基于虚像相位阵列共焦布里渊光谱技术的弹性模量测量

生物组织和材料的弹性模量是决定其力学性能的关键因素,对生物医学和材料监测等领域至关重要。提出了一种基于虚像相位阵列的弹性模量测量方法,虚像相位阵列与共聚焦显微系统相结合,能够快速获得生物组织和材料的布里渊光谱频移,从而计算得到其弹性模量。首先,理论上分析了材料的弹性模量和布里渊光谱频移之间的关系;然后,介绍了虚像相位阵列的原理及系统的各组成部分;最后,对样品材料进行光谱测试,分别测得了聚乙烯、二氧化硅玻璃和聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)的光谱,求得纵向弹性模量M分别为7.23 GPa、83.4 GPa和8.92 GPa,并且测得了PMMA的布里渊光谱图像。结果表明:虚像相位阵列与衍射光栅级联使用,能够改善标准具的级次重叠现象,提高布里渊光谱的分辨率和采集速率,该系统设计的激光和背向散色光抑制模块,显著提高了布里渊信号的对比度,在材料特性、结构监测和生物医学等方面具有重要意义。

共焦布里渊光谱成像装置研制

布里渊光谱成像技术由于其非接触、高空间分辨力、三维成像的特性,广泛应用于生物医学和材料化学领域。将共焦显微技术与光谱探测技术相结合,研制了共焦布里渊光谱成像装置。对二氧化硅玻璃、硅胶和树脂玻璃进行单点光谱测试,求得纵向弹性模量M分别为83.4GPa、1.21GPa和9.48GPa;对折射率相近的二氧化硅玻璃和树脂玻璃粘接区域进行二维布里渊频移成像,从光谱图像中很容易区分和鉴别两种材料,解决了折射率相近的材料在光强图上难以区分的难题。

暗场共焦布里渊光谱探测系统

共焦布里渊光谱技术因其具有无创、无标记、高空间分辨等优点,被广泛应用在物理化学、材料科学、矿物学等领域。但自发布里渊散射强度弱,在探测系统消光比不足的情况下,布里渊信号光谱容易与弹性背景光发生交叠甚至是被湮没,因而无法实现对布里渊频移的精确测量。尤其在生物医学等前沿领域,浑浊介质粘弹性探测需求的日益增加对布里渊光谱探测系统的抗弹性背景光性能提出了更高的要求,解决共焦布里渊光谱探测系统消光比不足这一问题刻不容缓。为了提高共焦布里渊光谱探测系统的消光比,本文构建了一种暗场共焦布里渊光谱探测系统,将暗场照明应用于共焦布里渊探测中,利用光阑实现了中心遮挡的环形照明、中心通光的圆形收集的光路配置。照明光路与收集光路非交叉的特殊配置,保证了激发光强的同时避免了系统对镜面反射光的收集,因而使得弹性背景光被削弱,布里渊信号光谱显露,提高了系统的消光比。实验表明:相较于传统明场照明配置,暗场共焦布里渊探测系统的抗弹性背景光性能提升,消光比提高了20 dB;0.001%浓度的脂肪乳溶液在暗场配置下背景光得到明显压制,布里渊信号光谱显露,实现了对浑浊介质的布里渊频移数据的精确测量;选取蒸馏水、聚甲基丙烯酸甲酯、二氧化硅玻璃三个标准样品验证暗场配置下的非严格背向散射角,理论分析与实验相吻合,保证了后续轴向声速、纵向弹性模量等参数的计算结果的准确有效。暗场共焦布里渊光谱探测系统综合暗场照明与共焦探测的优点,既拥有共焦探测的高空间分辨率,又借助暗场光路配置提升了系统的抗弹性背景光性能,实现了高消光比、高空间分辨的布里渊光谱探测,为生物医学、材料科学等前沿领域实现对物质机械性能的实时无损探测提供了新的思路。

D形分光瞳共焦布里渊光谱探测系统

共焦布里渊光谱技术因其具有非接触、无损伤、高空间分辨等优点,在生物医学、物理化学以及材料科学中被广泛应用。由于布里渊散射频移较低、强度较弱,在弹性散射光没有被充分抑制的情况下,布里渊散射光容易受到弹性散射光的影响,导致光谱测量结果精度的下降,而且传统共焦布里渊光谱系统仍存在光谱轴向分辨力与层析能力不足等缺点,严重限制了共焦布里渊光谱探测系统在高散射样品以及长工作距离光谱探测领域中的应用。为改善共焦布里渊光谱探测系统的抗弹性散射能力、光谱轴向分辨力以及层析能力,构建了一种D形分光瞳共焦布里渊光谱探测系统。该系统通过侧向照明与侧向收集的方式消除背向散射,降低弹性散射强度,有效抑制弹性散射对布里渊散射的干扰,进而提高共焦布里渊光谱探测系统的抗弹性散射能力。通过D形光瞳对照明点扩散函数与收集点扩散函数进行调制,利用斜入射的方式使照明点扩散函数与收集点扩散函数仅在焦平面上发生重叠,在轴向上实现三维点扩散函数的压缩,有效去除离焦光谱信息对焦面光谱信息的干扰,降低轴向光谱强度响应曲线的半高全宽与全高全宽,进而达到提高共焦布里渊光谱探测系统的光谱轴向分辨力以及层析能力的效果。实验表明:相比于共焦布里渊光谱探测系统,D形分光瞳共焦布里渊光谱探测系统的抗弹性散射能力与层析能力得到大幅提升,通过优化光瞳参数,其光谱轴向分辨力可以提高30%以上,进而可以有效解决多层样品中的光谱串扰问题。D形分光瞳共焦布里渊光谱探测系统作为一种具有高层析能力、抗弹性散射能力强的布里渊光谱探测系统,为布里渊光谱技术在现代前沿基础学科领域中的进一步应用提供了有力保证。