暗场共焦布里渊光谱探测系统

宁 莹， 吴寒旭， 徐 孟， 邱丽荣， 赵维谦， 倪 赫*

1. 北京理工大学光电学院精密光电测试仪器及技术北京市重点实验室， 北京 100081 2. 北京信息科技大学仪器科学与光电工程学院， 北京 100192

引 言

共焦布里渊光谱技术是一种强大的材料表征技术[1]， 可提供有关物质粘弹性的独特信息， 具有非接触、 无创、 无标记、 高空间分辨[2]等优点， 在生物医学[3-6]、 材料科学[7]、 矿物学[8]等领域得到了广泛应用。 然而自发布里渊散射信号较弱， 当探测系统消光比不足， 未能充分抑制弹性背景光时， 信号光会与弹性背景光发生重叠， 难以获得准确的光谱数据。 尤其在对浑浊介质的探测中[9]， 弹性背景光甚至会淹没布里渊谱， 阻碍对信号光的探测， 限制了共焦布里渊技术在生物医学等前沿领域更深远的交叉应用， 因而解决共焦布里渊光谱探测系统消光比不足这一问题迫在眉睫。

为了提高共焦布里渊光谱探测系统的消光比， 学者们进行了众多的研究工作， 主要分为交叉级联标准具避免串扰影响、 引入外部结构抑制弹性背景光两大类。 Scarcelli[10]等通过级联多个虚拟成像相位阵列(virtually imaged phased array， VIPA)改变信号光光轴的角度， 避免了信号光谱与弹性背景串扰的重叠， 二级级联后消光比提高到55 dB； Fiore[11]等则借助光循环架构利用单个VIPA标准具实现了交叉多级配置， 消光比提高到58 dB。 但这类通过级联标准具减少串扰的方法使得原光学系统复杂化， 光学路径甚至是光学元件的增加使得布里渊光谱信号明显衰减， 所需的积分时间成倍增加， 系统的探测效率随之下降。 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谱消除弹性背景光， 消光比提高了35 dB； Antonacci等利用迈克尔逊干涉仪相消干涉抵消弹性背景光[13]， 消光比提高35 dB； Fiore等使用FP标准具作为超窄带通滤波器滤除弹性背景光[14]， 消光比提高了40 dB。 但这类引入外部结构削弱弹性背景光的方式对激光源的稳定性、 温度等实验因素要求极高， 实验条件较为苛刻。 可以看出， 现有方法仍无法有效地解决系统消光比不足的问题， 如何简单有效地提高共焦布里渊光谱探测系统的消光比仍是领域内待解决的热点问题。

针对共焦布里渊探测系统消光比不足的问题， 本文将暗场照明应用于共焦探测， 构建了一种暗场共焦布里渊光谱探测系统， 通过中心遮挡的环形照明、 中心通光的圆形收集的光路配置， 实现了暗场照明下的共焦布里渊光谱探测。 保证照明光强的同时避免了照明及收集光路的重叠， 避免了对镜面反射等弹性背景光的收集， 防止其淹没待测信号， 从而使得布里渊信号光谱显露， 提高系统消光比。

1 原理及仿真

1.1 暗场共焦布里渊光谱探测系统测量原理

暗场共焦布里渊光谱探测系统的测量原理如图1所示， 激光经准直扩束系统形成“点光源”， 入射到中心遮挡的圆形照明光阑处， 经过光阑后被调制为环形光， 由分光棱镜反射后被显微物镜会聚在样品处， 激发出的布里渊散射光被收集， 通过分光棱镜后到达中心通光的环形收集光阑， 镜面反射光被阻挡， 散射光则由收集透镜会聚于光纤端面处形成“点探测”， 光纤作为共焦针孔， 限制VIPA光谱仪只能接收到焦点附近激发的布里渊散射光， 滤除了非焦点平面的散射光, 实现了共焦探测。 同时， 镜面反射光具有很强的方向性， 而散射光存在于各个方向， 暗场配置正是利用这一特点， 避免了镜面反射光进入收集光路， 尽可能地减少对弹性背景光的收集， 防止其过强湮没信号光， 从而提高系统的消光比。

