光束调制型逆向空间偏移拉曼光谱测量方法与装置

技术领域

本发明属于光谱检测领域，涉及一种光束调制型逆向空间偏移拉曼光谱测量方法及装置。

背景技术

拉曼光谱技术因其无损、非接触以及“分子指纹”特性，在物理、化学、材料科学、生物医学、地质探测、刑侦等领域，作为物质成分、浓度、温度、应力等参数信息的分析检测工具而广泛应用。现代科技的快速发展对样品内部光谱信息的探测提出了更高的要求。然而，传统拉曼光谱技术其在半/不透明样品中的穿透深度仅为几百微米，难以满足高深度光谱信息的探测需求。

2005年英国卢瑟福国家实验室Pavel Matousek提出了空间偏移拉曼光谱技术，其根据光子散射迁移理论，通过探测与激发光束具有一定空间偏移距离的拉曼散射光，实现了样品内部毫米甚至厘米量级深层拉曼光谱信息的探测。根据探测光束与激发光束的位置关系，空间偏移拉曼光谱技术分为正向和逆向两种探测方式。相比正向空间偏移拉曼光谱技术，逆向空间偏移拉曼光谱技术由于入射光有效光照面可控，避免了样品过热的问题，但是现有逆向空间偏移拉曼光谱技术通常采用移动光学器件的方式进行空间偏移量的调节，不利于系统的稳定性和结果的准确性。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明的目的是提供一种光束调制型逆向空间偏移拉曼光谱测量方法与装置，利用光束调制的方式对逆向空间偏移拉曼光谱系统的空间偏移量进行调节，从而实现深层拉曼光谱的准确测量。本发明具有稳定性强、深度探测灵活度高、测量结果可靠性高等优点，适用于生物医学、考古鉴定等领域。

本发明的目的是通过下述技术方案实现的。

本发明公开的光束调制型逆向空间偏移拉曼光谱测量方法，利用光束调制系统对激发光的形状进行自由、静态调制，从而实现逆向空间偏移拉曼光谱的灵活测量，该方法的具体实现步骤如下：

步骤一、在光束调制系统加载预定尺寸的调制图样，实现特定空间偏移量的选择。

步骤二、光源系统发出的激发光束经扩束系统扩束后满尺寸照射在光束调制系统。

步骤三、调制光束经二向色分光系统反射，进入空间偏移量缩放系统，并以环形光的形式照射在被测样品上，样品在光轴位置发射的拉曼散射光被收集沿原光路返回系统；激发光与收集的拉曼散射光的圆心位置同心。

步骤四、拉曼散射光经过空间偏移量缩放系统收集，透射过二向色分光系统，经第五会聚镜汇聚后进入光谱探测系统进行拉曼光谱探测，获得偏移拉曼光谱信息。

步骤五、改变步骤一的调制图样尺寸，重复步骤二至四，获得新空间偏移量下的拉曼光谱信息。

步骤六、重复上述步骤一至步骤五，获得系列偏移拉曼光谱信息，经测控系统处理后实现不同深度光谱信息解耦，进而实现深层拉曼光谱的测量。

进一步的，光束调制系统基于器件偏转、变形或者电光效应进行光束调制，实现对光束的振幅或强度、相位、偏振态调制。

进一步的，空间偏移量缩放系统用于实现对经光束调制系统调制的空间偏移量进行放大或者缩小。

进一步的，调制图样的空间偏移量调节范围能够从0时开始。

本发明公开的光束调制型逆向空间偏移拉曼光谱测量装置，用于实现光束调制型逆向空间偏移拉曼光谱测量方法。本发明公开的光束调制型逆向空间偏移拉曼光谱测量装置，包括点光源系统、扩束系统、光束调制系统、二向色分光系统、位于二向色分光系统反射方向的空间偏移量缩放系统、被测样品，以及位于二向色分光系统透射方向的第五会聚镜、光谱探测系统。

光束调制系统用于加载预定尺寸的调制图样，实现特定空间偏移量的选择；

光源系统用于发出的激发光束；

扩束系统用于对光源系统发出的激发光束扩束；

偏移量缩放系统用于实现空间偏移量大范围粗调及微细精调；

光谱探测系统用于对拉曼光谱探测，获得偏移拉曼光谱信息。

作为优选，光束调制系统包括基于空间形变的数字微镜器件、变形镜，通过数字微镜器件、变形镜对光束进行偏转、变形调制；还可以包括基于电光效应的液晶空间光调制器，通过液晶空间光调制器实现基于电光效应的光束调制。

作为优选，空间偏移量缩放系统包括具有环形放大功能的器件，具有环形放大功能的器件选用锥透镜或者其他有放大功能的器件；空间偏移量缩放系统还可以包括具有光束会聚作用的器件，具有光束会聚作用的器件选用物镜、透镜或者其他有会聚功能器件。

