[发明专利]一种界面全光谱成像分析仪器系统

说明书

技术领域

本发明涉及一种界面全光谱成像分析仪器系统。

背景技术

物质的界面是相与相之间分隔与过渡的区域，和物质界面相关的科学研究被统称为界面科学。界面层一般由一个或者几个分子（或原子）层组成，由于相与相性质不同，界面分子（或原子）的物理和化学性质与被分隔的两相中的分子（或原子）的性质均不相同。正是这些界面分子（或原子）特殊性质赋予了界面的特殊功能和界面科学研究的挑战性。

界面物理化学性质等信息的获取是界面科学研究的基础。这些信息的获取，建立在对界面微观结构信息认识的基础上。然而，界面结构信息的准确获取却非常困难。相比于研究对象的本体来说，界面的特殊性主要表现在其敏感性和选择性。结构分析的方法有很多，但适合界面研究的表征手段非常缺乏。目前，单一相结构表征手段主要有：电子光谱技术、近场探测技术、高能射线技术等。对于大多数研究对象来说，现有的表征技术检测到的界面信息量与本体相比是非常少的，所以在数据处理过程中还需要区分界面和本体的贡献，必须通过复杂的计算和分析才能得到界面分子的信息。因此，上述结构表征手段不具备界面选择的特性。

对于大多数界面研究来讲，在获得界面结构信息的基础上，能进一步监测界面发生的物理化学变化更具研究价值，也就是说，界面动力学和热动力学研究在科学上更有吸引力，所能解决的科学问题也更关键。因此，界面结构的研究能力，是除界面选择性之外对检测手段的更高层次要求，也更具科学价值和实际意义。因此目前研制开发具有界面选择性的检测仪器和方法是当前界面科学研究领域的重要现实需求。

随着光学技术，特别是激光技术的进步，红外光谱、拉曼光谱等线性光学方法和非线性光学方法得到了很大的发展。与其他结构分析方法不同的是，光学方法有原位检测、不损坏研究体系的物质本身等优点，能较好的满足界面研究的需要。但是由于界面分子只有一个或几个分子层，所以严格意义上讲，对于宏观尺寸研究对象，红外和拉曼光谱分析等线性光学方法所获取的主要是本体信息或者是“准界面”信息。近年来发展起来的二阶非线性光学方法，如和频光谱方法，从原理上解决了界面/本体信号分离的问题，具有独特的界面选择性和界面单分子层灵敏性，可以在激光设备的配合下获得界面单分子层的信息，在准确性上大大超过了已有的界面研究手段。

在和频光谱分析过程中，两路入射激光，一般是可调红外光和可见光，在界面交叠作用后产生三个光信号，其中一个是非线性的和频光信号，另外两个是界面反射的可见光和红外光信号。基于和频光产生的原理，可以确定反射的可见光、红外光与和频光来源于同一位置。目前为止，在和频光信号收集以及处理的过程中，在界面同一位置反射产生的可见光和红外光都作为噪声被过滤。然而，如果同时收集这些信号，将可以综合线性光谱和非线性光谱分析的特点，得到界面（准界面）同一位置同一时间的互补信息，更有利于判断研究对象的物理化学性质以及变化规律。类似于全反射傅里叶红外光谱分析（ATR-FTIR）和常规拉曼光谱分析，收集反射方向的红外光谱和可见光谱（拉曼光谱），可以得到“准界面”的信息，通过与和频光只反应界面结构信息相对比，红外和拉曼光谱能够提供同一位置不同界面深度的结构信息。在和频光谱分析基础上发展全光谱的分析，不仅仅只是信息的综合，而是提供了一种创新的界面-准界面的对比研究手段。因此，以和频光信号的产生作为判断的依据，可以实现真正意义上同时同位置的全光谱分析（红外、拉曼光谱）。

但是，目前和频光谱检测技术和检测仪器发展很不成熟，使用起来相对复杂、费时费力。就全球范围内综合比较，仪器研究和应用水平根本无法满足界面科学基础研究的客观需求，均只能实现单一光谱的测试。

发明内容

本发明提供了一种界面全光谱成像分析仪器系统，其目的在于，克服现有技术中只能测试界面的单一光谱，同时同位置提供界面的全光谱信息。

一种界面全光谱成像分析仪器系统，包括激光光源控制模块、定位平台模块、界面全光谱信号分光模块、界面全光谱信号采集与检测模块及上位机；

所述激光光源控制模块受控于上位机；

所述界面全光谱信号分光模块包括初级分光单元和次级分光单元，所述初级分光单元包括聚光片组和反射光栅，所述次级分光单元包括分别用于对拉曼光、红外光及和频光进行滤光的滤光片组，以及次级光栅和放大片组；