D形分光瞳共焦布里淵光譜探測系統(tǒng)

吳寒旭，寧 瑩，邱麗榮，王 允，趙維謙

北京理工大學(xué)光電學(xué)院精密光電測試儀器及技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081

引 言

共焦布里淵光譜探測系統(tǒng)通過測量樣品微區(qū)聲學(xué)聲子的屬性，對被測材料的機(jī)械性能進(jìn)行表征[1-4]。由于其具有非接觸、高空間分辨等優(yōu)點(diǎn)，在生物醫(yī)學(xué)檢測[5-6]、材料科學(xué)[7]、物理化學(xué)等領(lǐng)域中被廣泛應(yīng)用[8-9]。由于彈性散射光比布里淵散射光強(qiáng)幾個(gè)數(shù)量級，在沒有充分抑制彈性散射光的情況下，其殘余分量會與布里淵光譜發(fā)生重疊，難以實(shí)現(xiàn)布里淵光譜的精確測量[10-13]。此外，傳統(tǒng)的共焦布里淵光譜探測系統(tǒng)進(jìn)行高空間分辨層析探測是通過高數(shù)值孔徑物鏡實(shí)現(xiàn)[14]，導(dǎo)致共焦布里淵光譜探測系統(tǒng)的工作距離及層析深度被嚴(yán)重限制，這就意味著共焦布里淵光譜探測系統(tǒng)只能對薄樣品才能進(jìn)行高空間分辨光譜探測。因此，上述問題限制了共焦布里淵光譜探測系統(tǒng)在高散射樣品以及長工作距離成像領(lǐng)域中的應(yīng)用，同時(shí)也對傳統(tǒng)的共焦布里淵光譜探測系統(tǒng)提出了更高的要求。

為降低彈性散射光對布里淵散射光的干擾，實(shí)現(xiàn)布里淵光譜高精度測量，眾多學(xué)者開展了具有重要價(jià)值的研究工作。Giuliano Scarcelli等通過將級聯(lián)虛擬成像相位陣列與空間掩膜板相結(jié)合，大幅降低了彈性散射與布里淵散射之間的串?dāng)_，提高了系統(tǒng)的消光比，但該方法也在很大程度上降低了布里淵光譜信號強(qiáng)度[10]；Meng等通過在收集光路中加入分子吸收室，利用分子吸收技術(shù)有效地濾除了彈性散射光，但該方法僅對特定波長的激發(fā)光有效，而且對光源的穩(wěn)定性要求極高[11]；Shao等開發(fā)了一種基于自由空間FP標(biāo)準(zhǔn)具的窄帶光譜陷波濾波器，有效地抑制了彈性散射光，但該儀器的消光比較低且調(diào)節(jié)困難[13]。因此，如何降低彈性散射光對布里淵散射光的干擾仍然是目前研究的熱點(diǎn)問題。

在提高共焦布里淵光譜探測系統(tǒng)軸向分辨力以及層析能力方面，Giuliano Scarcelli等通過增加物鏡的數(shù)值孔徑，提高了共焦布里淵光譜探測系統(tǒng)的層析探測能力，但物鏡的工作距離也限制了其層析深度[14]。Sheldon等通過選擇性雙光子聚合技術(shù)，利用膠原纖維在飛秒激光作用下發(fā)生交聯(lián)的現(xiàn)象，提高了共焦布里淵光譜探測系統(tǒng)的空間分辨力，但該方法過于依賴材料的性質(zhì)，難以應(yīng)用于其他領(lǐng)域中[6]。Meng等采用表面增強(qiáng)布里淵光譜大幅提高了共焦布里淵光譜探測系統(tǒng)的空間分辨力，使布里淵光譜成像的空間分辨力達(dá)到了亞微米級別，但該方法只能應(yīng)用于表面光譜測量，無法實(shí)現(xiàn)層析探測[15]。因此，如何在傳統(tǒng)的共焦布里淵光譜探測系統(tǒng)光路的基礎(chǔ)上提高共焦布里淵光譜探測系統(tǒng)的軸向分辨力以及層析能力仍有待進(jìn)一步研究。

針對改善共焦布里淵光譜探測系統(tǒng)的抗彈性散射能力、軸向分辨力以及層析能力等問題，構(gòu)建一種D形分光瞳共焦布里淵光譜探測系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過側(cè)向照明與側(cè)向收集的方式消除背向散射，有效減少彈性散射對布里淵散射的干擾，提高共焦布里淵光譜探測系統(tǒng)的抗彈性散射能力，并通過D形光瞳對照明點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)與收集點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)進(jìn)行調(diào)制，在軸向上實(shí)現(xiàn)三維點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)的壓縮，進(jìn)而達(dá)到提高共焦布里淵光譜探測系統(tǒng)軸向分辨力以及層析能力的效果。

