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微区光谱与显微角分辨光谱联用系统

      微区光谱技术背景
      微区光谱,又称显微光谱,是一种对样品进行μm量级空间分辨的光谱测量方法。一般来说,光谱测量系统的空间分辨能力决定于系统中光斑的大小。对于使用自由光路的光谱测量系统,其光斑约在cm量级,例如大型分光光度计;对于使用光纤的光谱测量系统,其光斑约在mm量级,例如基于光纤光谱仪的反射率测量系统(图1所示)。在微纳光子学领域中,为了研究微观样品的光谱性能,经常需要将光谱测量系统的空间分辨率提高至μm量级。而做到这一点的难度在于,必须将光斑缩小约百倍,同时将系统的灵敏度提高约百倍。
      了解更多微区光谱或显微光谱原理,请参考:显微光谱系统
微区光谱与显微角分辨光谱联用系统
图1,基于光纤光谱仪的反射率测量系统

为了实现μm量级的空间分辨,微区光谱的测量通常基于显微镜展开。图2所示是一种采用了Kohler照明系统的现代商用显微镜架构。为了理解微区光谱的实现方法,这里对显微镜中一些重要的平面展开讨论。显微镜中存在着一组重要的共轭面,包括了样品平面、视场光阑平面和图像平面。这三个共轭面的作用分别如下:
      ● 样品平面:一般来说显微镜的物镜具有固定的工作距离,处于工作距离上的平面即样品平面,只有当样品处于样品平面时,显微镜才能成清晰的图像;
      ● 视场光阑平面:视场光阑平面处于显微镜的入射光路,在此位置上会加载一个孔径可调的光阑,以控制照射到样品上的光斑大小;
      ● 图像平面:图像平面处于显微镜的出射光路,在此位置上的CCD相机用于图像的实时采集。
      这三个共轭面之间互为共轭关系,即三个平面之上的图像会同时清晰。在这组共轭面上的图像具有固定的放大比率,这个比率主要受物镜放大倍率的影响。考虑最简单的情况,忽略系统中其他光学镜片的影响,视场光阑平面的图像大小等于样品平面的图像大小乘上物镜的放大倍数,视场光阑平面的图像大小则等于图像平面的图像大小,即视场光阑平面和图像平面的像都是样品平面物体的放大实像。以100倍物镜为例,样品表面尺寸为1 μm的区域,对应着视场光阑平面和图像平面上尺寸为100 μm的区域。反过来,这意味着只需要在视场光阑位置放置一个较大孔径的光阑,同时在图像平面加载一根较大芯径的光纤,即可获得样品平面微区的光谱信息。一般来说,会使用较大的视场光阑以实现样品平面全视场的照明,而使用一根光纤实现较高空间分辨的光谱收集。
      
微区光谱与显微角分辨光谱联用系统
图2,利用显微镜测量显微光谱的原理

由于显微镜中入射光路和出射光路通过分束器分离成了两个独立的光路,因此可以实现一种特殊的微区光谱测量方案。如图3所示,紫色光路代表了入射光线,绿色光路代表了出射光线。通过调节入射光路中视场光阑的位置和出射光路中光纤的位置,就可以实现样品上入射光斑与出射光斑的分离。这种特殊的方案可用于表面波或波导等领域的光谱研究。
      
