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微區光譜與顯微角分辨光譜聯用系統

      微區光譜技術背景
      微區光譜，又稱顯微光譜，是一種對樣品進行μm量級空間分辨的光譜測量方法。一般來說，光譜測量系統的空間分辨能力決定于系統中光斑的大小。對于使用自由光路的光譜測量系統，其光斑約在cm量級，例如大型分光光度計；對于使用光纖的光譜測量系統，其光斑約在mm量級，例如基于光纖光譜儀的反射率測量系統（圖1所示）。在微納光子學領域中，為了研究微觀樣品的光譜性能，經常需要將光譜測量系統的空間分辨率提高至μm量級。而做到這一點的難度在于，必須將光斑縮小約百倍，同時將系統的靈敏度提高約百倍。
      了解更多微區光譜或顯微光譜原理，請參考：顯微光譜系統

圖1，基于光纖光譜儀的反射率測量系統

為了實現μm量級的空間分辨，微區光譜的測量通常基于顯微鏡展開。圖2所示是一種采用了Kohler照明系統的現代商用顯微鏡架構。為了理解微區光譜的實現方法，這里對顯微鏡中一些重要的平面展開討論。顯微鏡中存在著一組重要的共軛面，包括了樣品平面、視場光闌平面和圖像平面。這三個共軛面的作用分別如下：
      ● 樣品平面：一般來說顯微鏡的物鏡具有固定的工作距離，處于工作距離上的平面即樣品平面，只有當樣品處于樣品平面時，顯微鏡才能成清晰的圖像；
      ● 視場光闌平面：視場光闌平面處于顯微鏡的入射光路，在此位置上會加載一個孔徑可調的光闌，以控制照射到樣品上的光斑大小；
      ● 圖像平面：圖像平面處于顯微鏡的出射光路，在此位置上的CCD相機用于圖像的實時采集。
      這三個共軛面之間互為共軛關系，即三個平面之上的圖像會同時清晰。在這組共軛面上的圖像具有固定的放大比率，這個比率主要受物鏡放大倍率的影響。考慮簡單的情況，忽略系統中其他光學鏡片的影響，視場光闌平面的圖像大小等于樣品平面的圖像大小乘上物鏡的放大倍數，視場光闌平面的圖像大小則等于圖像平面的圖像大小，即視場光闌平面和圖像平面的像都是樣品平面物體的放大實像。以100倍物鏡為例，樣品表面尺寸為1 μm的區域，對應著視場光闌平面和圖像平面上尺寸為100 μm的區域。反過來，這意味著只需要在視場光闌位置放置一個較大孔徑的光闌，同時在圖像平面加載一根較大芯徑的光纖，即可獲得樣品平面微區的光譜信息。一般來說，會使用較大的視場光闌以實現樣品平面全視場的照明，而使用一根光纖實現較高空間分辨的光譜收集。

圖2，利用顯微鏡測量顯微光譜的原理

由于顯微鏡中入射光路和出射光路通過分束器分離成了兩個獨立的光路，因此可以實現一種特殊的微區光譜測量方案。如圖3所示，紫色光路代表了入射光線，綠色光路代表了出射光線。通過調節入射光路中視場光闌的位置和出射光路中光纖的位置，就可以實現樣品上入射光斑與出射光斑的分離。這種特殊的方案可用于表面波或波導等領域的光譜研究。

