D形分光瞳共焦布里淵光譜探測系統

吳寒旭，寧 瑩，邱麗榮，王 允，趙維謙

北京理工大學光電學院精密光電測試儀器及技術北京市重點實驗室，北京 100081

引 言

共焦布里淵光譜探測系統通過測量樣品微區聲學聲子的屬性，對被測材料的機械性能進行表征[1-4]。由于其具有非接觸、高空間分辨等優點，在生物醫學檢測[5-6]、材料科學[7]、物理化學等領域中被廣泛應用[8-9]。由于彈性散射光比布里淵散射光強幾個數量級，在沒有充分抑制彈性散射光的情況下，其殘余分量會與布里淵光譜發生重疊，難以實現布里淵光譜的精確測量[10-13]。此外，傳統的共焦布里淵光譜探測系統進行高空間分辨層析探測是通過高數值孔徑物鏡實現[14]，導致共焦布里淵光譜探測系統的工作距離及層析深度被嚴重限制，這就意味著共焦布里淵光譜探測系統只能對薄樣品才能進行高空間分辨光譜探測。因此，上述問題限制了共焦布里淵光譜探測系統在高散射樣品以及長工作距離成像領域中的應用，同時也對傳統的共焦布里淵光譜探測系統提出了更高的要求。

為降低彈性散射光對布里淵散射光的干擾，實現布里淵光譜高精度測量，眾多學者開展了具有重要價值的研究工作。Giuliano Scarcelli等通過將級聯虛擬成像相位陣列與空間掩膜板相結合，大幅降低了彈性散射與布里淵散射之間的串擾，提高了系統的消光比，但該方法也在很大程度上降低了布里淵光譜信號強度[10]；Meng等通過在收集光路中加入分子吸收室，利用分子吸收技術有效地濾除了彈性散射光，但該方法僅對特定波長的激發光有效，而且對光源的穩定性要求極高[11]；Shao等開發了一種基于自由空間FP標準具的窄帶光譜陷波濾波器，有效地抑制了彈性散射光，但該儀器的消光比較低且調節困難[13]。因此，如何降低彈性散射光對布里淵散射光的干擾仍然是目前研究的熱點問題。

在提高共焦布里淵光譜探測系統軸向分辨力以及層析能力方面，Giuliano Scarcelli等通過增加物鏡的數值孔徑，提高了共焦布里淵光譜探測系統的層析探測能力，但物鏡的工作距離也限制了其層析深度[14]。Sheldon等通過選擇性雙光子聚合技術，利用膠原纖維在飛秒激光作用下發生交聯的現象，提高了共焦布里淵光譜探測系統的空間分辨力，但該方法過于依賴材料的性質，難以應用于其他領域中[6]。Meng等采用表面增強布里淵光譜大幅提高了共焦布里淵光譜探測系統的空間分辨力，使布里淵光譜成像的空間分辨力達到了亞微米級別，但該方法只能應用于表面光譜測量，無法實現層析探測[15]。因此，如何在傳統的共焦布里淵光譜探測系統光路的基礎上提高共焦布里淵光譜探測系統的軸向分辨力以及層析能力仍有待進一步研究。

針對改善共焦布里淵光譜探測系統的抗彈性散射能力、軸向分辨力以及層析能力等問題，構建一種D形分光瞳共焦布里淵光譜探測系統，該系統通過側向照明與側向收集的方式消除背向散射，有效減少彈性散射對布里淵散射的干擾，提高共焦布里淵光譜探測系統的抗彈性散射能力，并通過D形光瞳對照明點擴散函數與收集點擴散函數進行調制，在軸向上實現三維點擴散函數的壓縮，進而達到提高共焦布里淵光譜探測系統軸向分辨力以及層析能力的效果。

1 原理與仿真

D形分光瞳共焦布里淵光譜探測系統的測量原理如圖1所示，激光器出射的激光經過擴束器、波片及起偏器后，被具有D形光瞳的物鏡會聚在樣品處，激發出的布里淵散射光通過具有D形光瞳的物鏡收集，經過反射鏡反射后，通過檢偏器、透鏡與針孔會聚進入布里淵光譜探測系統中。由于照明光路與收集光路之間不存在重疊，消除了背向散射，有效減少了彈性散射對布里淵散射的干擾。其中，光瞳參數d定義為D形光瞳直邊與物鏡中心之間的歸一化距離。

圖1 D形分光瞳共焦布里淵光譜探測系統原理圖Fig.1 Schematic of the D-shaped divided aperture confocal Brillouin microscopy (DDACBM)

根據布里淵散射光的相干性，D形分光瞳共焦布里淵光譜探測系統的點擴散函數可以由式(1)計算得到

hc(vx,vy,u,r,φ)|2drdφ

(1)

vyρsinθ)]ρdρdθ

(2)

rcosφ)+ρsinθ(vy+rsinφ)]}ρdρdθ

(3)

(4)

