反射式近场拉曼光谱仪测量头，属于近场光学、光谱分析测试仪器技术领域。基于金属纳米探针的局域场增强原理，本发明专利技术公开了一种反射式近场拉曼光谱仪测量头，激发光入射角度和近场拉曼光谱信号的收集角度可调，并能从不同方向收集近场拉曼光谱信号，实现多种测量模式，有效提高近场拉曼光谱信号的激发效率与收集效率，从而提高信噪比与探测灵敏度。本发明专利技术能探测来自样品纳米局域空间的微弱反射拉曼光谱信号，可同时获得待测样品的纳米尺度形貌像与超衍射分辨率近场拉曼光谱与近场拉曼光谱线像。本发明专利技术采用平行光束接口，可与各种自建拉曼光谱仪或商用拉曼光谱仪联合使用，可广泛用于生物、医学、化学、物理、材料等领域中的介观尺度研究。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于纳米光学、近场光学、光谱分析测试仪器
，特别涉及反射式近场拉曼光谱仪测量头的设计。
技术介绍
近场拉曼光谱仪能够实现样品纳米尺度局域拉曼光谱信号的测量，对纳米尺度结构进行化学检测与分析，是纳米科技发展与纳米科技产业化的急需仪器。对于微弱的近场拉曼光谱信号测量，提高激发与收集效率极为重要。基于针尖增强的近场拉曼光谱仪是目前发展的最有前景的主流技术。目前的实验系统通常是针对透明样品测量的透射式测量系统，而实际待测样品多为不透明的，必须采用反射式测量系统。在反射式近场拉曼光谱测量系统中，目前通常采用垂直方向激发/原光路收集、以一定角度落射激发/原光路收集、或是采用不同的收集光路以一定角度收集，近场拉曼光谱信号的激发与收集系统都是一些离散的分离元件，不便于搭建与调节，难以实现任意角度激发与信号收集。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服已有近场拉曼光谱仪不能以任意角度激发/任意角度收集方式测量近场拉曼光谱信号，难以搭建与调节的不足，提出了一种反射式近场拉曼光谱仪测量头。该测量头使用局域场增强无孔径金属纳米探针对待测样品进行近场距离扫描，可同时获得待测样品的纳米尺度形貌像、超衍射分辨率近场拉曼光谱与近场拉曼光谱线像。使用聚光镜能够将引入其中的平行激发光束聚焦于无孔径金属纳米探针针尖，激发光入射角度和近场拉曼光谱信号的收集角度分别可调，并且能够从不同方向收集近场拉曼光谱信号，实现多种测量模式。本专利技术可以对样品的纳米尺度拉曼光谱信号的最佳激发与收集条件进行研究，有效提高近场拉曼光谱信号的激发效率与收集效率，从而提高信噪比与探测灵敏度。本专利技术提供了一种反射式近场拉曼光谱仪测量头，它的所有元件都紧凑地集中在一个整体头部结构中。所述测量头具有外壳，容纳在外壳中的无孔径金属纳米探针，以及用于测控探针与待测样品间近场距离的元件，还包括构成一条垂直光路，一条倾斜角度激发光路和至少一条近场拉曼光谱信号的倾斜角度收集光路的多个反射镜和聚光镜，以及各光学镜子的机械调节装置；所述的垂直光路既可作为激发光路，也可作为近场拉曼光谱信号的收集光路，或是同时作为激发与收集光路；构成所述的倾斜角度激发光路和倾斜角度收集光路的各光学镜子位于机械调节装置上，以调节激发光的入射角度和近场拉曼光谱信号的收集角度，并且倾斜角度收集光路中的各光学镜子及其机械调节装置位于绕测量头的中心轴旋转的机械旋转装置上，以收集不同方向的近场拉曼光谱信号；所述各条光路组合使用实现多种测量模式；所述测量头的外壳顶部设有多个接口，用于将平行激发光输入测量头和/或将各方向近场拉曼光谱信号输出测量头。作为本专利技术的一种典型方式，所述的一条垂直光路位于测量头的中心轴上，由一个高数值孔径的聚光透镜构成；所述的一条倾斜角度激发光路由用于会聚输入测量头的平行激发光的一个聚光透镜和用于改变光传播方向的一个平面反射镜构成；所述的一条近场拉曼光谱信号的倾斜角度收集光路由用于改变近场拉曼光谱信号传播方向的一个平面反射镜和收集近场拉曼光谱信号的一个聚光透镜构成；所述的三条光路上的三个聚光透镜分别位于沿各自光轴方向调节的一维位移台上，所述的两个平面反射镜分别位于三维位移调节与角度调节机械装置上，以保证激发光与收集光的焦点位于探针针尖，并且激发光入射角度和近场拉曼光谱信号的收集角度可调；所述的倾斜角度收集光路上的一个平面反射镜、一个聚光透镜及各自的机械调节装置位于绕测量头的中心轴旋转的机械旋转装置上，以沿相同方向绕测量头的中心轴旋转，从不同方向收集近场拉曼光谱信号。