1 原理與仿真

D形分光瞳共焦布里淵光譜探測系統(tǒng)的測量原理如圖1所示，激光器出射的激光經(jīng)過擴(kuò)束器、波片及起偏器后，被具有D形光瞳的物鏡會聚在樣品處，激發(fā)出的布里淵散射光通過具有D形光瞳的物鏡收集，經(jīng)過反射鏡反射后，通過檢偏器、透鏡與針孔會聚進(jìn)入布里淵光譜探測系統(tǒng)中。由于照明光路與收集光路之間不存在重疊，消除了背向散射，有效減少了彈性散射對布里淵散射的干擾。其中，光瞳參數(shù)d定義為D形光瞳直邊與物鏡中心之間的歸一化距離。

圖1 D形分光瞳共焦布里淵光譜探測系統(tǒng)原理圖Fig.1 Schematic of the D-shaped divided aperture confocal Brillouin microscopy (DDACBM)

根據(jù)布里淵散射光的相干性，D形分光瞳共焦布里淵光譜探測系統(tǒng)的點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)可以由式(1)計(jì)算得到

hc(vx,vy,u,r,φ)|2drdφ

(1)

vyρsinθ)]ρdρdθ

(2)

rcosφ)+ρsinθ(vy+rsinφ)]}ρdρdθ

(3)

(4)

其中，IB(vx,vy,u,vp)為系統(tǒng)所探測的布里淵光譜強(qiáng)度響應(yīng)，hi(vx,vy,u)與hc(vx,vy,u,r,φ)分別為照明光路的振幅點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)與收集光路的振幅點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)，Pi(ρ,θ,u)為照明光路離焦光瞳函數(shù)，Pc(ρ,θ,u)為收集光路離焦光瞳函數(shù)，(vx,vy,u)分別為物方(x,y,z)方向的歸一化坐標(biāo)，其大小為(vx,vy)=2π(x,y)sinαo/λ,u=8πzsin2(αo/2)/λ,vp為探測區(qū)域歸一化半徑，其大小vp=2πRsinαc/λ；R為探測區(qū)域的物理半徑；sinαo為物鏡的有效數(shù)值孔徑，sinαc為透鏡1的有效數(shù)值孔徑；λ為激光波長；r和φ為極坐標(biāo)下探測區(qū)域的歸一化坐標(biāo)，ρ和θ為極坐標(biāo)系下歸一化的光瞳坐標(biāo)；D1為照明光瞳區(qū)域，D2為收集光瞳區(qū)域，d為光瞳參數(shù)。

為保證共焦布里淵光譜探測系統(tǒng)的探測靈敏度，現(xiàn)有的共焦布里淵光譜探測系統(tǒng)的針孔歸一化半徑通常選擇為百微米量級左右，因而嚴(yán)重降低了系統(tǒng)的軸向分辨力與層析能力，D形分光瞳共焦布里淵光譜探測系統(tǒng)可以對此進(jìn)行有效改善。圖2給出在針孔半徑尺寸為100 μm，532 nm激發(fā)波長下，物鏡數(shù)值孔徑NA=0.8的情況下，不同光瞳參數(shù)對應(yīng)的D形分光瞳共焦布里淵光譜探測系統(tǒng)以及共焦布里淵光譜探測系統(tǒng)所對應(yīng)的布里淵光譜軸向強(qiáng)度響應(yīng)曲線。相比于共焦布里淵光譜探測系統(tǒng)，D形分光瞳共焦布里淵光譜探測系統(tǒng)的軸向強(qiáng)度響應(yīng)曲線的半高寬均有不同程度的減小，因而光譜軸向分辨力得到改善，而且D形分光瞳共焦布里淵光譜探測系統(tǒng)的離焦信號強(qiáng)度下降得更快，離焦面光譜信息對焦平面光譜信息的干擾減少，層析能力得以改善。

圖2 共焦布里淵光譜探測系統(tǒng)與D形分光瞳共焦布里淵光譜探測系統(tǒng)光譜軸向強(qiáng)度響應(yīng)曲線對比Fig.2 Comparison of spectral axial intensity response curves between confocal Brillouin microscopy (CBM) and DDACBM

圖3給出了532 nm激發(fā)波長下，物鏡數(shù)值孔徑NA=0.8的情況下，D形分光瞳共焦布里淵光譜探測系統(tǒng)軸向曲線半高寬與光瞳參數(shù)d之間的關(guān)系，當(dāng)光瞳參數(shù)d=0.27時(shí)，其軸向半高寬達(dá)到最小值1.137 μm，相比于共焦布里淵光譜探測系統(tǒng)的軸向半高寬1.679 μm，D形分光瞳共焦布里淵光譜探測系統(tǒng)可以提升共焦布里淵光譜探測系統(tǒng)的軸向分辨力32.3%左右。

