过第一激光器输出捕获激光光束，通过偏振调制、扩束系统与凸透镜后得到单光束光阱；微纳粒子的起支装置位于样品腔内，用于提供被捕获的微纳粒子；拉曼散射光通过聚焦捕获光束的凸透镜被收集，再经过分束棱镜、反射镜、空间调制器与凸透镜聚焦后进入拉曼光谱仪，用于对拉曼散射信号的采集与分析；第二激光器输出的频率略高于第一激光器的探测光束平行入射到捕获粒子上；粒子的散射光由凸透镜收集经过二向色镜后，通过另一凸透镜进入CCD观测装置成像，用于观测被捕获粒子的状态。
与现有技术相比，本发明的有益效果至少包括：
1、本发明首次提出了一种基于拉曼光谱的悬浮微粒测温装置，采用拉曼光谱测温作为光镊系统中的被捕获微粒的温度传感手段，具有非接触、易集成的特点，可以实现对光悬浮微纳粒子的温度检测，拓宽了光镊传感的方向，有利于进一步提升光镊系统中被捕获粒子的稳定性；
2、本发明采用拉曼测温法作为光镊系统中微纳粒子温度的测量方法，与其他方案相比(如通过位移功率谱演算、通过物理建模推算等方案)，具有直接测量绝对温度的性质，因此具有高灵敏度、高准确度的特点，有利于对光镊系统中悬浮微粒热力学性质的研究。
因此本发明具有实际应用价值，能够实现对光悬浮微纳粒子的温度检测，提高了光镊系统中被捕获粒子的稳定性，有利于对光悬浮微粒热力学性质的相关研究。
附图说明
图1是包含单光束光阱的装置光路示意图。
图2是包含双光束光阱的装置光路示意图。
图中：第一激光器1、半波片2、偏振分光镜3、凹透镜4、第一凸透镜5、分束棱镜6、第二凸透镜7、微纳粒子8、样品腔9、第二激光器10、第一反射镜11、第一二向色镜12、第二反射镜13、第五凸透镜17、拉曼光谱仪18、第六凸透镜19、CCD观测装置20、反射镜21、第二二向色镜22、聚焦物镜23、偏振片24、陷波滤波片25。
具体实施方式
以下实施例将结合附图对本发明作进一步的说明。
实施例一
如图1所示，装置包括线偏振光生成系统、空间滤波器、分束棱镜6、第二凸透镜7、微纳粒子8、样品腔9、第二激光器10、第一反射镜11、第一二向色镜12、第二反射镜13、第五凸透镜17、拉曼光谱仪18、第六凸透镜19和CCD观测装置20；
样品腔9内设置有第二凸透镜7和微纳粒子8，线偏振光生成系统中出射的捕获光束在样品腔9内形成捕获光阱，微纳粒子8的重力与聚焦光束的散射力和梯度力平衡，实现了微纳粒子8的三维捕获，微纳粒子8被捕获光阱捕获；微纳粒子8被捕获光束照射后产生的背向拉曼散射光又被第二凸透镜7收集，再经分束棱镜6的透射后入射至第一反射镜11，接着依次经第一反射镜11的反射、第一二向色镜12的反射和第二反射镜13的反射后入射至空间滤波器，最后经第五凸透镜17的透射后被拉曼光谱仪18采集，即拉曼信号光聚焦到拉曼光谱仪18的光阑上，完成信号光的采集；
第二激光器10中出射的探测光入射到微纳粒子8上后产生散射光，该散射光沿光轴依次经第二凸透镜7的透射、分束棱镜6的透射、第一反射镜11的反射、第一二向色镜12的透射和第六凸透镜19的透射后在CCD观测装置20中成像，用于观测捕获粒子。其中分束棱镜6实现了入射的捕获激光和出射的拉曼散射光这两束异向光空间上的分离，简化了收集光路的结构。
线偏振光生成系统中出射的捕获光束频率与第二激光器10中出射的探测光频率不同，线偏振光生成系统中出射的捕获光束可以被CCD观测装置20观测到，便于辅助调整收集光路以及微纳粒子8的捕获位置，使微纳粒子8处于第二凸透镜7的焦平面附近，微纳粒子8的拉曼散射光被光束收集装置收集。
当捕获光阱为单光束光阱时，线偏振光生成系统包括第一激光器1、半波片2、偏振分光镜3和扩束系统；第一激光器1中出射的激光依次经半波片2的透射和偏振分光镜3的透射后入射至扩束系统中，扩束系统中出射的激光记为捕获光束，捕获光束经分束棱镜6的反射后入射至样品腔9内并且经第二凸透镜7后形成捕获光阱。其中，半波片2、偏振分光镜3用于调整输出光的功率与偏振方向。扩束系统用于产生扩束的平行激光光束。
扩束系统包括凹透镜4和第一凸透镜5，经偏振分光镜3透射的激光沿光轴依次经凹透镜4和第一凸透镜5后入射至分束棱镜6。
空间滤波器包括第三凸透镜14、孔径光阑15和第四凸透镜16；第三凸透镜14和第四凸透镜16的焦距相同。孔径光阑15位于第三凸透镜14和第四凸透镜16的焦点，经第二反射镜13的反射的激光沿光轴依次经第三凸透镜14、孔径光阑15和第四凸透镜16后再入射至第五凸透镜17，其中孔径光阑15的作用是过滤掉光路中的杂散光。