作为本专利技术的另一种典型方式，所述的一条垂直光路位于测量头的中心轴上，由一个高数值孔径的聚光透镜构成；所述的一条倾斜角度激发光路由用于改变输入测量头的平行激发光的传播方向的一个平面反射镜和用于会聚的一个凹球面反射镜构成；所述的一条近场拉曼光谱信号的倾斜角度收集光路由用于收集近场拉曼光谱信号的一个凹球面反射镜和用于改变近场拉曼光谱信号传播方向的一个平面反射镜构成；所述垂直光路上一个聚光透镜位于沿光轴方向调节的一维位移台上，所述倾斜角度激发光路与收集光路上的两个平面反射镜分别位于沿测量头顶部接口处的光轴方向调节的一维位移台上，两个凹球面反射镜分别位于三维位移调节与角度调节机械装置上，以保证激发光与收集光的焦点位于探针针尖，并且激发光入射角度和近场拉曼光谱信号的收集角度可调；所述的倾斜角度收集光路上的一个平面反射镜、一个凹球面反射镜及各自的机械调节装置位于绕测量头的中心轴旋转的机械旋转装置上，以分别沿相反方向绕测量头的中心轴旋转，从不同方向收集近场拉曼光谱信号。在本专利技术中，所述的无孔径金属纳米探针为悬臂式探针，所述用于测控探针与待测样品间近场距离的元件采用二极管激光器和四象限光电探测器，所述二极管激光器和四象限光电探测器分别位于二维平移台上，以保证二极管激光器的发出光入射到无孔径金属纳米探针的悬臂上，并且反射光入射到四象限光电探测器上。在本专利技术中，所述的无孔径金属纳米探针为直探针，所述用于测控探针与待测样品间近场距离的元件采用压电音叉，探针被固定在音叉上，探针针尖相对样品振动，探针针尖与样品间的相互作用通过压电材料被测量，从而测控探针与待测样品间的近场间距。在本专利技术中，所述的聚光镜为单会聚透镜、复合会聚透镜、显微物镜或者凹球面反射镜。在本专利技术中，所述测量头的底部设有高度可调的螺旋支撑腿。本专利技术所述的反射式近场拉曼光谱仪测量头，通过对激发光入射角度、近场拉曼光谱信号的收集角度以及收集方向的调节，能够对样品实现多种测量模式的近场拉曼光谱信号测量，选择最优的纳米尺度拉曼光谱信号的激发与收集条件，有效提高近场拉曼光谱信号的激发效率与收集效率，从而提高信噪比与探测灵敏度。本专利技术能够探测来自样品纳米局域空间的微弱反射近场拉曼光谱信号，可同时获得待测样品的纳米尺度形貌像、超衍射分辨率近场拉曼光谱与近场拉曼光谱线像。本专利技术采用平行光束接口，便于与各种自建拉曼谱仪或商用拉曼谱仪联合使用，可广泛用于生物、医学、化学、物理、材料等领域中的介观尺度研究。附图说明图1A为本专利技术的实施例一的测量头顶部光路接口的示意图。图1B为本专利技术的实施例一的测量头探针悬臂所在平面的光路示意图。图1C为本专利技术的实施例一的测量头与探针悬臂方向垂直的平面光路示意图。图2为本专利技术的实施例一采用垂直激发/垂直收集测量模式的光路示意图。图3为本专利技术的实施例一采用倾斜角度激发/原光路收集测量模式的光路示意图。图4为本专利技术的实施例一采用倾斜角度激发/倾斜角度收集测量模式的光路示意图。图5为本专利技术的实施例二采用倾斜角度激发/倾斜角度收集测量模式的光路示意图。具体实施例方式下面结合附图，详细描述本专利技术的两个典型实施例，但本专利技术并不限于这些实施例。本专利技术的实施例一的光路示意图如图1所示，所述的反射式近场拉曼光谱仪测量头的外壳1为圆柱筒形，测量头顶部开有6个输入或输出光接口(由标记2至7表示)。测量头内包括悬臂式无孔径金属纳米探针8，以及测控探针8与待测样品17间的近场间距的二极管激光器19和四象限光电探测器23；构成近场拉曼光谱信号的激发与收集光路的第一聚光透镜9、第二聚光透镜10、第三聚光透镜11、第一平面反射镜12和第二平面反射镜13。悬臂式无孔径金属纳米探针8为金属弯针、原子力显本文档来自技高网...
【技术保护点】
反射式近场拉曼光谱仪测量头，具有外壳，容纳在外壳中的无孔径金属纳米探针，以及用于测控探针与待测样品间近场距离的元件，其特征在于：所述测量头还包括构成一条垂直光路，一条倾斜角度激发光路和至少一条近场拉曼光谱信号的倾斜角度收集光路的多个反射镜和聚光镜，以及各光学镜子的机械调节装置；所述的垂直光路既可作为激发光路，也可作为近场拉曼光谱信号的收集光路，或是同时作为激发与收集光路；构成所述的倾斜角度激发光路和倾斜角度收集光路的各光学镜子位于机械调节装置上，以调节激发光的入射角度和近场拉曼光谱信号的收集角度，并且倾斜角度收集光路中的各光学镜子及其机械调节装置位于绕测量头的中心轴旋转的机械旋转装置上，以收集不同方向的近场拉曼光谱信号；所述各条光路组合使用实现多种测量模式；所述测量头的外壳顶部设有多个接口，用于将平行激发光输入测量头和／或将各方向近场拉曼光谱信号输出测量头。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：王佳，许吉英，吴晓斌，王瑞，王阳，田芊，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]
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