圖3 光瞳參數(shù)對D形分光瞳共焦布里淵光譜探測系統(tǒng)軸向分辨力的影響Fig.3 The relationship between pupil parameter and spectral axial resolution of DDACBM

通過以上仿真可以看出，D形分光瞳共焦布里淵光譜探測系統(tǒng)顯著提高了傳統(tǒng)共焦布里淵光譜探測系統(tǒng)的軸向分辨力以及層析能力。

2 實(shí)驗(yàn)與結(jié)果討論

依據(jù)圖1所示的原理構(gòu)建了D形分光瞳共焦布里淵光譜探測系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證裝置。激光器采用波長λ為532 nm的高功率光學(xué)泵浦半導(dǎo)體激光器；光瞳參數(shù)選擇為d=0.27；針孔半徑選擇為r=100 μm；布里淵光譜探測系統(tǒng)采用瑞士JRS公司串聯(lián)多通道FP干涉儀。

首先采用溶有咖啡奶油的二甲基亞砜溶液作為被測樣品，由于咖啡奶油樣品的彈性散射強(qiáng)，可用來說明D形分光瞳共焦布里淵光譜探測系統(tǒng)對于共焦布里淵光譜探測系統(tǒng)在抗彈性散射方面的有效性，布里淵光譜測試結(jié)果如圖4所示。

從圖4可以看出，相比于共焦布里淵光譜探測系統(tǒng)，D形分光瞳共焦布里淵光譜探測系統(tǒng)所探測到的彈性散射強(qiáng)度明顯降低，彈性散射展寬寬度明顯減小，因而D形分光瞳共焦布里淵光譜探測系統(tǒng)具備良好的抗彈性散射干擾能力，這是D形分光瞳共焦布里淵光譜探測系統(tǒng)消除共焦布里淵光譜探測系統(tǒng)中背向散射的結(jié)果。其中，共焦布里淵光譜探測系統(tǒng)測得的縱向聲子波LA頻移為(8.16±0.01) GHz；D形分光瞳共焦布里淵光譜探測系統(tǒng)測得的LA頻移為(7.64±0.01)GHz，通過布里淵頻移公式可得D形分光瞳共焦布里淵光譜探測系統(tǒng)的散射角約為139°。

為驗(yàn)證D形分光瞳共焦布里淵光譜探測系統(tǒng)相對于共焦布里淵光譜探測系統(tǒng)在軸向分辨能力上的提升，采用單晶硅作為被測樣品進(jìn)行軸向光譜測試。將光斑聚焦在單晶硅表面附近，從上至下進(jìn)行軸向光譜掃描，并通過對每一個(gè)軸向位置的布里淵光譜曲線進(jìn)行洛倫茲擬合，得到其對應(yīng)的譜峰面積，進(jìn)而得到共焦布里淵光譜探測系統(tǒng)與D形分光瞳共焦布里淵光譜探測系統(tǒng)的實(shí)測布里淵光譜軸向強(qiáng)度響應(yīng)曲線，測試結(jié)果如圖5所示。

圖4 抗彈性散射能力對比(a)：共焦布里淵光譜探測系統(tǒng)的光譜測量結(jié)果； (b):D形分光瞳共焦布里淵光譜探測系統(tǒng)的光譜測量結(jié)果Fig.4 Comparison of anti-elastic scattering ability(a):Spectral measurement results of CBM; (b):Spectral measurement results of DDACBM

圖5 共焦布里淵光譜探測系統(tǒng)與D形分光瞳共焦布里淵光譜探測系統(tǒng)實(shí)測光譜軸向強(qiáng)度響應(yīng)曲線對比Fig.5 Comparison of measured axial intensity response curves between CBM and DDACBM

從圖5可以看出，相比于共焦布里淵光譜探測系統(tǒng)，D形分光瞳共焦布里淵光譜探測系統(tǒng)的軸向響應(yīng)變化更快，光譜信號對于軸向位置的變化更加靈敏，因此D形分光瞳共焦布里淵光譜探測系統(tǒng)的軸向分辨本領(lǐng)更強(qiáng)。D形分光瞳共焦布里淵光譜探測系統(tǒng)與共焦布里淵光譜探測系統(tǒng)的軸向強(qiáng)度響應(yīng)曲線半高寬分別為1.045與1.657 μm，軸向分辨力提高約36.9%。