图1 暗场共焦布里渊光谱探测系统原理图

针对布里渊探测散射光强弱、 频移小的探测难点， 本文所搭建的暗场共焦布里渊光谱探测系统将共焦探测与环形照明组合起来， 既保证了探测系统的分辨率， 又有效提高了系统抗弹性背景光的性能， 具有高分辨、 高消光比的探测优势。

布里渊散射源于入射电磁波与介质中声子之间的非弹性相互作用， 散射光相对于入射光的频移与介质中的声速成比例， 因而只需测量布里渊频移即可得到与介质中声速直接相关的弹性模量， 自发布里渊散射的频移可表示为

(1)

其中，n为介质的折射率， v为声波的速度，λ为入射光的波长，θ为入射光与散射光的夹角。

在暗场照明共焦布里渊光谱探测的过程中， 如图2所示， 照明光瞳为外围环形区域， 收集光瞳为中心圆形区域， 这样的非交叉光路配置消除了镜面反射光， 因而探测系统收集的散射光主要是弹性散射光与布里渊散射光， 根据散射模型可以得到弹性散射光与布里渊散射光强度的相对关系

(2)

其中，IE和IB分别为弹性散射及布里渊散射的强度，αp为极化率，ρ为密度，v为声速，n为介质折射率，ε0为真空介电常数，ε为材料介电常数，p为弹光系数，kB为玻尔兹曼常数，T为绝对温度，S1和S2分别为照明及收集光瞳的面积。

图2 暗场布里渊光谱探测系统照明及收集光瞳示意图

IE与IB的比值越小， 即布里渊信号相对于弹性背景越强， 信背比越大， 在仿真中将使用信背比这一参数来表征系统探测时消光比的相对大小。

1.2 暗场照明下的仿真分析

结合图2的散射模型， 对照明、 收集光瞳进行积分， 可以得到不同光瞳参数下(即收集光瞳尺寸)探测系统的信背比及布里渊相对散射强度的分布， 如图3所示。 随着收集光瞳尺寸的增大， 信背比也增大， 但由于与收集光瞳互补的照明光瞳尺寸的减小， 到达样品的有效激发强度损失， 会带来布里渊散射光强度的降低， 因而光瞳归一化半径r的选择需要兼顾激发效率与信背比。

其次， 由图2所示的光瞳模型可以看出， 暗场照明布里渊光谱探测系统的照明光路与收集光路不存在重叠交叉， 因而暗场布里渊光谱探测系统并非严格的背向散射， 即散射角度不严格等于180°， 而根据式(1)， 散射角度直接影响布里渊频移的大小， 必须进行散射角校正。 选定收集光瞳尺寸r0， 将照明光瞳与收集光瞳离散化， 积分可得该光瞳尺寸r0配置下的照明光束与收集光束的夹角， 即当前系统的非严格背向散射角度。

(3)

根据仿真结果图3， 为了同时满足系统效率及消光性能， 将根据图中绿色合理区间[0.58-0.66]内的光瞳归一化半径值搭建装置并进行后续验证实验。

图3 收集光瞳尺寸r与信背比、 布里渊散射 相对强度的关系

2 实验与结果讨论

为了测试暗场共焦布里渊光谱探测系统的性能， 验证暗场配置相较于传统共焦布里渊性能的提升及本系统测量结果的准确性， 依据图1原理图搭建了暗场照明共焦布里渊光谱探测系统的实验验证装置。 根据图3结果选定收集光瞳归一化尺寸为r=0.625， 照明光瞳为与其互补的环形光瞳， 选用波长λ为532 nm的光学泵浦半导体激光器作为光源， 环形照明光经显微物镜(20X/0.40NA)被聚焦到样品上， 所测样品处的激光功率约为7 mW。 选定与照明数值孔径匹配的收集透镜及光纤， 收集布里渊散射信号光， 进入单级VIPA光谱仪中, 其中VIPA标准具(Light Machinery Inc, OP-6721-2000-2)的自由光谱范围为50.46 GHz。 接下来的实验将分别验证系统消光比的提高、 抗弹性背景光性能的提高及非严格背向散射的角度。