第二凸透镜7采用高数值孔径的显微物镜，既有聚焦高斯光束形成光阱捕获区域的作用，又有收集微纳粒子8拉曼散射光的作用。
样品腔9为密闭状态，用于提供没有空气对流的稳定环境，为常压环境。样品腔9内壁上镀有氧化膜，以减少金属腔壁带来的杂散光。
微纳粒子8形状包括球状、椭球状、棒状和哑铃状。微纳粒子8的空间三维度上尺寸介于数纳米至数百微米之间。
由分束棱镜6、第一反射镜11、第一二向色镜12、第二反射镜13、第三凸透镜14、孔径光阑15、第四凸透镜16、第五凸透镜17和拉曼光谱仪18组成收集光路，可以耦合到其他特殊光束的光阱系统中，不影响光阱系统本身的稳定性和光束性质。
基于拉曼光谱的悬浮微粒测温方法包括以下步骤：
1)开启线偏振光生成系统，捕获光束在样品腔内形成光阱捕获区域；
2)在捕获透镜7的焦点附近安装粒子起支装置，用于提供装载粒子；启动起支装置，释放一个微纳粒子8并使其落入到竖直光束形成的捕获光阱中，并且微纳粒子8在聚焦光束的梯度力和散射力的共同作用下被稳定捕获；
3)开启第二激光器10，使探测光平行入射到被捕获的微纳粒子8上，通过第二凸透镜7与第六凸透镜19后在CCD观测装置20中成像，从而观测到被捕获粒子的状态。一般情况下，微纳粒子处于视野中央；
4)调节空间滤波器以及第一反射镜11、第一二向色镜12、第二反射镜13之间的位置，使得光路中除信号光外的杂散光尽可能被过滤；具体是调整第一反射镜11、第一二向色镜12、第二反射镜13的相对位置使拉曼散射光变为水平光，调整孔径光阑15的位置使其位于第三凸透镜14和第四凸透镜16的焦点处，过滤掉光束中的杂散光，其中通常取第三凸透镜14和第四凸透镜16的焦距为数十厘米至数米。
5)测量当前室温下拉曼光谱仪的光谱信号，利用拉曼测温公式标定修正因子γ；
6)用电阻丝加热改变样品仓内的温度，采集对应的拉曼光谱，基于修正因子γ计算获得微纳粒子8在加热后的温度。
实施例二
结构与实施例一相同，所不同的是样品腔采用真空系统，样品腔9的侧壁中开设有用于CO2激光等加热热源透过的光学窗口，光学窗口中设置有相应波长的增透膜，CO2激光等加热热源对小球进行直接加热。在真空中，没有空气对流带来的热交换，无法通过对腔内空气加热而对小球加热，因此需要入射与捕获光波长不同的远红外光(通常波长为10.6um)用于真空中对小球进行直接加热。该方案可以实时采集拉曼光谱信号得到光悬浮微纳粒子的热力学温度，并通过热源加热对小球温度进行实时控制，进而研究真空中光悬浮微粒的热力学性质。
实施例三
如图2所示，装置包括线偏振光生成系统、空间滤波器、分束棱镜6、第二凸透镜7、微纳粒子8、样品腔9、第二激光器10、第一反射镜11、第一二向色镜12、第二反射镜13、第五凸透镜17、拉曼光谱仪18、第六凸透镜19和CCD观测装置20；
样品腔9内设置有第二凸透镜7和微纳粒子8，线偏振光生成系统中出射的捕获光束在样品腔9内形成捕获光阱，微纳粒子8的重力与聚焦光束的散射力和梯度力平衡，实现了微纳粒子8的三维捕获，微纳粒子8被捕获光阱捕获；微纳粒子8被捕获光束照射后产生的背向拉曼散射光又被第二凸透镜7收集，再经分束棱镜6的透射后入射至第一反射镜11，接着依次经第一反射镜11的反射、第一二向色镜12的反射和第二反射镜13的反射后入射至空间滤波器，最后经第五凸透镜17的透射后被拉曼光谱仪18采集，即拉曼信号光聚焦到拉曼光谱仪18的光阑上，完成信号光的采集；
第二激光器10中出射的探测光入射到微纳粒子8上后产生散射光，该散射光沿光轴依次经第二凸透镜7的透射、分束棱镜6的透射、第一反射镜11的反射、第一二向色镜12的透射和第六凸透镜19的透射后在CCD观测装置20中成像。
当捕获光阱为双光束光阱时，样品腔9内设置有聚焦物镜23，第二凸透镜7和聚焦物镜23沿光轴设置，微纳粒子8设置在第二凸透镜7和聚焦物镜23之间，线偏振光生成系统包括第一激光器1、半波片2、偏振分光镜3、扩束系统、反射镜21、第二二向色镜22和聚焦物镜23；第一激光器1中出射的激光经半波片2的透射后入射至偏振分光镜3，偏振分光镜3的反射光经反射镜21的反射和第二二向色镜22的反射后入射至样品腔9内并且经聚焦物镜23的透射后形成第一捕获光束，偏振分光镜3的透射光入射至扩束系统中，扩束系统中出射的激光经分束棱镜6的反射后入射至样品腔9内并且经第二凸透镜7的透射后形成第二捕获光束，由第一捕获光束和第二捕获光束形成捕获光阱。第二激光器10中出射的探测光经第二二向色镜22的透射后入射至样品腔9内并经聚焦物镜23的透射。
