暗場共焦布里淵光譜探測系統

寧 瑩， 吳寒旭， 徐 孟， 邱麗榮， 趙維謙， 倪 赫*

1. 北京理工大學光電學院精密光電測試儀器及技術北京市重點實驗室， 北京 100081 2. 北京信息科技大學儀器科學與光電工程學院， 北京 100192

引 言

共焦布里淵光譜技術是一種強大的材料表征技術[1]， 可提供有關物質粘彈性的獨特信息， 具有非接觸、 無創、 無標記、 高空間分辨[2]等優點， 在生物醫學[3-6]、 材料科學[7]、 礦物學[8]等領域得到了廣泛應用。 然而自發布里淵散射信號較弱， 當探測系統消光比不足， 未能充分抑制彈性背景光時， 信號光會與彈性背景光發生重疊， 難以獲得準確的光譜數據。 尤其在對渾濁介質的探測中[9]， 彈性背景光甚至會淹沒布里淵譜， 阻礙對信號光的探測， 限制了共焦布里淵技術在生物醫學等前沿領域更深遠的交叉應用， 因而解決共焦布里淵光譜探測系統消光比不足這一問題迫在眉睫。

為了提高共焦布里淵光譜探測系統的消光比， 學者們進行了眾多的研究工作， 主要分為交叉級聯標準具避免串擾影響、 引入外部結構抑制彈性背景光兩大類。 Scarcelli[10]等通過級聯多個虛擬成像相位陣列(virtually imaged phased array， VIPA)改變信號光光軸的角度， 避免了信號光譜與彈性背景串擾的重疊， 二級級聯后消光比提高到55 dB； Fiore[11]等則借助光循環架構利用單個VIPA標準具實現了交叉多級配置， 消光比提高到58 dB。 但這類通過級聯標準具減少串擾的方法使得原光學系統復雜化， 光學路徑甚至是光學元件的增加使得布里淵光譜信號明顯衰減， 所需的積分時間成倍增加， 系統的探測效率隨之下降。 Meng等在收集光路加入碘分子吸收室[12]， 利用碘分子的吸收光譜消除彈性背景光， 消光比提高了35 dB； Antonacci等利用邁克爾遜干涉儀相消干涉抵消彈性背景光[13]， 消光比提高35 dB； Fiore等使用FP標準具作為超窄帶通濾波器濾除彈性背景光[14]， 消光比提高了40 dB。 但這類引入外部結構削弱彈性背景光的方式對激光源的穩定性、 溫度等實驗因素要求極高， 實驗條件較為苛刻。 可以看出， 現有方法仍無法有效地解決系統消光比不足的問題， 如何簡單有效地提高共焦布里淵光譜探測系統的消光比仍是領域內待解決的熱點問題。

針對共焦布里淵探測系統消光比不足的問題， 本文將暗場照明應用于共焦探測， 構建了一種暗場共焦布里淵光譜探測系統， 通過中心遮擋的環形照明、 中心通光的圓形收集的光路配置， 實現了暗場照明下的共焦布里淵光譜探測。 保證照明光強的同時避免了照明及收集光路的重疊， 避免了對鏡面反射等彈性背景光的收集， 防止其淹沒待測信號， 從而使得布里淵信號光譜顯露， 提高系統消光比。

1 原理及仿真

1.1 暗場共焦布里淵光譜探測系統測量原理

暗場共焦布里淵光譜探測系統的測量原理如圖1所示， 激光經準直擴束系統形成“點光源”， 入射到中心遮擋的圓形照明光闌處， 經過光闌后被調制為環形光， 由分光棱鏡反射后被顯微物鏡會聚在樣品處， 激發出的布里淵散射光被收集， 通過分光棱鏡后到達中心通光的環形收集光闌， 鏡面反射光被阻擋， 散射光則由收集透鏡會聚于光纖端面處形成“點探測”， 光纖作為共焦針孔， 限制VIPA光譜儀只能接收到焦點附近激發的布里淵散射光， 濾除了非焦點平面的散射光, 實現了共焦探測。 同時， 鏡面反射光具有很強的方向性， 而散射光存在于各個方向， 暗場配置正是利用這一特點， 避免了鏡面反射光進入收集光路， 盡可能地減少對彈性背景光的收集， 防止其過強湮沒信號光， 從而提高系統的消光比。

