寧 瑩， 吳寒旭， 徐 孟， 邱麗榮， 趙維謙， 倪 赫*

1. 北京理工大學(xué)光電學(xué)院精密光電測(cè)試儀器及技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 100081 2. 北京信息科技大學(xué)儀器科學(xué)與光電工程學(xué)院， 北京 100192

引 言

共焦布里淵光譜技術(shù)是一種強(qiáng)大的材料表征技術(shù)[1]， 可提供有關(guān)物質(zhì)粘彈性的獨(dú)特信息， 具有非接觸、 無(wú)創(chuàng)、 無(wú)標(biāo)記、 高空間分辨[2]等優(yōu)點(diǎn)， 在生物醫(yī)學(xué)[3-6]、 材料科學(xué)[7]、 礦物學(xué)[8]等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。 然而自發(fā)布里淵散射信號(hào)較弱， 當(dāng)探測(cè)系統(tǒng)消光比不足， 未能充分抑制彈性背景光時(shí)， 信號(hào)光會(huì)與彈性背景光發(fā)生重疊， 難以獲得準(zhǔn)確的光譜數(shù)據(jù)。 尤其在對(duì)渾濁介質(zhì)的探測(cè)中[9]， 彈性背景光甚至?xí)蜎](méi)布里淵譜， 阻礙對(duì)信號(hào)光的探測(cè)， 限制了共焦布里淵技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)等前沿領(lǐng)域更深遠(yuǎn)的交叉應(yīng)用， 因而解決共焦布里淵光譜探測(cè)系統(tǒng)消光比不足這一問(wèn)題迫在眉睫。

為了提高共焦布里淵光譜探測(cè)系統(tǒng)的消光比， 學(xué)者們進(jìn)行了眾多的研究工作， 主要分為交叉級(jí)聯(lián)標(biāo)準(zhǔn)具避免串?dāng)_影響、 引入外部結(jié)構(gòu)抑制彈性背景光兩大類(lèi)。 Scarcelli[10]等通過(guò)級(jí)聯(lián)多個(gè)虛擬成像相位陣列(virtually imaged phased array， VIPA)改變信號(hào)光光軸的角度， 避免了信號(hào)光譜與彈性背景串?dāng)_的重疊， 二級(jí)級(jí)聯(lián)后消光比提高到55 dB； Fiore[11]等則借助光循環(huán)架構(gòu)利用單個(gè)VIPA標(biāo)準(zhǔn)具實(shí)現(xiàn)了交叉多級(jí)配置， 消光比提高到58 dB。 但這類(lèi)通過(guò)級(jí)聯(lián)標(biāo)準(zhǔn)具減少串?dāng)_的方法使得原光學(xué)系統(tǒng)復(fù)雜化， 光學(xué)路徑甚至是光學(xué)元件的增加使得布里淵光譜信號(hào)明顯衰減， 所需的積分時(shí)間成倍增加， 系統(tǒng)的探測(cè)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(biāo)準(zhǔn)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(lèi)引入外部結(jié)構(gòu)削弱彈性背景光的方式對(duì)激光源的穩(wěn)定性、 溫度等實(shí)驗(yàn)因素要求極高， 實(shí)驗(yàn)條件較為苛刻。 可以看出， 現(xiàn)有方法仍無(wú)法有效地解決系統(tǒng)消光比不足的問(wèn)題， 如何簡(jiǎn)單有效地提高共焦布里淵光譜探測(cè)系統(tǒng)的消光比仍是領(lǐng)域內(nèi)待解決的熱點(diǎn)問(wèn)題。

針對(duì)共焦布里淵探測(cè)系統(tǒng)消光比不足的問(wèn)題， 本文將暗場(chǎng)照明應(yīng)用于共焦探測(cè)， 構(gòu)建了一種暗場(chǎng)共焦布里淵光譜探測(cè)系統(tǒng)， 通過(guò)中心遮擋的環(huán)形照明、 中心通光的圓形收集的光路配置， 實(shí)現(xiàn)了暗場(chǎng)照明下的共焦布里淵光譜探測(cè)。 保證照明光強(qiáng)的同時(shí)避免了照明及收集光路的重疊， 避免了對(duì)鏡面反射等彈性背景光的收集， 防止其淹沒(méi)待測(cè)信號(hào)， 從而使得布里淵信號(hào)光譜顯露， 提高系統(tǒng)消光比。