2.1 消光比提高验证实验

为了验证暗场配置对系统消光比的提高， 我们测试了明场、 暗场两种情况下的消光性能。 由于CCD动态范围有限， 限制了光谱对比度的测量范围， 为了解决这一问题， 在光路中加入校准后的中性密度滤光片， 由衰减后的数据还原532 nm处探测的激光强度[15]。 明场照明与暗场照明下系统消光比的对比结果如图4所示， 未加光阑的标准单级VIPA光谱探测系统消光比约为30 dB， 引入暗场照明后系统的噪声水平降低， 系统消光比达到了50 dB, 消光比提高了20 dB。

图4 明场照明与暗场照明下系统的消光比对比

2.2 抗弹性背景性能提高验证实验

为了进一步验证系统抗弹性背景光性能的提升， 选取浓度为0.001%的脂肪乳溶液作为样品， 它与水的频移较为接近， 常用来模拟布里渊频移较小的生物组织这类浑浊介质。 从图5可以看出， 由于脂肪乳溶液的频移较小， 在弹性散射光及反射光较强的情况下， 测得的布里渊光谱信号极易与背景光重叠甚至被湮没， 从中分辨布里渊信号较难， 因而频移的测量结果不准确。 而在暗场照明的情况下， 可准确测得该脂肪乳溶液的频移为ΩB=(7.26±0.12) GHz， 同时由图中可以看出背景光明显得到压制， 光谱显露， 暗场配置有效提高了系统的抗弹性背景性能。

图5 明场及暗场照明下脂肪乳溶液的布里渊光谱对比

2.3 非严格背向散射角角度验证实验

本文搭建的暗场共焦布里渊光谱探测系统所测得的脂肪乳溶液的频移数据7.26 GHz与前人严格背向散射光路配置下脂肪乳溶液的频移[12]数据存在较大偏差， 正如前文所提到的， 环形照明-圆形收集的配置属于非严格背向散射(即θ≠180°)， 选定r=0.625时， 根据式(3)， 本系统散射角θ理论计算值为151.0°。

为了验证暗场照明布里渊光谱探测系统的非严格背向散射角θ， 保证后续测量数据的准确性， 选取蒸馏水、 PMMA、 SiO2玻璃三个标准样品进行明场及暗场对比实验， 积分时间为1 s， 多次测量三个标准样品的布里渊谱线， 高斯-洛伦兹拟合后得到各样品频移的测量值， 结果如表1所示。 其中， 明场条件下各样品的布里渊频移值与以往学者实验中测得的严格背向散射频移值相吻合。 结合式(1)， 通过暗场频移与明场频移的比值即可推算出本文所搭建的系统的实际非严格散射角度， 实验平均值为150.8°， 与理论结果151.0°基本吻合。 非严格背向散射角的验证为后续准确计算样品的轴向声速、 纵向弹性模量等参数提供了有力保证。

表1 暗场照明光路配置下非严格背向 散射角的实验验证

实验可得： 暗场共焦布里渊光谱探测系统相较于传统的明场配置， 在抗弹性散射性能上有明显提升， 弹性背景光被削弱， 布里渊信号光谱显露， 实现了对布里渊频移的精确测量， 暗场照明的配置使得系统消光比提高了20 dB； 经过仿真分析以及对标准样品频移值的对比实验验证， 校准了本文暗场配置下的非严格背向散射角度， 使得后续对未知频移样品的机械性能等相关参数的计算更加准确。

3 结 论

针对共焦布里渊光谱探测消光比不足的问题， 构建了一种暗场共焦布里渊光谱探测系统， 采用中心遮挡的环形照明、 中心通光的圆形收集的方式， 有效避免了对弹性背景光的收集， 使得光谱探测系统的抗弹性背景性能大幅提升。 暗场共焦布里渊的配置不增加光学系统的复杂性， 在保证激发效率的同时， 简单有效地提高了系统的消光比， 同时本系统兼具共焦探测与暗场照明的优点， 既保证了共焦探测的高分辨率， 又实现了高消光比的布里渊探测。 本文所搭建的系统具有极大的灵活性， 遵循典型的共焦布里渊光谱仪光路， 仍可与其他抑制消光比的技术进行联用， 同时也可与相干断层扫描技术等光学成像技术联用， 为共焦布里渊光谱技术在生物医学、 材料科学等前沿领域的交叉应用提供了更有力的保证。