作为优选，扩束系统由第一会聚镜和第二会聚镜构成。

作为优选，本发明公开的光束调制型逆向空间偏移拉曼光谱测量装置还包括用于样品x/y/x单方向或多方向移动的多维扫描平移系统。

作为优选，本发明公开的光束调制型逆向空间偏移拉曼光谱测量装置还包括用于系统控制和数据处理的测控系统。

有益效果：

1、本发明公开的一种光束调制型逆向空间偏移拉曼光谱测量方法与装置，利用光束调制方式实现系统空间偏移量调制，避免测量过程中器件的移动，提高光束调制型逆向空间偏移拉曼光谱测量装置的稳定性和结果的准确性。

2、本发明公开的一种光束调制型逆向空间偏移拉曼光谱测量方法与装置，通过对光束调制系统加载数字调制图样进行空间偏移量值设定，利用光束调制系统对激发光的形状进行自由、静态调制，实现空间偏移量自由、灵活的选择，进而实现逆向空间偏移拉曼光谱的灵活测量。

3、本发明公开的一种光束调制型逆向空间偏移拉曼光谱测量方法与装置，利用空间偏移量缩放系统，实现空间偏移量大范围粗调及微细精调，从而实现深层拉曼光谱的准确测量。

附图说明

图1为正向空间偏移拉曼光谱与逆向空间偏移拉曼光谱对比图；

图2为本发明光束调制型逆向空间偏移拉曼光谱测量方法示意图；

图3为本发明光束调制型逆向空间偏移拉曼光谱测量装置示意图；

图4为本发明光束调制型逆向空间偏移拉曼光谱测量方法与装置实施例图；

其中：1-光源系统、2-扩束系统、3-第一会聚镜、4-第二会聚镜、5-光束调制系统、6-数字微镜器件、7-调制图样、8-第三会聚镜、9-二向色分光系统、10-空间偏移量缩放系统、11-第四会聚镜、12-被测样品、13-多维扫描平移系统、14-激发光与偏移光谱位置图样、15-第五会聚镜、16-光谱探测系统、17-测控系统。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

本发明采用光束调制原理对系统空间偏移量进行调制，实现被测样品内部深层拉曼光谱的准确测量。

实施例

如图2所示，本实施例公开的一种光束调制型逆向空间偏移拉曼光谱测量方法，利用光束调制系统对激发光的形状进行自由、静态调制，从而实现逆向空间偏移拉曼光谱的灵活测量。

如图3所示，本实施例公开的一种光束调制型逆向空间偏移拉曼光谱测量装置，包括点光源系统1、扩束系统2、光束调制系统5、第三会聚镜8、二向色分光系统9，位于二向色分光系统9反射方向的空间偏移量缩放系统10、被测样品12、多维扫描平移系统13，以及位于二向色分光系统9透射方向的第五会聚镜15、光谱探测系统16和测控系统17。

如图4所示，本实施例公开的一种光束调制型逆向空间偏移拉曼光谱测量装置中光源系统1采用光纤激光器用于产生激发光源；

扩束系统2包括第一会聚镜3和第二会聚镜4，扩束系统2与第三会聚镜8共轭；

光束调制系统5采用数字微镜器件6进行空间偏移量调制；

空间偏移量缩放系统10采用第三会聚镜11进行光束会聚；

本实施例公开的一种光束调制型逆向空间偏移拉曼光谱测量方法，具体实施步骤如下：

步骤一、对数字微镜器件6加载一定尺寸的调制图样7，实现特定空间偏移量的选择；

步骤二、光源系统1发出的激发光束经第一会聚镜3和第二会聚镜4扩束后，会聚出射，并满尺寸照射到数字微镜器件6的工作面；

步骤三、光束经数字微镜器件6进行如加载调制图样7的环形调制后，被反射并经第三会聚镜8准直后平行出射，经二向色分光系统9反射，经第四会聚镜11以环形光的形式聚焦照射在被测样品12上；

步骤四、样品在光轴位置发射的拉曼散射光被收集回系统，透射过二向色分光镜9，经第五会聚镜15汇聚后进入光谱探测仪16进行拉曼光谱探测，获得偏移拉曼光谱信息；

步骤五、改变步骤一中调制图样7的图样尺寸，重复步骤二至四，获得新空间偏移量下的拉曼光谱信息；

步骤六、重复上述步骤一至步骤五，获得系列偏移拉曼光谱信息，经工控机17处理后，即实现可该位置不同深度光谱信息解耦。

步骤七、利用多维扫描平移台13，移动样品位置，重复步骤一至六，即可实现样品深层拉曼光谱信息的多维扫描成像测量。

以上结合附图对本发明的具体实施方式作了说明，但这些说明不能被理解为限制了本发明的范围，本发明的保护范围由随附的权利要求书限定，任何在本发明权利要求基础上的改动都是本发明的保护范围。