[发明专利]激光双轴差动共焦布里渊-拉曼光谱测量方法与装置

说明书

技术领域

本发明属于显微光谱成像技术领域，将双轴差动共焦显微技术与光谱探测技术相结合，涉及一种“图谱合一”的激光双轴差动共焦布里渊-拉曼光谱测量方法与装置，可用于样品的微区多光谱、多性能参数综合测试与高分辨成像。

技术背景

光射现象广泛存在于光与粒子的作用过程中，即当一束光通过介质时，介质粒子受光波的作用，从一个量子态跃迁到另一个量子态，并同时辐射出散射波，不同的能级跃迁方式分别产生了瑞利、反斯托克斯和斯托克斯散射，通常根据入射光波长改变量将光散射分为：瑞利散射、拉曼散射及布里渊散射。三种散射中的瑞利散射信号最强，布里渊散射信号次之，拉曼散射信号最弱。

其中，瑞利散射是因为介质内部质点的排列存在着一定的随机起伏，从而导致物质的电性能参数产生相应的变化，于是对入射到介质中的光信号产生散射。瑞利散射的特点为：散射光强度与入射光波长的四次方成反比，散射光强随观察方向而改变，散射光的偏振度与观察方向有关，散射光频率与入射光相同，且在散射前后原子或分子内能不发生变化。

拉曼光谱是由分子内部振动而引起的散射光谱，拉曼光谱与原子的性质、空间位形及原子之间或与外界的相互作用等因素有关，因此，不同物质会有其各自的特征拉曼光谱即“指纹谱”，通过测得的拉曼散射光谱的频移、强度、线形以及偏振状态变化等信息，来获得材料的成分、微结构和内部运动信息等，继而实现材料成分、应力、温度、异物的测量。与其他光谱相比，拉曼光谱有其独特的优点：①用于拉曼散射光谱检测的样品没有任何特殊的制备要求，如对形状和大小的要求低，不需透明，也不需是研磨粉碎，并且可以在固体、液体、溶液、气体等物理状态下测量，并且拉曼散射采用光子探针，对于样品无损伤探测，因而，拉曼光谱检测在材料科学、物理科学领域应用广泛；②对样品数量的要求比较少，可以用于对毫克甚至微克的数量级的样品进行检测，使得拉曼光谱技术成为地质矿产、法庭科学及刑侦科学等领域研究的有力工具；③水对拉曼光谱信号基本上是没有影响的，因此可直接检测含水样品或水溶液样品的拉曼光谱，比较适于对生物样品的测试，甚至可以用拉曼光谱检测活体中的生物物质，优于红外光谱技术。

布里渊散射光谱是由光波与介质中的声学声子发生相互作用而产生的一种散射光谱，是由分子的弹性振动（外振动和转动）而引起的散射，布里渊散射是以光为探针测量物质中声子、自旋波等多种元激发的重要手段。①当光与物质的声学声子相互作用时，声子的湮灭和产生分别对应着引起光能增大或减小，通过测量这种光子能量的变化可以得到声子能量的信息，进一步分析便可得出物质的弹性和压电等性质，在材料性质的研究中得到了很多应用，如各种透明不透明材料、层状薄膜材料、金属材料、磁性薄膜材料等。②与拉曼散射信号的低强度，敏感物理量少不同，布里渊散射由于可感测的物理量多，信号强度较大，且具有传感灵敏度高、动态范围大、传感距离长、响应时间短、空间分辨率及测量精度高等优势，在光纤传感技术、海洋监测、激光雷达、光通信等领域中有着广泛的应用。

利用拉曼散射和布里渊散射技术提出一种新的同时探测温度和应力的方法，该方法利用拉曼散射技术探测温度，进而可以直接从混杂应力和温度信息的布里渊频移中获得应力，从而实现测量温度和应力的同步测量。

2005年M.N.Alahbabi等人利用拉曼散射和布里渊散射技术提出一种新的同时探测温度和应力的方法，该方法利用拉曼散射技术探测温度，进而可以直接从混杂应力和温度信息的布里渊频移中获得应力，从而实现温度和应力的同步测量；2009年Marcelo A.Soto等人利用多纵模激光器同时进行分布式应力和温度传感的探测，运用法布里珀罗激光器在布里渊-拉曼混合系统中进行应力及温度的测试；2010年Fuchang Chen等人利用M.N.Alahbabi等人提出的方法，设计了可以同时探测温度和应力的系统，该系统在布里渊时域反射系统的基础上又添加拉曼散射模块来测量温度，从而实现同时测量温度和应力；2010年Mohammad Belal等人利用拉曼散射技术和布里渊技术实现了温度和应力同步高分辨测试，通过布里渊光相关域分析与反斯托克斯拉曼散射技术的结合，保证了温度压力传感器的高分辨力。