CN207300872U - 基于倒置显微镜的高时空分辨瞬态吸收光谱仪成像系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种瞬态吸收光谱仪成像系统，属于光学检测技术领域，具体涉及一种基于倒置显微镜的高时空分辨瞬态吸收光谱仪成像系统。包括：分束镜，位于飞秒激光器输出光路上，用于将飞秒激光器的光束分光后送至探测光路和泵浦光路；双色滤镜，用于将所述探测光路和泵浦光路汇聚成为共轴线束；倒置显微镜，位于载物台下方，用于将接收到的所述共轴线束汇聚于样品上；CCD探头，用于从汇聚于样品上的共轴线束中接收探测光。因此，本实用新型具有如下优点：1.具有高空间分辨能力(500nm波长激光最小分辨率达到260nm)；2.通过显微镜平台扫描实现二维瞬态吸收成像。

Description

基于倒置显微镜的高时空分辨瞬态吸收光谱仪成像系统

技术领域

本实用新型涉及一种瞬态吸收光谱仪成像系统，属于光学检测技术领域，具体涉及一种基于倒置显微镜的高时空分辨瞬态吸收光谱仪成像系统。

背景技术

倒置显微镜又称反式显微镜。倒置显微镜组成和普通正置显微镜在光学成像原理上类似，均是通过物镜放大成像。不同在于结构设计上，前者物镜在载物台及样本之下，后者物镜在载物台之上。

瞬态吸收是超快光谱学中研究激光与物质作用最重要的表征手段。瞬态吸收表征了探测光的吸收变化(ΔA吸收变化或者ΔT/T归一化透过变化) 随泵浦光激发后的时间延迟的函数。其基本装置原理如图1所示，其满足如下关系：

T代表探测光光透过样品的透过率(transmission),DT代表探测光透过率变化(Differential Transmission),T_{泵浦激发前}代表泵浦光到达样品前，样品透过率。同理，T_{泵浦激发后}代表泵浦光到达样品前，样品透过率。

时间分辨率指时间分辨光谱学中，时序上区分光化学过程的最小响应时间。对于瞬态吸收而言，时间分辨率一般在短脉冲激光光源脉宽的1.0～ 1.7倍。

空间分辨率指能够区分空间上样品形貌的最小响应距离，经验值复合 Abbe衍射极限定律。空间分辨能力是能够实现成像的重要基础。

光谱成像技术指选择特定光学参数为探测参数(Z轴)，扫描样品表面以表征分析样品特性的技术。目前常用的显微成像技术包括：荧光，拉曼散射，二次倍频成像等等。

2014年，潘安练等人发表了专利“一种空间分离的泵浦-探测瞬态吸收光谱仪及实现方法”，专利号：CN201410079805.X。该专利公开了瞬态吸收光谱仪通过物镜聚焦产生空间分离，通过空间分离的瞬态光谱来表征样品的方法。虽然该方法在传统泵浦探测手段基础上做出了重要改进，使泵浦探测具备一定的空间分辨能力，但是由于该专利依然采用正置的显微镜系统，预留光路和探测端的限制导致空间分辨率较低，无法实现瞬态吸收显微成像。

截至目前，瞬态光学表征成像手段主要集中在荧光和拉曼成像，这两种成像方式存在明显的局限性。对于荧光成像，可见光谱范围内存在荧光的物质相当有限，多数材料都需要额外添加荧光制剂才能成像，但是荧光染料本身会对材料体系或者生物组织造成未知影响。对于拉曼光谱成像，受制于目前拉曼光谱波数分辨率和拉曼振动本身苛刻的模型和条件，拉曼光谱成像仅仅使用在少数层状纳米材料中。相对于这两者，所有的物质都天然存在吸收光谱，瞬态吸收技术不需要在体系中添加其他制剂，实现条件也没有拉曼光谱苛刻。

传统的瞬态吸收，泵浦光和探测光采取非共轴光路(如图1所示)，并且采用普通透镜聚焦光束，因此只能用于表征宏观尺寸的样品(～2–3mm)，对于目前广泛研究的微纳结构(500nm～5um)，传统瞬态吸收不具备空间分辨的能力。