圖3，微區光譜中發射和接收點異位測量的原理

在微區光譜系統中存在諸多光學元器件，每一個光學元器件的光學性能都會影響整個系統的性能。因此，在微區光譜系統的設計之中，需要對每個器件進行選擇。這里討論一些重要的光學器件：
       1）照明光源
      顯微鏡中通常使用鹵素燈作為照明光源。鹵素燈屬于黑體輻射光源，其能量分布具有峰值波長，在峰值波長的兩側光譜強度會快速衰減，在短波長波段尤其如此。另外，顯微鏡中的鹵素燈泡色溫普遍不高，最大輻射能量的波長通常在可見光范圍，這使得短波段（紫外）和長波段（紅外）的輻射光譜能量較少，導致信噪比較差。
      為了獲取更加寬泛的微區光譜測試區域，可以選擇高壓氙燈作為照明光源。高壓氙燈屬于等離子體放電發光，能夠提供紫外至近紅外波段均勻的光譜輻射。因此，為了拓寬微區光譜測量系統的光譜測量波段，通常使用高壓氙燈作為照射光源。
       2）分束器
       顯微鏡中的分束器起到了分離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濾光片制作。每種分束器都具有特定的適用波段，在適用波段之外分束效率將顯著下降。普通顯微鏡的設計是針對可見光波段的，因此內部典型的分束器適用波段為400~700 nm。一般來說，用于替換原顯微鏡內分束器的光譜測量專用分束器具有三種波段，第一種針對紫外波段設計，通常為250~450 nm，第二種針對可見至近紅外波段設計，通常為350~1100 nm，第三種針對近紅外波段設計，通常為900~2600 nm。為了將微區光譜系統的適用波段拓展，必須在微區光譜系統中設計切換器件，以選擇不同的分束器。
       3）物鏡
       物鏡是顯微鏡中十分關鍵的光學器件，決定了微區光譜系統的空間分辨能力。普通顯微鏡物鏡的設計波段一般為400~700 nm，一些熒光物鏡的波段可以延展至350~1100 nm。在近紅外波段，為了實現微區光譜測量，則必須使用一種采用反射式光路的特殊物鏡。一般來說，由于反射光路沒有色散，因此反射式物鏡的適用波段可以從紫外覆蓋至中紅外波段，例如典型的200 nm~20μm。
       4）光譜儀
       在微區光譜系統中由于采用光纖作為圖像平面的光譜收集器件，因此作為光譜分析的設備也會采用光纖輸入的光纖光譜儀。光譜儀的選擇主要考慮兩個因素，一個是波段，另一個是靈敏度。由于可見至近紅外350~1100 nm波段可以使用Si基探測器，而近紅外900~2500 nm波段則必須使用InGaAs的探測器。因此，需要針對微區光譜系統的波段選擇不同類型探測器的光譜儀（例如用于紫外、可見波段的NOVA制冷型面陣背照式光譜儀和用于近紅外波段的NIR1700近紅外光纖光譜儀）。如果微區光譜系統的波段跨越了Si和InGaAs兩種探測器的波段，則需要同時使用兩臺不同探測器的光譜儀。
       總而言之，微區光譜系統可以實現在空間上μm量級的光譜分辨，被廣泛應用于物理、化學、生物等領域的材料光譜性質研究。基于顯微鏡的微區光譜系統可以實現入射光斑和出射光斑的分離。微區光譜系統中的關鍵器件需要根據系統的性能進行認真選擇。

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      顯微角分辨光譜技術背景
      顯微角分辨光譜技術（Microscopic Angle Resolved Photonic Spectroscopy, MARPS）是一種直接觀測微納米材料中電磁模式色散關系的方法。與角分辨光電子能譜（ARPES）在凝聚態物理和材料科學中的作用類似，MARPS是目前所有實驗手段中為數不多的能直接定量測量材料的電磁模式色散關系的工具。它是在光學顯微的基礎上，通過引入后焦平面成像技術，將光子k空間的角度信息經傅里葉光學變換成像至實空間，實現了對材料微納米尺度區域的微區光譜和角分辨光譜的同時探測。利用MARPS對光子與微納米材料相互作用機制的深入研究，對于了解凝聚態物質基本性質、掌握微納結構中的特殊的電磁模式的色散關系，并應用于微型化光電器件的開發，都具有重要的理論和實際意義。