為驗(yàn)證D形分光瞳共焦布里淵光譜探測系統(tǒng)相對于共焦布里淵光譜探測系統(tǒng)在層析能力上的提升，采用雙層樣品進(jìn)行軸向測試，該樣品由兩部分組成：SiO2基底以及PMMA薄層，將光斑聚焦在SiO2與PMMA界面附近，在軸向不同位置處進(jìn)行布里淵光譜采集，測試結(jié)果如圖6所示?？梢钥闯觯?dāng)共焦布里淵光譜探測系統(tǒng)的光斑聚焦在PMMA層時(shí)，會探測到較強(qiáng)的SiO2光譜，而光斑聚焦在SiO2層時(shí)，也會探測到較強(qiáng)的PMMA光譜，這是由于共焦布里淵光譜探測系統(tǒng)的聚焦光斑焦深較長，不同層之間的布里淵光譜會發(fā)生串?dāng)_混疊，因此通過光譜數(shù)據(jù)難以判斷當(dāng)前的焦斑位置以及材料信息，而D形分光瞳共焦布里淵光譜探測系統(tǒng)減少了有效焦深的長度，去除了離焦層光譜信息的干擾。

圖6 層析能力對比(a):不同軸向位置的光斑分布;(b):共焦布里淵光譜探測系統(tǒng)的布里淵光譜;(c):D形分光瞳共焦布里淵光譜探測系統(tǒng)在的布里淵光譜Fig.6 Comparison of tomography ability(a):Spot distributions at different axial positions;(b):Brillouin spectra of CBM;(c):Brillouin spectra of DDACBM

圖7 層析成像對比(a)：顯微鏡下的樣品圖；(b)：D形分光瞳共焦布里淵光譜探測系統(tǒng)層析成像結(jié)果；(c):共焦布里淵光譜探測系統(tǒng)層析成像結(jié)果Fig.7 Comparison of tomographic imagings(a):Image of the sample under a microscope;(b):Tomographic imaging result of DDCBM;(c):Tomographic imaging result of CBM

為對D形分光瞳共焦布里淵光譜探測系統(tǒng)與共焦布里淵光譜探測系統(tǒng)的層析能力作進(jìn)一步說明，我們利用三層樣品進(jìn)行x-z方向光譜層析掃描成像，其材料分別為PMMA、硅膠以及PMMA，其中，中間層硅膠厚度為55 μm，設(shè)置光譜掃描點(diǎn)數(shù)為32×16，步距為10 μm，并利用中間層硅膠的布里淵光譜譜峰面積對樣品進(jìn)行成像，結(jié)果如圖7所示。

圖7(a)為激光共焦顯微鏡(Olympus OLS 4000)下多層樣品的截面圖像，圖7(b)與圖7(c)分別為D形分光瞳共焦布里淵光譜探測系統(tǒng)與共焦布里淵光譜探測系統(tǒng)的光譜層析成像結(jié)果?？梢钥闯?，共焦布里淵光譜探測系統(tǒng)成像結(jié)果的邊緣較D形分光瞳共焦布里淵光譜探測系統(tǒng)更加模糊，硅膠光譜存在的范圍更大，這是由于共焦布里淵光譜探測系統(tǒng)中離焦光譜信息對焦平面處的光譜信息干擾較強(qiáng)，即使其焦點(diǎn)位于距離硅膠較遠(yuǎn)位置處仍然會收集到硅膠的光譜信息，因而難以確定硅膠具體范圍；相比于共焦布里淵光譜探測系統(tǒng)，D形分光瞳共焦布里淵光譜探測系統(tǒng)有效去除了離焦面散射光對焦平面散射光的影響，大幅提高了系統(tǒng)信噪比，其成像的邊緣輪廓更加清晰，硅膠分布范圍也更加接近于實(shí)際范圍，由此可見，相比于共焦布里淵光譜探測系統(tǒng)，D形分光瞳共焦布里淵光譜探測系統(tǒng)的層析能力得到大幅提升。

3 結(jié) 論

構(gòu)建了一種D形分光瞳共焦布里淵光譜探測系統(tǒng)，有效減少彈性散射對布里淵散射的干擾，提高共焦布里淵光譜探測系統(tǒng)的抗彈性散射能力，并在軸向上實(shí)現(xiàn)三維點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)的壓縮，達(dá)到提高共焦布里淵光譜探測系統(tǒng)軸向分辨力以及層析能力的效果。相比于傳統(tǒng)的共焦布里淵光譜探測系統(tǒng)，D形分光瞳共焦布里淵光譜探測系統(tǒng)的抗彈性散射能力以及光學(xué)層析能力大幅提升，軸向分辨力提高了30%以上，D形分光瞳共焦布里淵光譜探測系統(tǒng)為共焦布里淵光譜探測系統(tǒng)改善抗彈性散射能力、軸向分辨力以及層析能力提供了一種全新的技術(shù)途徑。