为了解决这一问题，需要引入显微系统并且改良泵浦探测光路，来实现微区探测的泵浦探测。

实用新型内容

本实用新型主要是解决现有技术所存在的上述的技术问题，提供了一种基于倒置显微镜的高时空分辨瞬态吸收光谱仪成像系统。该系统将倒置显微镜在集成到改良的微区瞬态吸收光路设计中，可以提供良好的拓展平台，提高瞬态吸收信号噪声比，同时系统配合高移动精度的压电二维平台和电荷耦合元件CCD,瞬态吸收将能够实现微区成像，空间分辨率达300nm 以下。

本实用新型的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：

一种基于倒置显微镜的高时空分辨瞬态吸收光谱仪成像系统，包括：

分束镜，位于飞秒激光器输出光路上，用于将飞秒激光器的光束分光后送至探测光路和泵浦光路；

双色滤镜，用于将所述探测光路和泵浦光路汇聚成为共轴线束；

倒置显微镜，位于载物台下方，用于将接收到的所述共轴线束汇聚于样品上；

CCD探头，用于从汇聚于样品上的共轴线束中接收探测光。

优选的，上述的一种基于倒置显微镜的高时空分辨瞬态吸收光谱仪成像系统，所述探测光路上沿光路前进方向依次设置参量放大器以及延迟平台；所述延迟平台内设置多个反射镜；所述探测光路的光经双色滤镜后方入射并透过。

优选的，上述的一种基于倒置显微镜的高时空分辨瞬态吸收光谱仪成像系统，所述泵浦光路上设置有参量放大器，并且所述泵浦光路的光经双色滤镜反射后与泵浦光路的光汇聚。

优选的，上述的一种基于倒置显微镜的高时空分辨瞬态吸收光谱仪成像系统，所述共轴线束与倒置显微镜之间设置有振镜。

优选的，上述的一种基于倒置显微镜的高时空分辨瞬态吸收光谱仪成像系统，所述载物台为压电平台。

优选的，上述的一种基于倒置显微镜的高时空分辨瞬态吸收光谱仪成像系统，所述飞秒激光器包括振荡级和放大级。

综上所述，本实用新型具有如下优点：

1.通过引入倒置显微镜，倒置显微镜设计的物镜在样品架之下并且合并了照明和物镜光路，比普通显微镜大大拓展了系统可以集成空间，在装置设计上可以安装性能更高的探测系统，或者集成电学或者磁学的拓展组件。

2.倒置显微镜系统使用反射式物镜，反射式物镜不存在透射式物镜无法避免的色差问题，对于需要使用至少两束激光(探测光和泵浦光，两者通常波长不同)瞬态吸收具有重要意义，可以极大地提高信号噪声比和所得信号的可信度。

3.本系统具有高空间分辨率，配合压电扫描平台可以实现二维瞬态吸收成像。

附图说明

图1是瞬态吸收本原理示意图。

图2是高分辨瞬态吸收装置设计示意图。

图3是对于氧化石墨烯薄膜的瞬态吸收扫描表征。

具体实施方式

下面通过实施例，并结合附图，对本实用新型的技术方案作进一步具体的说明。

实施例：

如图1所示的一种基于倒置显微镜的高时空分辨瞬态吸收光谱仪成像系统，包括：

分束镜，位于飞秒激光器输出光路上，用于将飞秒激光器的光束分光后送至探测光路和泵浦光路；

双色滤镜，用于将探测光路和泵浦光路汇聚成为共轴线束；

倒置显微镜，位于载物台下方，用于将接收到的共轴线束汇聚于样品上；

CCD探头，用于从汇聚于样品上的共轴线束中接收探测光。

其中，探测光路上沿光路前进方向依次设置参量放大器以及延迟平台；延迟平台内设置多个反射镜；探测光路的光经双色滤镜后方入射并透过。

其中，泵浦光路上设置有参量放大器，并且泵浦光路的光经双色滤镜反射后与泵浦光路的光汇聚。共轴线束与倒置显微镜之间设置有振镜。

本实施例中，载物台为压电平台，可以感测样品。

采用上述结构后，飞秒激光器作为光源产生短脉冲激光，通过分束镜将光束分为两束，一束作为探测光路，一束作为泵浦光路。两束光分别通过参量放大器，调谐选择波长。探测光通过时间延迟平台，实现探测脉冲和泵浦脉冲的时间延迟变化。泵浦探测两束激光通过双色滤镜汇聚为共轴线束，然后通过倒置显微镜物镜，汇聚在置于压电平台上的样品上。