1 原理及仿真

1.1 暗場(chǎng)共焦布里淵光譜探測(cè)系統(tǒng)測(cè)量原理

暗場(chǎng)共焦布里淵光譜探測(cè)系統(tǒng)的測(cè)量原理如圖1所示， 激光經(jīng)準(zhǔn)直擴(kuò)束系統(tǒng)形成“點(diǎn)光源”， 入射到中心遮擋的圓形照明光闌處， 經(jīng)過(guò)光闌后被調(diào)制為環(huán)形光， 由分光棱鏡反射后被顯微物鏡會(huì)聚在樣品處， 激發(fā)出的布里淵散射光被收集， 通過(guò)分光棱鏡后到達(dá)中心通光的環(huán)形收集光闌， 鏡面反射光被阻擋， 散射光則由收集透鏡會(huì)聚于光纖端面處形成“點(diǎn)探測(cè)”， 光纖作為共焦針孔， 限制VIPA光譜儀只能接收到焦點(diǎn)附近激發(fā)的布里淵散射光， 濾除了非焦點(diǎn)平面的散射光, 實(shí)現(xiàn)了共焦探測(cè)。 同時(shí)， 鏡面反射光具有很強(qiáng)的方向性， 而散射光存在于各個(gè)方向， 暗場(chǎng)配置正是利用這一特點(diǎn)， 避免了鏡面反射光進(jìn)入收集光路， 盡可能地減少對(duì)彈性背景光的收集， 防止其過(guò)強(qiáng)湮沒(méi)信號(hào)光， 從而提高系統(tǒng)的消光比。

圖1 暗場(chǎng)共焦布里淵光譜探測(cè)系統(tǒng)原理圖

針對(duì)布里淵探測(cè)散射光強(qiáng)弱、 頻移小的探測(cè)難點(diǎn)， 本文所搭建的暗場(chǎng)共焦布里淵光譜探測(cè)系統(tǒng)將共焦探測(cè)與環(huán)形照明組合起來(lái)， 既保證了探測(cè)系統(tǒng)的分辨率， 又有效提高了系統(tǒng)抗彈性背景光的性能， 具有高分辨、 高消光比的探測(cè)優(yōu)勢(shì)。

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

(1)

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

在暗場(chǎng)照明共焦布里淵光譜探測(cè)的過(guò)程中， 如圖2所示， 照明光瞳為外圍環(huán)形區(qū)域， 收集光瞳為中心圓形區(qū)域， 這樣的非交叉光路配置消除了鏡面反射光， 因而探測(cè)系統(tǒng)收集的散射光主要是彈性散射光與布里淵散射光， 根據(jù)散射模型可以得到彈性散射光與布里淵散射光強(qiáng)度的相對(duì)關(guān)系

(2)

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

圖2 暗場(chǎng)布里淵光譜探測(cè)系統(tǒng)照明及收集光瞳示意圖

IE與IB的比值越小， 即布里淵信號(hào)相對(duì)于彈性背景越強(qiáng)， 信背比越大， 在仿真中將使用信背比這一參數(shù)來(lái)表征系統(tǒng)探測(cè)時(shí)消光比的相對(duì)大小。

1.2 暗場(chǎng)照明下的仿真分析

結(jié)合圖2的散射模型， 對(duì)照明、 收集光瞳進(jìn)行積分， 可以得到不同光瞳參數(shù)下(即收集光瞳尺寸)探測(cè)系統(tǒng)的信背比及布里淵相對(duì)散射強(qiáng)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(bǔ)的照明光瞳尺寸的減小， 到達(dá)樣品的有效激發(fā)強(qiáng)度損失， 會(huì)帶來(lái)布里淵散射光強(qiáng)度的降低， 因而光瞳歸一化半徑r的選擇需要兼顧激發(fā)效率與信背比。

其次， 由圖2所示的光瞳模型可以看出， 暗場(chǎng)照明布里淵光譜探測(cè)系統(tǒng)的照明光路與收集光路不存在重疊交叉， 因而暗場(chǎng)布里淵光譜探測(cè)系統(tǒng)并非嚴(yán)格的背向散射， 即散射角度不嚴(yán)格等于180°， 而根據(jù)式(1)， 散射角度直接影響布里淵頻移的大小， 必須進(jìn)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(dāng)前系統(tǒng)的非嚴(yán)格背向散射角度。