圖1 暗場共焦布里淵光譜探測系統原理圖

針對布里淵探測散射光強弱、 頻移小的探測難點， 本文所搭建的暗場共焦布里淵光譜探測系統將共焦探測與環形照明組合起來， 既保證了探測系統的分辨率， 又有效提高了系統抗彈性背景光的性能， 具有高分辨、 高消光比的探測優勢。

布里淵散射源于入射電磁波與介質中聲子之間的非彈性相互作用， 散射光相對于入射光的頻移與介質中的聲速成比例， 因而只需測量布里淵頻移即可得到與介質中聲速直接相關的彈性模量， 自發布里淵散射的頻移可表示為

(1)

其中，n為介質的折射率， v為聲波的速度，λ為入射光的波長，θ為入射光與散射光的夾角。

在暗場照明共焦布里淵光譜探測的過程中， 如圖2所示， 照明光瞳為外圍環形區域， 收集光瞳為中心圓形區域， 這樣的非交叉光路配置消除了鏡面反射光， 因而探測系統收集的散射光主要是彈性散射光與布里淵散射光， 根據散射模型可以得到彈性散射光與布里淵散射光強度的相對關系

(2)

其中，IE和IB分別為彈性散射及布里淵散射的強度，αp為極化率，ρ為密度，v為聲速，n為介質折射率，ε0為真空介電常數，ε為材料介電常數，p為彈光系數，kB為玻爾茲曼常數，T為絕對溫度，S1和S2分別為照明及收集光瞳的面積。

圖2 暗場布里淵光譜探測系統照明及收集光瞳示意圖

IE與IB的比值越小， 即布里淵信號相對于彈性背景越強， 信背比越大， 在仿真中將使用信背比這一參數來表征系統探測時消光比的相對大小。

1.2 暗場照明下的仿真分析

結合圖2的散射模型， 對照明、 收集光瞳進行積分， 可以得到不同光瞳參數下(即收集光瞳尺寸)探測系統的信背比及布里淵相對散射強度的分布， 如圖3所示。 隨著收集光瞳尺寸的增大， 信背比也增大， 但由于與收集光瞳互補的照明光瞳尺寸的減小， 到達樣品的有效激發強度損失， 會帶來布里淵散射光強度的降低， 因而光瞳歸一化半徑r的選擇需要兼顧激發效率與信背比。

其次， 由圖2所示的光瞳模型可以看出， 暗場照明布里淵光譜探測系統的照明光路與收集光路不存在重疊交叉， 因而暗場布里淵光譜探測系統并非嚴格的背向散射， 即散射角度不嚴格等于180°， 而根據式(1)， 散射角度直接影響布里淵頻移的大小， 必須進行散射角校正。 選定收集光瞳尺寸r0， 將照明光瞳與收集光瞳離散化， 積分可得該光瞳尺寸r0配置下的照明光束與收集光束的夾角， 即當前系統的非嚴格背向散射角度。

(3)

根據仿真結果圖3， 為了同時滿足系統效率及消光性能， 將根據圖中綠色合理區間[0.58-0.66]內的光瞳歸一化半徑值搭建裝置并進行后續驗證實驗。

圖3 收集光瞳尺寸r與信背比、 布里淵散射 相對強度的關系

2 實驗與結果討論

為了測試暗場共焦布里淵光譜探測系統的性能， 驗證暗場配置相較于傳統共焦布里淵性能的提升及本系統測量結果的準確性， 依據圖1原理圖搭建了暗場照明共焦布里淵光譜探測系統的實驗驗證裝置。 根據圖3結果選定收集光瞳歸一化尺寸為r=0.625， 照明光瞳為與其互補的環形光瞳， 選用波長λ為532 nm的光學泵浦半導體激光器作為光源， 環形照明光經顯微物鏡(20X/0.40NA)被聚焦到樣品上， 所測樣品處的激光功率約為7 mW。 選定與照明數值孔徑匹配的收集透鏡及光纖， 收集布里淵散射信號光， 進入單級VIPA光譜儀中, 其中VIPA標準具(Light Machinery Inc, OP-6721-2000-2)的自由光譜范圍為50.46 GHz。 接下來的實驗將分別驗證系統消光比的提高、 抗彈性背景光性能的提高及非嚴格背向散射的角度。