圖4，顯微角分辨光譜技術的原理

顯微角分辨光譜系統如圖4所示，其中的光路可以分為4個部分，包括了Kohler光路、TIRF光路、Image光路和Angle Resolved光路。Kohler光路與TIRF光路共同組成了入射光路，而Image光路和Angle Resolved光路則共同組成了出射光路。
      為了理解顯微角分辨的技術原理，需要對系統中的一組共軛面進行分析，這組共軛面包括了物鏡后焦平面、全內反射平面、和角分辨平面。如同共軛面的概念所表達的，這三個平面之上的圖像可以同時清晰，即全內反射平面上的一點經成像后在物鏡后焦平面上匯聚為一點，再經樣品反射，最終匯聚于角分辨平面上的一點。我們知道，物鏡后焦平面上的一點在物鏡前對應著一個特定方向的平行光。也就是說，全內反射平面上的一點對應著物鏡前一個特定方向的平行光。基于這個原理，在全內反射平面上引入一根細光纖實現點光源，即可以在物鏡前形成一個特定方向的平行光（平行度受限于光纖芯徑，芯徑越大，平行度越差）。同樣的道理，物鏡前一個特定方向的平行光，可以匯聚進入角分辨平面上的一根光纖。因此，通過在全內反射平面和角分辨平面上對光纖端面的位置進行實空間掃描，即可以實現特定角度的入射和出射，從而實現角分辨的光譜測量。由于物鏡天然具有對樣品微區空間分辨的能力，因此，基于這種方法的角分辨光譜技術稱為顯微角分辨光譜技術，實現這種技術的設備稱為顯微角分辨光譜儀。
      在入射光路中，可以通過切換器的光路切換實現兩種光源的照明條件。當切換器切換至Kohler光路時，可以實現全角度的照明條件。此時，所有角度的光被同時照射到樣品之上。當切換器切換至TIRF光路時，可以實現特定角度的照明條件。此時，只有特定角度的光被照射到樣品之上。兩種照明條件的適用情況不同。當樣品具有顯著的衍射效應時，例如光柵，一般使用TIRF照明條件。當樣品不具有顯著的衍射效應時，例如光子晶體，一般使用Kohler照明條件。
      全內反射平面與角分辨平面上光纖的運動模式可以有不同的組合，這形成了多種角分辨光譜的測量模式。如圖5所示，顯微角分辨光譜系統具有9種典型的測量模式，包括了：(a)全角度發射反射模式、(b)全角度發射透射模式、(c)定角度發射反射模式、(d)定角度發射透射模式、(e)背散射模式、(f)前散射模式、(g)發光模式、(h)自由模式、(i)編程模式等。其中，全角度發射反射模式和全角度發射透射模式常用于光子晶體材料的研究，定角度發射反射模式和定角度發射透射模式常用于光柵樣品衍射的研究，前散射模式和背散射模式常用于具有散射特性的樣品研究，而自由模式和編程模式則被用于研究更加復雜的體系。

圖5，顯微角分辨光譜的測量模式，其中(a)為全角度發射反射模式，(b)為全角度發射透射模式、(c)為定角度發射反射模式、(d)定角度發射透射模式、(e)為背散射模式、(f)為前散射模式、(g)為發光模式、(h)為自由模式、(i)為編程模式

ARM72M是一款功能全面的顯微角分辨光譜儀，在一套設備中實現了微區光譜與顯微角分辨光譜的聯用。目前該款設備已成功應用于復旦大學、南京大學、上海交通大學、清華大學、蘇州大學、美國南加州大學等國際國內著名研究單位，累計協助科研單位發表高水平文獻十多篇，成為光子晶體等微納光子結構領域實驗研究的標準設備。

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      ARM72M的主要性能指標如下：

      顯微鏡
      ● 架構：透反射金相顯微鏡
      ● 物鏡： 10X, 50X, 100X (0.95NA)
      ● 分束器波段： 350~1100 nm
      ● 鹵素燈波段： 380~1100 nm
      ● 鹵素燈壽命： 1000 hr
      微區光譜
      ● 光譜波段： 360~1100 nm
      ● 入射空間分辨率： 2 μm, 4 μm, 6 μm可選
      ● 出射空間分辨率： 2 μm, 4 μm, 6 μm可選
      ● 入射光源：顯微鏡內置鹵素光源，可支持外置光源擴展
      ● 光譜儀： NOVA制冷型面陣背照式光譜儀
      ● 切換器： A/B兩檔切換，一檔實現100%光入光譜儀，另一檔支持50%光入光譜儀，50%光入CCD相機
      ● 偏振器件：使用顯微鏡內置偏振器件，可適配外置偏振器件
      顯微角分辨光譜
      ● 測量模式： 9種測量模式
      ● 角度分辨率： 4°
      ● 角分辨范圍： 0~60°
      ● 光譜波段： 360~1100 nm
      ● 光源類型：顯微鏡內置鹵素光源，可支持外置光源擴展
      ● 空間分辨率： 10 μm，支持多檔不同空間分辨率光闌的選擇

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相關內容：顯微光譜系統；顯微光譜測量及配件