其中，IB(vx,vy,u,vp)為系統所探測的布里淵光譜強度響應，hi(vx,vy,u)與hc(vx,vy,u,r,φ)分別為照明光路的振幅點擴散函數與收集光路的振幅點擴散函數，Pi(ρ,θ,u)為照明光路離焦光瞳函數，Pc(ρ,θ,u)為收集光路離焦光瞳函數，(vx,vy,u)分別為物方(x,y,z)方向的歸一化坐標，其大小為(vx,vy)=2π(x,y)sinαo/λ,u=8πzsin2(αo/2)/λ,vp為探測區域歸一化半徑，其大小vp=2πRsinαc/λ；R為探測區域的物理半徑；sinαo為物鏡的有效數值孔徑，sinαc為透鏡1的有效數值孔徑；λ為激光波長；r和φ為極坐標下探測區域的歸一化坐標，ρ和θ為極坐標系下歸一化的光瞳坐標；D1為照明光瞳區域，D2為收集光瞳區域，d為光瞳參數。

為保證共焦布里淵光譜探測系統的探測靈敏度，現有的共焦布里淵光譜探測系統的針孔歸一化半徑通常選擇為百微米量級左右，因而嚴重降低了系統的軸向分辨力與層析能力，D形分光瞳共焦布里淵光譜探測系統可以對此進行有效改善。圖2給出在針孔半徑尺寸為100 μm，532 nm激發波長下，物鏡數值孔徑NA=0.8的情況下，不同光瞳參數對應的D形分光瞳共焦布里淵光譜探測系統以及共焦布里淵光譜探測系統所對應的布里淵光譜軸向強度響應曲線。相比于共焦布里淵光譜探測系統，D形分光瞳共焦布里淵光譜探測系統的軸向強度響應曲線的半高寬均有不同程度的減小，因而光譜軸向分辨力得到改善，而且D形分光瞳共焦布里淵光譜探測系統的離焦信號強度下降得更快，離焦面光譜信息對焦平面光譜信息的干擾減少，層析能力得以改善。

圖2 共焦布里淵光譜探測系統與D形分光瞳共焦布里淵光譜探測系統光譜軸向強度響應曲線對比Fig.2 Comparison of spectral axial intensity response curves between confocal Brillouin microscopy (CBM) and DDACBM

圖3給出了532 nm激發波長下，物鏡數值孔徑NA=0.8的情況下，D形分光瞳共焦布里淵光譜探測系統軸向曲線半高寬與光瞳參數d之間的關系，當光瞳參數d=0.27時，其軸向半高寬達到最小值1.137 μm，相比于共焦布里淵光譜探測系統的軸向半高寬1.679 μm，D形分光瞳共焦布里淵光譜探測系統可以提升共焦布里淵光譜探測系統的軸向分辨力32.3%左右。

圖3 光瞳參數對D形分光瞳共焦布里淵光譜探測系統軸向分辨力的影響Fig.3 The relationship between pupil parameter and spectral axial resolution of DDACBM

通過以上仿真可以看出，D形分光瞳共焦布里淵光譜探測系統顯著提高了傳統共焦布里淵光譜探測系統的軸向分辨力以及層析能力。

2 實驗與結果討論

依據圖1所示的原理構建了D形分光瞳共焦布里淵光譜探測系統的實驗驗證裝置。激光器采用波長λ為532 nm的高功率光學泵浦半導體激光器；光瞳參數選擇為d=0.27；針孔半徑選擇為r=100 μm；布里淵光譜探測系統采用瑞士JRS公司串聯多通道FP干涉儀。

首先采用溶有咖啡奶油的二甲基亞砜溶液作為被測樣品，由于咖啡奶油樣品的彈性散射強，可用來說明D形分光瞳共焦布里淵光譜探測系統對于共焦布里淵光譜探測系統在抗彈性散射方面的有效性，布里淵光譜測試結果如圖4所示。

從圖4可以看出，相比于共焦布里淵光譜探測系統，D形分光瞳共焦布里淵光譜探測系統所探測到的彈性散射強度明顯降低，彈性散射展寬寬度明顯減小，因而D形分光瞳共焦布里淵光譜探測系統具備良好的抗彈性散射干擾能力，這是D形分光瞳共焦布里淵光譜探測系統消除共焦布里淵光譜探測系統中背向散射的結果。其中，共焦布里淵光譜探測系統測得的縱向聲子波LA頻移為(8.16±0.01) GHz；D形分光瞳共焦布里淵光譜探測系統測得的LA頻移為(7.64±0.01)GHz，通過布里淵頻移公式可得D形分光瞳共焦布里淵光譜探測系統的散射角約為139°。

為驗證D形分光瞳共焦布里淵光譜探測系統相對于共焦布里淵光譜探測系統在軸向分辨能力上的提升，采用單晶硅作為被測樣品進行軸向光譜測試。將光斑聚焦在單晶硅表面附近，從上至下進行軸向光譜掃描，并通過對每一個軸向位置的布里淵光譜曲線進行洛倫茲擬合，得到其對應的譜峰面積，進而得到共焦布里淵光譜探測系統與D形分光瞳共焦布里淵光譜探測系統的實測布里淵光譜軸向強度響應曲線，測試結果如圖5所示。