扩束系统包括凹透镜4和第一凸透镜5，经偏振分光镜3透射的激光沿光轴依次经凹透镜4和第一凸透镜5后入射至分光镜6。
空间滤波器包括第三凸透镜14、孔径光阑15和第四凸透镜16；孔径光阑15位于第三凸透镜14和第四凸透镜16的焦点，经第二反射镜13的反射的激光沿光轴依次经第三凸透镜14、孔径光阑15和第四凸透镜16后再入射至第五凸透镜17。
第二反射镜13和空间滤波器之间沿光轴还设置有偏振片24，空间滤波器与第五凸透镜17之间沿光轴还设置有陷波滤波片25。由于双光阱光束会使信号光中混入功率较高的对射光束，需要在收集光路中加入偏振片24和陷波滤波片25，以提高信噪比。
此外，需要说明的是，本说明书中所描述的具体实施例，所取名称可以不同，本说明书中所描述的以上内容仅仅是对本发明结构所做的举例说明。凡依据本发明构思的构造、特征及原理所做的等效变化或者简单变化，均包括于本发明的保护范围内。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实例做各种各样的修改或补充或采用类似的方法，只要不偏离本发明的结构或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种基于拉曼光谱的悬浮微粒测温装置，其特征在于，包括线偏振光生成系统、空间滤波器、分束棱镜(6)、第二凸透镜(7)、微纳粒子(8)、样品腔(9)、第二激光器(10)、第一反射镜(11)、第一二向色镜(12)、第二反射镜(13)、第五凸透镜(17)、拉曼光谱仪(18)、第六凸透镜(19)和CCD观测装置(20)；
样品腔(9)内设置有第二凸透镜(7)和微纳粒子(8)，线偏振光生成系统中出射的捕获光束在样品腔(9)内形成捕获光阱，微纳粒子(8)被捕获光阱捕获；微纳粒子(8)被捕获光束照射后产生的背向拉曼散射光又被第二凸透镜(7)收集，再经分束棱镜(6)的透射后入射至第一反射镜(11)，接着依次经第一反射镜(11)的反射、第一二向色镜(12)的反射和第二反射镜(13)的反射后入射至空间滤波器，最后经第五凸透镜(17)的透射后被拉曼光谱仪(18)采集；
第二激光器(10)中出射的探测光入射到微纳粒子(8)上后产生散射光，该散射光沿光轴依次经第二凸透镜(7)的透射、分束棱镜(6)的透射、第一反射镜(11)的反射、第一二向色镜(12)的透射和第六凸透镜(19)的透射后在CCD观测装置(20)中成像。
2.根据权利要求1所述的一种基于拉曼光谱的悬浮微粒测温装置，其特征在于，所述线偏振光生成系统中出射的捕获光束频率与第二激光器(10)中出射的探测光频率不同。
3.根据权利要求1所述的一种基于拉曼光谱的悬浮微粒测温装置，其特征在于，当所述捕获光阱为单光束光阱时，所述线偏振光生成系统包括第一激光器(1)、半波片(2)、偏振分光镜(3)和扩束系统；第一激光器(1)中出射的激光依次经半波片(2)的透射和偏振分光镜(3)的透射后入射至扩束系统中，扩束系统中出射的激光记为捕获光束，捕获光束经分束棱镜(6)的反射后入射至样品腔(9)内并且经第二凸透镜(7)后形成捕获光阱。
4.根据权利要求1所述的一种基于拉曼光谱的悬浮微粒测温装置，其特征在于，当所述捕获光阱为双光束光阱时，样品腔(9)内设置有聚焦物镜(23)，第二凸透镜(7)和聚焦物镜(23)沿光轴设置，微纳粒子(8)设置在第二凸透镜(7)和聚焦物镜(23)之间，所述线偏振光生成系统包括第一激光器(1)、半波片(2)、偏振分光镜(3)、扩束系统、反射镜(21)、第二二向色镜(22)和聚焦物镜(23)；第一激光器(1)中出射的激光经半波片(2)的透射后入射至偏振分光镜(3)，偏振分光镜(3)的反射光经反射镜(21)的反射和第二二向色镜(22)的反射后入射至样品腔(9)内并且经聚焦物镜(23)的透射后形成第一捕获光束，偏振分光镜(3)的透射光入射至扩束系统中，扩束系统中出射的激光经分束棱镜(6)的反射后入射至样品腔(9)内并且经第二凸透镜(7)的透射后形成第二捕获光束，由第一捕获光束和第二捕获光束形成捕获光阱。
5.根据权利要求3或4所述的一种基于拉曼光谱的悬浮微粒测温装置，其特征在于，所述扩束系统包括凹透镜(4)和第一凸透镜(5)，经偏振分光镜(3)透射的激光沿光轴依次经凹透镜(4)和第一凸透镜(5)后入射至分束棱镜(6)。