2.1 消光比提高驗證實驗

為了驗證暗場配置對系統消光比的提高， 我們測試了明場、 暗場兩種情況下的消光性能。 由于CCD動態范圍有限， 限制了光譜對比度的測量范圍， 為了解決這一問題， 在光路中加入校準后的中性密度濾光片， 由衰減后的數據還原532 nm處探測的激光強度[15]。 明場照明與暗場照明下系統消光比的對比結果如圖4所示， 未加光闌的標準單級VIPA光譜探測系統消光比約為30 dB， 引入暗場照明后系統的噪聲水平降低， 系統消光比達到了50 dB, 消光比提高了20 dB。

圖4 明場照明與暗場照明下系統的消光比對比

2.2 抗彈性背景性能提高驗證實驗

為了進一步驗證系統抗彈性背景光性能的提升， 選取濃度為0.001%的脂肪乳溶液作為樣品， 它與水的頻移較為接近， 常用來模擬布里淵頻移較小的生物組織這類渾濁介質。 從圖5可以看出， 由于脂肪乳溶液的頻移較小， 在彈性散射光及反射光較強的情況下， 測得的布里淵光譜信號極易與背景光重疊甚至被湮沒， 從中分辨布里淵信號較難， 因而頻移的測量結果不準確。 而在暗場照明的情況下， 可準確測得該脂肪乳溶液的頻移為ΩB=(7.26±0.12) GHz， 同時由圖中可以看出背景光明顯得到壓制， 光譜顯露， 暗場配置有效提高了系統的抗彈性背景性能。

圖5 明場及暗場照明下脂肪乳溶液的布里淵光譜對比

2.3 非嚴格背向散射角角度驗證實驗

本文搭建的暗場共焦布里淵光譜探測系統所測得的脂肪乳溶液的頻移數據7.26 GHz與前人嚴格背向散射光路配置下脂肪乳溶液的頻移[12]數據存在較大偏差， 正如前文所提到的， 環形照明-圓形收集的配置屬于非嚴格背向散射(即θ≠180°)， 選定r=0.625時， 根據式(3)， 本系統散射角θ理論計算值為151.0°。

為了驗證暗場照明布里淵光譜探測系統的非嚴格背向散射角θ， 保證后續測量數據的準確性， 選取蒸餾水、 PMMA、 SiO2玻璃三個標準樣品進行明場及暗場對比實驗， 積分時間為1 s， 多次測量三個標準樣品的布里淵譜線， 高斯-洛倫茲擬合后得到各樣品頻移的測量值， 結果如表1所示。 其中， 明場條件下各樣品的布里淵頻移值與以往學者實驗中測得的嚴格背向散射頻移值相吻合。 結合式(1)， 通過暗場頻移與明場頻移的比值即可推算出本文所搭建的系統的實際非嚴格散射角度， 實驗平均值為150.8°， 與理論結果151.0°基本吻合。 非嚴格背向散射角的驗證為后續準確計算樣品的軸向聲速、 縱向彈性模量等參數提供了有力保證。

表1 暗場照明光路配置下非嚴格背向 散射角的實驗驗證

實驗可得： 暗場共焦布里淵光譜探測系統相較于傳統的明場配置， 在抗彈性散射性能上有明顯提升， 彈性背景光被削弱， 布里淵信號光譜顯露， 實現了對布里淵頻移的精確測量， 暗場照明的配置使得系統消光比提高了20 dB； 經過仿真分析以及對標準樣品頻移值的對比實驗驗證， 校準了本文暗場配置下的非嚴格背向散射角度， 使得后續對未知頻移樣品的機械性能等相關參數的計算更加準確。

3 結 論

針對共焦布里淵光譜探測消光比不足的問題， 構建了一種暗場共焦布里淵光譜探測系統， 采用中心遮擋的環形照明、 中心通光的圓形收集的方式， 有效避免了對彈性背景光的收集， 使得光譜探測系統的抗彈性背景性能大幅提升。 暗場共焦布里淵的配置不增加光學系統的復雜性， 在保證激發效率的同時， 簡單有效地提高了系統的消光比， 同時本系統兼具共焦探測與暗場照明的優點， 既保證了共焦探測的高分辨率， 又實現了高消光比的布里淵探測。 本文所搭建的系統具有極大的靈活性， 遵循典型的共焦布里淵光譜儀光路， 仍可與其他抑制消光比的技術進行聯用， 同時也可與相干斷層掃描技術等光學成像技術聯用， 為共焦布里淵光譜技術在生物醫學、 材料科學等前沿領域的交叉應用提供了更有力的保證。