探测光通过样品后进入CCD探头之中，通过实现压电平台的扫描，实现瞬态吸收的成像。

本实施例装置使用飞秒激光器作为短脉冲激光光源。目前的短脉冲激光器根据产生脉冲宽度的不同，分为纳秒激光器(10^-9s)，皮秒激光器(10^-12s) 和飞秒激光器(10^-15s)，瞬态吸收成像主要研究的分子光化学过程一般在亚皮秒及飞秒量级，因此光源选择目前脉冲产生宽度最短的飞秒激光器。飞秒激光具有以下几个特点：1)是飞秒激光持续的时间及其短，只有几个飞秒，它比利用电子学方法所获得的最短脉冲还要短几千倍，是人类目前在实验条件下所能获得的最短脉冲；2)是飞秒激光具有非常高的瞬时功率，可以达到百万亿瓦，远远高于其他类型短脉冲激光器；3)是飞秒激光能聚焦到比头发的直径还要小的空间区域内，使其具有特别优秀的聚焦空间分辨能力。飞秒激光器的组成包含振荡级(种子源)，再生放大器(放大腔)，展宽压缩器和脉冲选择器几个部分组成。振荡级产生单脉冲能量较低，但是重复频率高的脉冲串(～100fs,～76MHz)。该组脉冲串作为整个激光器使用的基础和触发单元，通过脉冲选择器选择一部分脉冲进入展宽组件。目前固体飞秒激光器中采用啁啾压缩的方法提高单脉冲能量，该方法需要脉冲串首先展宽时间上的脉宽，然后再进入再生放大器晶体进行能量提升，因此通过展宽组件后脉冲串脉宽可以达到1～2ns量级。通过展宽组件后，脉冲串进入再生放大器泵浦放大，使得单脉冲能量能够提升到数个mJ。通过放大器的脉冲最后进入压缩器将脉宽重新压缩回飞秒量级，最后得到同时具备单脉冲能量高和重复频率合适的脉冲串。

飞秒激光因为使用的晶体和锁模技术不同，导致激光输出的基础波长也各不相同。对于钛宝石激光器(Ti:Sapphire)通常输出的波长固定在800 nm,对于镱基固体激光器(Yb:KGW)输出波长则在1030nm附近。

对于分光镜，瞬态吸收至少需要有泵浦和探测两束短脉冲光才能够实现，因此从同一飞秒激光器产生的激光需要分成两束。在装置中，经验选用9:1泵浦探测能量比的分光镜，使得分光后的泵浦光和探测光的比例要达到9:1到10:1。该分光镜的主要目的在于使泵浦光远远强于探测光强，在激发样品时，探测光对样品的激发可以忽略，仅仅考虑泵浦光对样品的激发。

对于参量放大器，飞秒激光其产生的激光都有其固定的的波长，但是当我们处理瞬态吸收时，针对样品的特征吸收峰和瞬态吸收光谱。光学参量放大器(opticalparametric amplification)是指由多波混频产生的非线性光学效应。光学参量放大与振荡均是二阶非线性光学混频过程。三波混频的光学参量放大与振荡研究得最多，并且已经广泛使用的技术。三波混频的原理非常明晰，当一束圆频率为ωp高功率激光(输入光)入射非线性晶体，能在两个较低频率(ωs和ωi，而ωs+ωi＝ωp)上具有增益，可放大相应频率的光束。相位匹配条件(见光学倍频)得到满足时增益最大。如果入射非线性晶体一束频率为ωs的光束(信号光或者输出光)，其光强将被放大，同时在没有光束入射的频率ωi产生相干光(空闲光)，这就是光学参量放大过程。从光子学的角度看，这是一个泵浦光光子湮没，产生两个低频光子(分别对应信号光和空闲光)的过程，由于动量和能量守恒关系，输出的信号光和输入光的波长存在对应关系，因而实现实验中出现输入和输出光波长的连续可调。本中在泵浦探测光路同时使用光参量放大器，可以实现两束光路波长的连续可调节，适应不同的实验研究和成像要求。