(3)

根據(jù)仿真結(jié)果圖3， 為了同時(shí)滿(mǎn)足系統(tǒng)效率及消光性能， 將根據(jù)圖中綠色合理區(qū)間[0.58-0.66]內(nèi)的光瞳歸一化半徑值搭建裝置并進(jìn)行后續(xù)驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。

圖3 收集光瞳尺寸r與信背比、 布里淵散射 相對(duì)強(qiáng)度的關(guān)系

2 實(shí)驗(yàn)與結(jié)果討論

為了測(cè)試暗場(chǎng)共焦布里淵光譜探測(cè)系統(tǒng)的性能， 驗(yàn)證暗場(chǎng)配置相較于傳統(tǒng)共焦布里淵性能的提升及本系統(tǒng)測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性， 依據(jù)圖1原理圖搭建了暗場(chǎng)照明共焦布里淵光譜探測(cè)系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證裝置。 根據(jù)圖3結(jié)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(bǔ)的環(huán)形光瞳， 選用波長(zhǎng)λ為532 nm的光學(xué)泵浦半導(dǎo)體激光器作為光源， 環(huán)形照明光經(jīng)顯微物鏡(20X/0.40NA)被聚焦到樣品上， 所測(cè)樣品處的激光功率約為7 mW。 選定與照明數(shù)值孔徑匹配的收集透鏡及光纖， 收集布里淵散射信號(hào)光， 進(jìn)入單級(jí)VIPA光譜儀中, 其中VIPA標(biāo)準(zhǔn)具(Light Machinery Inc, OP-6721-2000-2)的自由光譜范圍為50.46 GHz。 接下來(lái)的實(shí)驗(yàn)將分別驗(yàn)證系統(tǒng)消光比的提高、 抗彈性背景光性能的提高及非嚴(yán)格背向散射的角度。

2.1 消光比提高驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證暗場(chǎng)配置對(duì)系統(tǒng)消光比的提高， 我們測(cè)試了明場(chǎng)、 暗場(chǎng)兩種情況下的消光性能。 由于CCD動(dòng)態(tài)范圍有限， 限制了光譜對(duì)比度的測(cè)量范圍， 為了解決這一問(wèn)題， 在光路中加入校準(zhǔn)后的中性密度濾光片， 由衰減后的數(shù)據(jù)還原532 nm處探測(cè)的激光強(qiáng)度[15]。 明場(chǎng)照明與暗場(chǎng)照明下系統(tǒng)消光比的對(duì)比結(jié)果如圖4所示， 未加光闌的標(biāo)準(zhǔn)單級(jí)VIPA光譜探測(cè)系統(tǒng)消光比約為30 dB， 引入暗場(chǎng)照明后系統(tǒng)的噪聲水平降低， 系統(tǒng)消光比達(dá)到了50 dB, 消光比提高了20 dB。

圖4 明場(chǎng)照明與暗場(chǎng)照明下系統(tǒng)的消光比對(duì)比

2.2 抗彈性背景性能提高驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)

為了進(jìn)一步驗(yàn)證系統(tǒng)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(lái)模擬布里淵頻移較小的生物組織這類(lèi)渾濁介質(zhì)。 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(qiáng)的情況下， 測(cè)得的布里淵光譜信號(hào)極易與背景光重疊甚至被湮沒(méi)， 從中分辨布里淵信號(hào)較難， 因而頻移的測(cè)量結(jié)果不準(zhǔn)確。 而在暗場(chǎng)照明的情況下， 可準(zhǔn)確測(cè)得該脂肪乳溶液的頻移為ΩB=(7.26±0.12) GHz， 同時(shí)由圖中可以看出背景光明顯得到壓制， 光譜顯露， 暗場(chǎng)配置有效提高了系統(tǒng)的抗彈性背景性能。

圖5 明場(chǎng)及暗場(chǎng)照明下脂肪乳溶液的布里淵光譜對(duì)比

2.3 非嚴(yán)格背向散射角角度驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)