圖4 抗彈性散射能力對比(a)：共焦布里淵光譜探測系統的光譜測量結果； (b):D形分光瞳共焦布里淵光譜探測系統的光譜測量結果Fig.4 Comparison of anti-elastic scattering ability(a):Spectral measurement results of CBM; (b):Spectral measurement results of DDACBM

圖5 共焦布里淵光譜探測系統與D形分光瞳共焦布里淵光譜探測系統實測光譜軸向強度響應曲線對比Fig.5 Comparison of measured axial intensity response curves between CBM and DDACBM

從圖5可以看出，相比于共焦布里淵光譜探測系統，D形分光瞳共焦布里淵光譜探測系統的軸向響應變化更快，光譜信號對于軸向位置的變化更加靈敏，因此D形分光瞳共焦布里淵光譜探測系統的軸向分辨本領更強。D形分光瞳共焦布里淵光譜探測系統與共焦布里淵光譜探測系統的軸向強度響應曲線半高寬分別為1.045與1.657 μm，軸向分辨力提高約36.9%。

為驗證D形分光瞳共焦布里淵光譜探測系統相對于共焦布里淵光譜探測系統在層析能力上的提升，采用雙層樣品進行軸向測試，該樣品由兩部分組成：SiO2基底以及PMMA薄層，將光斑聚焦在SiO2與PMMA界面附近，在軸向不同位置處進行布里淵光譜采集，測試結果如圖6所示?？梢钥闯?，當共焦布里淵光譜探測系統的光斑聚焦在PMMA層時，會探測到較強的SiO2光譜，而光斑聚焦在SiO2層時，也會探測到較強的PMMA光譜，這是由于共焦布里淵光譜探測系統的聚焦光斑焦深較長，不同層之間的布里淵光譜會發生串擾混疊，因此通過光譜數據難以判斷當前的焦斑位置以及材料信息，而D形分光瞳共焦布里淵光譜探測系統減少了有效焦深的長度，去除了離焦層光譜信息的干擾。

圖6 層析能力對比(a):不同軸向位置的光斑分布;(b):共焦布里淵光譜探測系統的布里淵光譜;(c):D形分光瞳共焦布里淵光譜探測系統在的布里淵光譜Fig.6 Comparison of tomography ability(a):Spot distributions at different axial positions;(b):Brillouin spectra of CBM;(c):Brillouin spectra of DDACBM

圖7 層析成像對比(a)：顯微鏡下的樣品圖；(b)：D形分光瞳共焦布里淵光譜探測系統層析成像結果；(c):共焦布里淵光譜探測系統層析成像結果Fig.7 Comparison of tomographic imagings(a):Image of the sample under a microscope;(b):Tomographic imaging result of DDCBM;(c):Tomographic imaging result of CBM

為對D形分光瞳共焦布里淵光譜探測系統與共焦布里淵光譜探測系統的層析能力作進一步說明，我們利用三層樣品進行x-z方向光譜層析掃描成像，其材料分別為PMMA、硅膠以及PMMA，其中，中間層硅膠厚度為55 μm，設置光譜掃描點數為32×16，步距為10 μm，并利用中間層硅膠的布里淵光譜譜峰面積對樣品進行成像，結果如圖7所示。

圖7(a)為激光共焦顯微鏡(Olympus OLS 4000)下多層樣品的截面圖像，圖7(b)與圖7(c)分別為D形分光瞳共焦布里淵光譜探測系統與共焦布里淵光譜探測系統的光譜層析成像結果?？梢钥闯?，共焦布里淵光譜探測系統成像結果的邊緣較D形分光瞳共焦布里淵光譜探測系統更加模糊，硅膠光譜存在的范圍更大，這是由于共焦布里淵光譜探測系統中離焦光譜信息對焦平面處的光譜信息干擾較強，即使其焦點位于距離硅膠較遠位置處仍然會收集到硅膠的光譜信息，因而難以確定硅膠具體范圍；相比于共焦布里淵光譜探測系統，D形分光瞳共焦布里淵光譜探測系統有效去除了離焦面散射光對焦平面散射光的影響，大幅提高了系統信噪比，其成像的邊緣輪廓更加清晰，硅膠分布范圍也更加接近于實際范圍，由此可見，相比于共焦布里淵光譜探測系統，D形分光瞳共焦布里淵光譜探測系統的層析能力得到大幅提升。

3 結 論

構建了一種D形分光瞳共焦布里淵光譜探測系統，有效減少彈性散射對布里淵散射的干擾，提高共焦布里淵光譜探測系統的抗彈性散射能力，并在軸向上實現三維點擴散函數的壓縮，達到提高共焦布里淵光譜探測系統軸向分辨力以及層析能力的效果。相比于傳統的共焦布里淵光譜探測系統，D形分光瞳共焦布里淵光譜探測系統的抗彈性散射能力以及光學層析能力大幅提升，軸向分辨力提高了30%以上，D形分光瞳共焦布里淵光譜探測系統為共焦布里淵光譜探測系統改善抗彈性散射能力、軸向分辨力以及層析能力提供了一種全新的技術途徑。