微区光谱与显微角分辨光谱联用系统
图3,微区光谱中发射和接收点异位测量的原理

在微区光谱系统中存在诸多光学元器件,每一个光学元器件的光学性能都会影响整个系统的性能。因此,在微区光谱系统的设计之中,需要对每个器件进行选择。这里讨论一些重要的光学器件:
       1)照明光源
      显微镜中通常使用卤素灯作为照明光源。卤素灯属于黑体辐射光源,其能量分布具有峰值波长,在峰值波长的两侧光谱强度会快速衰减,在短波长波段尤其如此。另外,显微镜中的卤素灯泡色温普遍不高,最大辐射能量的波长通常在可见光范围,这使得短波段(紫外)和长波段(红外)的辐射光谱能量较少,导致信噪比较差。
      为了获取更加宽泛的微区光谱测试区域,可以选择高压氙灯作为照明光源。高压氙灯属于等离子体放电发光,能够提供紫外至近红外波段均匀的光谱辐射。因此,为了拓宽微区光谱测量系统的光谱测量波段,通常使用高压氙灯作为照射光源。
       2)分束器
       显微镜中的分束器起到了分离入射光路和出射光路的作用。高效率的分束器通常采用干涉型滤光片制作。每种分束器都具有特定的适用波段,在适用波段之外分束效率将显著下降。普通显微镜的设计是针对可见光波段的,因此内部典型的分束器适用波段为400~700 nm。一般来说,用于替换原显微镜内分束器的光谱测量专用分束器具有三种波段,第一种针对紫外波段设计,通常为250~450 nm,第二种针对可见至近红外波段设计,通常为350~1100 nm,第三种针对近红外波段设计,通常为900~2600 nm。为了将微区光谱系统的适用波段拓展至最大,必须在微区光谱系统中设计切换器件,以选择不同的分束器。
       3)物镜
       物镜是显微镜中最关键的光学器件,决定了微区光谱系统的空间分辨能力。普通显微镜物镜的设计波段一般为400~700 nm,一些荧光物镜的波段可以延展至350~1100 nm。在近红外波段,为了实现微区光谱测量,则必须使用一种采用反射式光路的特殊物镜。一般来说,由于反射光路没有色散,因此反射式物镜的适用波段可以从紫外覆盖至中红外波段,例如典型的200 nm~20μm。
       4)光谱仪
       在微区光谱系统中由于采用光纤作为图像平面的光谱收集器件,因此作为光谱分析的设备也会采用光纤输入的光纤光谱仪。光谱仪的选择主要考虑两个因素,一个是波段,另一个是灵敏度。由于可见至近红外350~1100 nm波段可以使用Si基探测器,而近红外900~2500 nm波段则必须使用InGaAs的探测器。因此,需要针对微区光谱系统的波段选择不同类型探测器的光谱仪(例如用于紫外、可见波段的NOVA制冷型面阵背照式光谱仪和用于近红外波段的NIR1700近红外光纤光谱仪)。如果微区光谱系统的波段跨越了Si和InGaAs两种探测器的波段,则需要同时使用两台不同探测器的光谱仪。
       总而言之,微区光谱系统可以实现在空间上μm量级的光谱分辨,被广泛应用于物理、化学、生物等领域的材料光谱性质研究。基于显微镜的微区光谱系统可以实现入射光斑和出射光斑的分离。微区光谱系统中的关键器件需要根据系统的性能进行认真选择。
      

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      显微角分辨光谱技术背景
      显微角分辨光谱技术(Microscopic Angle Resolved Photonic Spectroscopy, MARPS)是一种直接观测微纳米材料中电磁模式色散关系的方法。与角分辨光电子能谱(ARPES)在凝聚态物理和材料科学中的作用类似,MARPS是目前所有实验手段中唯一能直接定量测量材料的电磁模式色散关系的工具。它是在光学显微的基础上,通过引入后焦平面成像技术,将光子k空间的角度信息经傅里叶光学变换成像至实空间,实现了对材料微纳米尺度区域的微区光谱和角分辨光谱的同时探测。利用MARPS对光子与微纳米材料相互作用机制的深入研究,对于了解凝聚态物质基本性质、掌握微纳结构中的特殊的电磁模式的色散关系,并应用于微型化光电器件的开发,都具有重要的理论和实际意义。
      