对于延迟平台：瞬态吸收测量的是探测光吸收在泵浦光到达前后时序上的连续变化，能够不断改变探测光到达样品的时间需要使用到延迟平台。通过增加探测光经过的光路来推迟脉冲到达样品的时间，计算经过平台的时间，我们可以得到时间延迟DT。延迟品台的能够提供的最小位移步数直接影响了瞬态吸收的时间分辨能力。

对于双色滤镜，本实施例改进了传统瞬态吸收中非共线的设计，在泵浦与探测两束光路末端实现了激光的重合共线。选择特殊的滤镜(具体需要参考使用的泵浦和探测光波长)，使滤镜能够高效率反射泵浦光同时通过探测光，最后通过调节使得泵浦光和探测光能够实现共线经过倒置显微镜。

对于振镜和压电扫描平台：该部分作为本实施例瞬态吸收成像部分的空间扫描部分，两者的原理在于调整共线的泵浦探测光在样品上的相对位置，使其能够在样品上移动，实现扫描。在具体光路实施中，振镜和压电平台的功能略有不同，振镜直接改变了激光的走向和位置，而不改变样品位置；压电平台仅仅改变样品位置却不改变激光走向。在具体的应用过程中，可以同时使用两者以求更高的空间分辨率和扫描能力，亦或者只使用两者中的一个。

对于CCD探头以及锁相放大器：该部分是最后的信号采集部分。CCD探头是目前广泛使用的一种光采集工具，可以直接把光转换为电信号记录在相关仪器之中。锁相放大器是一种对交变信号进行相敏检波的放大器。它利用和被测信号有相同频率和相位关系的参考信号作为比较基准，只对被测信号本身和那些与参考信号同频(或者倍频)、同相的噪声分量有响应。因此，能大幅度抑制无用噪声，改善检测信噪比。此外，锁相放大器有很高的检测灵敏度，信号处理比较简单，是弱光信号检测的一种有效方法。当探测信号较为微弱的时候，需要采用锁相放大器和CCD探头联用的设计，对于一般的探测光型号，可以直接使用CCD。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本实用新型精神作举例说明。本实用新型所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本实用新型的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (6)

1.一种基于倒置显微镜的高时空分辨瞬态吸收光谱仪成像系统，其特征在于，包括：

分束镜，位于飞秒激光器输出光路上，用于将飞秒激光器的光束分光后送至探测光路和泵浦光路；

双色滤镜，用于将所述探测光路和泵浦光路汇聚成为共轴线束；

倒置显微镜，位于载物台下方，用于将接收到的所述共轴线束汇聚于样品上；

CCD探头，用于从汇聚于样品上的共轴线束中接收探测光。

2.根据权利要求1所述的一种基于倒置显微镜的高时空分辨瞬态吸收光谱仪成像系统，其特征在于，所述探测光路上沿光路前进方向依次设置参量放大器以及延迟平台；所述延迟平台内设置多个反射镜；所述探测光路的光经双色滤镜后方入射并透过。

3.根据权利要求1所述的一种基于倒置显微镜的高时空分辨瞬态吸收光谱仪成像系统，其特征在于，所述泵浦光路上设置有参量放大器，并且所述泵浦光路的光经双色滤镜反射后与泵浦光路的光汇聚。

4.根据权利要求1所述的一种基于倒置显微镜的高时空分辨瞬态吸收光谱仪成像系统，其特征在于，所述共轴线束与倒置显微镜之间设置有振镜。

5.根据权利要求1所述的一种基于倒置显微镜的高时空分辨瞬态吸收光谱仪成像系统，其特征在于，所述载物台为压电平台。

6.根据权利要求1所述的一种基于倒置显微镜的高时空分辨瞬态吸收光谱仪成像系统，其特征在于，所述飞秒激光器包含振荡级和放大级。