本文搭建的暗場(chǎng)共焦布里淵光譜探測(cè)系統(tǒng)所測(cè)得的脂肪乳溶液的頻移數(shù)據(jù)7.26 GHz與前人嚴(yán)格背向散射光路配置下脂肪乳溶液的頻移[12]數(shù)據(jù)存在較大偏差， 正如前文所提到的， 環(huán)形照明-圓形收集的配置屬于非嚴(yán)格背向散射(即θ≠180°)， 選定r=0.625時(shí)， 根據(jù)式(3)， 本系統(tǒng)散射角θ理論計(jì)算值為151.0°。

為了驗(yàn)證暗場(chǎng)照明布里淵光譜探測(cè)系統(tǒng)的非嚴(yán)格背向散射角θ， 保證后續(xù)測(cè)量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性， 選取蒸餾水、 PMMA、 SiO2玻璃三個(gè)標(biāo)準(zhǔn)樣品進(jìn)行明場(chǎng)及暗場(chǎng)對(duì)比實(shí)驗(yàn)， 積分時(shí)間為1 s， 多次測(cè)量三個(gè)標(biāo)準(zhǔn)樣品的布里淵譜線(xiàn)， 高斯-洛倫茲擬合后得到各樣品頻移的測(cè)量值， 結(jié)果如表1所示。 其中， 明場(chǎng)條件下各樣品的布里淵頻移值與以往學(xué)者實(shí)驗(yàn)中測(cè)得的嚴(yán)格背向散射頻移值相吻合。 結(jié)合式(1)， 通過(guò)暗場(chǎng)頻移與明場(chǎng)頻移的比值即可推算出本文所搭建的系統(tǒng)的實(shí)際非嚴(yán)格散射角度， 實(shí)驗(yàn)平均值為150.8°， 與理論結(jié)果151.0°基本吻合。 非嚴(yán)格背向散射角的驗(yàn)證為后續(xù)準(zhǔn)確計(jì)算樣品的軸向聲速、 縱向彈性模量等參數(shù)提供了有力保證。

表1 暗場(chǎng)照明光路配置下非嚴(yán)格背向 散射角的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

實(shí)驗(yàn)可得： 暗場(chǎng)共焦布里淵光譜探測(cè)系統(tǒng)相較于傳統(tǒng)的明場(chǎng)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(hào)光譜顯露， 實(shí)現(xiàn)了對(duì)布里淵頻移的精確測(cè)量， 暗場(chǎng)照明的配置使得系統(tǒng)消光比提高了20 dB； 經(jīng)過(guò)仿真分析以及對(duì)標(biāo)準(zhǔn)樣品頻移值的對(duì)比實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證， 校準(zhǔn)了本文暗場(chǎng)配置下的非嚴(yán)格背向散射角度， 使得后續(xù)對(duì)未知頻移樣品的機(jī)械性能等相關(guān)參數(shù)的計(jì)算更加準(zhǔn)確。

3 結(jié) 論

針對(duì)共焦布里淵光譜探測(cè)消光比不足的問(wèn)題， 構(gòu)建了一種暗場(chǎng)共焦布里淵光譜探測(cè)系統(tǒng)， 采用中心遮擋的環(huán)形照明、 中心通光的圓形收集的方式， 有效避免了對(duì)彈性背景光的收集， 使得光譜探測(cè)系統(tǒng)的抗彈性背景性能大幅提升。 暗場(chǎng)共焦布里淵的配置不增加光學(xué)系統(tǒng)的復(fù)雜性， 在保證激發(fā)效率的同時(shí)， 簡(jiǎn)單有效地提高了系統(tǒng)的消光比， 同時(shí)本系統(tǒng)兼具共焦探測(cè)與暗場(chǎng)照明的優(yōu)點(diǎn)， 既保證了共焦探測(cè)的高分辨率， 又實(shí)現(xiàn)了高消光比的布里淵探測(cè)。 本文所搭建的系統(tǒng)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(shù)進(jìn)行聯(lián)用， 同時(shí)也可與相干斷層掃描技術(shù)等光學(xué)成像技術(shù)聯(lián)用， 為共焦布里淵光譜技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)、 材料科學(xué)等前沿領(lǐng)域的交叉應(yīng)用提供了更有力的保證。