6.根据权利要求1所述的一种基于拉曼光谱的悬浮微粒测温装置，其特征在于，所述空间滤波器包括第三凸透镜(14)、孔径光阑(15)和第四凸透镜(16)；孔径光阑(15)位于第三凸透镜(14)和第四凸透镜(16)的焦点，经第二反射镜(13)的反射的激光沿光轴依次经第三凸透镜(14)、孔径光阑(15)和第四凸透镜(16)后再入射至第五凸透镜(17)。
7.根据权利要求4所述的一种基于拉曼光谱的悬浮微粒测温装置，其特征在于，所述第二反射镜(13)和空间滤波器之间沿光轴还设置有偏振片(24)，所述空间滤波器与第五凸透镜(17)之间沿光轴还设置有陷波滤波片(25)。
8.根据权利要求1所述的一种基于拉曼光谱的悬浮微粒测温装置，其特征在于，所述样品腔(9)内壁上镀有氧化膜。
9.根据权利要求1所述的一种基于拉曼光谱的悬浮微粒测温装置，其特征在于，所述样品腔(9)的侧壁中还开设有光学窗口，光学窗口中设置有增透膜。
10.一种基于拉曼光谱的悬浮微粒测温方法，其特征在于，方法采用权利要求1-4任一所述的一种基于拉曼光谱的悬浮微粒测温装置，方法包括以下步骤：
1)开启线偏振光生成系统，捕获光束在样品腔内形成光阱捕获区域；
2)启动起支装置，释放微纳粒子(8)并使其落入到捕获光阱中，并且微纳粒子(8)被稳定捕获；
3)开启第二激光器(10)，使探测光平行入射到被捕获的微纳粒子(8)上，通过第二凸透镜(7)与第六凸透镜(19)后在CCD观测装置(20)中成像；
4)调节空间滤波器以及第一反射镜(11)、第一二向色镜(12)、第二反射镜(13)之间的位置，使得光路中的杂散光被过滤；
5)测量当前室温下拉曼光谱仪的光谱信号，利用拉曼测温公式标定修正因子γ；
6)改变样品仓内的温度，采集对应的拉曼光谱，基于修正因子γ计算获得微纳粒子(8)在加热后的温度。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202311748512.1A CN117571154A (zh) | 2023-12-19 | 2023-12-19 | 一种基于拉曼光谱的悬浮微粒测温装置和方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202311748512.1A CN117571154A (zh) | 2023-12-19 | 2023-12-19 | 一种基于拉曼光谱的悬浮微粒测温装置和方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN117571154A true CN117571154A (zh) | 2024-02-20 |
Family
ID=89894007
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202311748512.1A Pending CN117571154A (zh) | 2023-12-19 | 2023-12-19 | 一种基于拉曼光谱的悬浮微粒测温装置和方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN117571154A (zh) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN118464872A (zh) * | 2024-07-15 | 2024-08-09 | 北京理工大学 | 一种基于电悬浮和光悬浮联用的气溶胶分析系统和方法 |
| CN118483159A (zh) * | 2024-07-15 | 2024-08-13 | 北京理工大学 | 一种基于光镊拉曼技术检测气溶胶的系统 |
-
2023
- 2023-12-19 CN CN202311748512.1A patent/CN117571154A/zh active Pending
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN118464872A (zh) * | 2024-07-15 | 2024-08-09 | 北京理工大学 | 一种基于电悬浮和光悬浮联用的气溶胶分析系统和方法 |
| CN118483159A (zh) * | 2024-07-15 | 2024-08-13 | 北京理工大学 | 一种基于光镊拉曼技术检测气溶胶的系统 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN117571154A (zh) | 一种基于拉曼光谱的悬浮微粒测温装置和方法 | |