微区光谱与显微角分辨光谱联用系统
图4,显微角分辨光谱技术的原理

显微角分辨光谱系统如图4所示,其中的光路可以分为4个部分,包括了Kohler光路、TIRF光路、Image光路和Angle Resolved光路。Kohler光路与TIRF光路共同组成了入射光路,而Image光路和Angle Resolved光路则共同组成了出射光路。
      为了理解显微角分辨的技术原理,需要对系统中的一组共轭面进行分析,这组共轭面包括了物镜后焦平面、全内反射平面、和角分辨平面。如同共轭面的概念所表达的,这三个平面之上的图像可以同时清晰,即全内反射平面上的一点经成像后在物镜后焦平面上汇聚为一点,再经样品反射,最终汇聚于角分辨平面上的一点。我们知道,物镜后焦平面上的一点在物镜前对应着一个特定方向的平行光。也就是说,全内反射平面上的一点对应着物镜前一个特定方向的平行光。基于这个原理,在全内反射平面上引入一根细光纤实现点光源,即可以在物镜前形成一个特定方向的平行光(平行度受限于光纤芯径,芯径越大,平行度越差)。同样的道理,物镜前一个特定方向的平行光,可以汇聚进入角分辨平面上的一根光纤。因此,通过在全内反射平面和角分辨平面上对光纤端面的位置进行实空间扫描,即可以实现特定角度的入射和出射,从而实现角分辨的光谱测量。由于物镜天然具有对样品微区空间分辨的能力,因此,基于这种方法的角分辨光谱技术称为显微角分辨光谱技术,实现这种技术的设备称为显微角分辨光谱仪。
      在入射光路中,可以通过切换器的光路切换实现两种光源的照明条件。当切换器切换至Kohler光路时,可以实现全角度的照明条件。此时,所有角度的光被同时照射到样品之上。当切换器切换至TIRF光路时,可以实现特定角度的照明条件。此时,只有特定角度的光被照射到样品之上。两种照明条件的适用情况不同。当样品具有显著的衍射效应时,例如光栅,一般使用TIRF照明条件。当样品不具有显著的衍射效应时,例如光子晶体,一般使用Kohler照明条件。
      全内反射平面与角分辨平面上光纤的运动模式可以有不同的组合,这形成了多种角分辨光谱的测量模式。如图5所示,显微角分辨光谱系统具有9种典型的测量模式,包括了:(a)全角度发射反射模式、(b)全角度发射透射模式、(c)定角度发射反射模式、(d)定角度发射透射模式、(e)背散射模式、(f)前散射模式、(g)发光模式、(h)自由模式、(i)编程模式等。其中,全角度发射反射模式和全角度发射透射模式常用于光子晶体材料的研究,定角度发射反射模式和定角度发射透射模式常用于光栅样品衍射的研究,前散射模式和背散射模式常用于具有散射特性的样品研究,而自由模式和编程模式则被用于研究更加复杂的体系。
      
微区光谱与显微角分辨光谱联用系统
图5,显微角分辨光谱的测量模式,其中(a)为全角度发射反射模式,(b)为全角度发射透射模式、(c)为定角度发射反射模式、(d)定角度发射透射模式、(e)为背散射模式、(f)为前散射模式、(g)为发光模式、(h)为自由模式、(i)为编程模式

ARM72M是一款功能全面的显微角分辨光谱仪,在一套设备中实现了微区光谱与显微角分辨光谱的联用。目前该款设备已成功应用于复旦大学、南京大学、上海交通大学、清华大学、苏州大学、美国南加州大学等国际国内著名研究单位,累计协助科研单位发表高水平文献十多篇,成为光子晶体等微纳光子结构领域实验研究的标准设备。
      

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      ARM72M的主要性能指标如下:
      

      显微镜
      ● 架构: 透反射金相显微镜
      ● 物镜: 10X, 50X, 100X (0.95NA)
      ● 分束器波段: 350~1100 nm
      ● 卤素灯波段: 380~1100 nm
      ● 卤素灯寿命: 1000 hr
      微区光谱
      ● 光谱波段: 360~1100 nm
      ● 入射空间分辨率: 2 μm, 4 μm, 6 μm可选
      ● 出射空间分辨率: 2 μm, 4 μm, 6 μm可选
      ● 入射光源: 显微镜内置卤素光源,可支持外置光源扩展
      ● 光谱仪: NOVA制冷型面阵背照式光谱仪
      ● 切换器: A/B两档切换,一档实现100%光入光谱仪,另一档支持50%光入光谱仪,50%光入CCD相机
      ● 偏振器件: 使用显微镜内置偏振器件,可适配外置偏振器件
      显微角分辨光谱
      ● 测量模式: 9种测量模式
      ● 角度分辨率: 4°
      ● 角分辨范围: 0~60°
      ● 光谱波段: 360~1100 nm
      ● 光源类型: 显微镜内置卤素光源,可支持外置光源扩展
      ● 空间分辨率: 10 μm,支持多档不同空间分辨率光阑的选择
      

      

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