| CN103439254B (zh) | 一种分光瞳激光共焦拉曼光谱测试方法与装置 | |
| Michelsen et al. | Laser-induced incandescence: Particulate diagnostics for combustion, atmospheric, and industrial applications | |
| CN109211847B (zh) | 一种采用分析装置进行单个悬浮颗粒化学成分分析的方法 | |
| JP2004510972A (ja) | 差動開口数方法およびデバイス | |
| US11867620B2 (en) | Ultrafast chemical imaging by widefield photothermal sensing of infrared absorption | |
| WO2015032278A1 (zh) | 一种分光瞳激光差动共焦拉曼光谱测试方法及装置 | |
| CN103940799B (zh) | 激光双轴共焦布里渊-拉曼光谱测量方法与装置 | |
| CN108562547B (zh) | 激光晶体热应力双折射系数测量装置及其方法 | |
| WO2018086574A1 (zh) | 水含量分布检测装置及其应用 | |
| CN111398100A (zh) | 一种利用光阱测量微粒光吸收特性的方法及装置 | |
| CN110823388A (zh) | 一种超快激光光子时间拉伸下的薄膜热响应单脉冲探测方法 | |
| CN109444191A (zh) | 一种脉冲激光加热的高压样品测试方法 | |
| US11709352B2 (en) | Dark-field mid-infrared photothermal microscopy | |
| CN109254072A (zh) | 一种激光差动共焦Raman-LIBS-质谱联用显微成像方法与装置 | |
| Huang et al. | Confocal controlled LIBS microscopy with high spatial resolution and stability | |
| CN115980470B (zh) | 一种基于真空光镊的纳米微粒净电量快速标定方法 | |
| Hester et al. | Tunable optical tweezers for wavelength-dependent measurements | |
| CN109211874A (zh) | 后置分光瞳激光共焦拉曼光谱测试方法及装置 | |
| JP2021531469A (ja) | 材料特性評価のための光学技術 | |
| Xie et al. | A Simple and accurate method for Brillouin spectroscopy based on virtual imaging phased array spectrometer and charge-coupled device cameras | |
| Bao et al. | Development of a fluorescence correlation spectroscopy instrument and its application in sizing quantum dot nanoparticles | |
| Edward Hillberry | Experimental Set-Up | |
| Loktionov et al. | Experimental diagnostic module for ultrafast combined interferometry of the processes of interaction of ultrashort laser pulses with condensed media in vacuum | |
| Montagner | Optical readout system for bi-material terahertz sensors |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination |