共焦布里渊光谱探测系统通过测量样品微区声学声子的属性, 对被测材料的机械性能进行表征^{[1, 2, 3, 4]}。 由于其具有非接触、 高空间分辨等优点, 在生物医学检测^{[5, 6]}、 材料科学^[7]、 物理化学等领域中被广泛应用^{[8, 9]}。 由于弹性散射光比布里渊散射光强几个数量级, 在没有充分抑制弹性散射光的情况下, 其残余分量会与布里渊光谱发生重叠, 难以实现布里渊光谱的精确测量^{[10, 11, 12, 13]}。 此外, 传统的共焦布里渊光谱探测系统进行高空间分辨层析探测是通过高数值孔径物镜实现^[14], 导致共焦布里渊光谱探测系统的工作距离及层析深度被严重限制, 这就意味着共焦布里渊光谱探测系统只能对薄样品才能进行高空间分辨光谱探测。 因此, 上述问题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成像领域中的应用, 同时也对传统的共焦布里渊光谱探测系统提出了更高的要求。

为降低弹性散射光对布里渊散射光的干扰, 实现布里渊光谱高精度测量, 众多学者开展了具有重要价值的研究工作。 Giuliano Scarcelli等通过将级联虚拟成像相位阵列与空间掩膜板相结合, 大幅降低了弹性散射与布里渊散射之间的串扰, 提高了系统的消光比, 但该方法也在很大程度上降低了布里渊光谱信号强度^[10]; Meng等通过在收集光路中加入分子吸收室, 利用分子吸收技术有效地滤除了弹性散射光, 但该方法仅对特定波长的激发光有效, 而且对光源的稳定性要求极高^[11]; Shao等开发了一种基于自由空间FP标准具的窄带光谱陷波滤波器, 有效地抑制了弹性散射光, 但该仪器的消光比较低且调节困难^[13]。 因此, 如何降低弹性散射光对布里渊散射光的干扰仍然是目前研究的热点问题。

在提高共焦布里渊光谱探测系统轴向分辨力以及层析能力方面, Giuliano Scarcelli等通过增加物镜的数值孔径, 提高了共焦布里渊光谱探测系统的层析探测能力, 但物镜的工作距离也限制了其层析深度^[14]。 Sheldon等通过选择性双光子聚合技术, 利用胶原纤维在飞秒激光作用下发生交联的现象, 提高了共焦布里渊光谱探测系统的空间分辨力, 但该方法过于依赖材料的性质, 难以应用于其他领域中^[6]。 Meng等采用表面增强布里渊光谱大幅提高了共焦布里渊光谱探测系统的空间分辨力, 使布里渊光谱成像的空间分辨力达到了亚微米级别, 但该方法只能应用于表面光谱测量, 无法实现层析探测^[15]。 因此, 如何在传统的共焦布里渊光谱探测系统光路的基础上提高共焦布里渊光谱探测系统的轴向分辨力以及层析能力仍有待进一步研究。

针对改善共焦布里渊光谱探测系统的抗弹性散射能力、 轴向分辨力以及层析能力等问题, 构建一种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, 有效减少弹性散射对布里渊散射的干扰, 提高共焦布里渊光谱探测系统的抗弹性散射能力, 并通过D形光瞳对照明点扩散函数与收集点扩散函数进行调制, 在轴向上实现三维点扩散函数的压缩, 进而达到提高共焦布里渊光谱探测系统轴向分辨力以及层析能力的效果。

D形分光瞳共焦布里渊光谱探测系统的测量原理如图1所示, 激光器出射的激光经过扩束器、 波片及起偏器后, 被具有D形光瞳的物镜会聚在样品处, 激发出的布里渊散射光通过具有D形光瞳的物镜收集, 经过反射镜反射后, 通过检偏器、 透镜与针孔会聚进入布里渊光谱探测系统中。 由于照明光路与收集光路之间不存在重叠, 消除了背向散射, 有效减少了弹性散射对布里渊散射的干扰。 其中, 光瞳参数d定义为D形光瞳直边与物镜中心之间的归一化距离。

图1

Fig.1

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	图1 D形分光瞳共焦布里渊光谱探测系统原理图Fig.1 Schematic of the D-shaped divided aperture confocal Brillouin microscopy (DDACBM)

根据布里渊散射光的相干性, D形分光瞳共焦布里渊光谱探测系统的点扩散函数可以由式(1)计算得到

IB(vx, vy, u, vp)=∫02π∫0vp|hi(vx, vy, u)×hc(vx, vy, u, r, φ)|2drdφ(1)hi(vx, vy, u)=∫∫D1Pi(ρ, θ, u)exp[-i(vxρcosθ+vyρsinθ)]ρdρdθ(2)hc(vx, vy, u, r, φ)=∫∫D2Pc(ρ, θ, u)exp{-i[ρcosθ(vx+rcosφ)+ρsinθ(vy+rsinφ)]}ρdρdθ(3)D1:sin-1d< θ< π-sin-1d, dsinθ< ρ< 1; D2:π+sin-1d< θ< 2π-sin-1d, dsin(θ-π)< ρ< 1(4)

其中, I_B(v_x, v_y, u, v_p)为系统所探测的布里渊光谱强度响应, h_i(v_x, v_y, u)与h_c(v_x, v_y, u, r, φ )分别为照明光路的振幅点扩散函数与收集光路的振幅点扩散函数, P_i(ρ , θ , u)为照明光路离焦光瞳函数, P_c(ρ , θ , u)为收集光路离焦光瞳函数, (v_x, v_y, u)分别为物方(x, y, z)方向的归一化坐标, 其大小为(v_x, v_y)=2π (x, y)sinα _o/λ, u=8π zsin²(α _o/2)/λ, v_p为探测区域归一化半径, 其大小v_p=2π Rsinα _c/λ; R为探测区域的物理半径; sinα _o为物镜的有效数值孔径, sinα _c为透镜1的有效数值孔径; λ为激光波长; r和φ 为极坐标下探测区域的归一化坐标, ρ 和θ 为极坐标系下归一化的光瞳坐标; D₁为照明光瞳区域, D₂为收集光瞳区域, d为光瞳参数。

为保证共焦布里渊光谱探测系统的探测灵敏度, 现有的共焦布里渊光谱探测系统的针孔归一化半径通常选择为百微米量级左右, 因而严重降低了系统的轴向分辨力与层析能力, D形分光瞳共焦布里渊光谱探测系统可以对此进行有效改善。 图2给出在针孔半径尺寸为100 μm, 532 nm激发波长下, 物镜数值孔径NA=0.8的情况下, 不同光瞳参数对应的D形分光瞳共焦布里渊光谱探测系统以及共焦布里渊光谱探测系统所对应的布里渊光谱轴向强度响应曲线。 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轴向强度响应曲线的半高宽均有不同程度的减小, 因而光谱轴向分辨力得到改善, 而且D形分光瞳共焦布里渊光谱探测系统的离焦信号强度下降得更快, 离焦面光谱信息对焦平面光谱信息的干扰减少, 层析能力得以改善。

图2

Fig.2

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	图2 共焦布里渊光谱探测系统与D形分光瞳共焦布里渊光谱探测系统光谱轴向强度响应曲线对比Fig.2 Comparison of spectral axial intensity response curves between confocal Brillouin microscopy (CBM) and DDACBM

图3给出了532 nm激发波长下, 物镜数值孔径NA=0.8的情况下, D形分光瞳共焦布里渊光谱探测系统轴向曲线半高宽与光瞳参数d之间的关系, 当光瞳参数d=0.27时, 其轴向半高宽达到最小值1.137 μm, 相比于共焦布里渊光谱探测系统的轴向半高宽1.679 μm, D形分光瞳共焦布里渊光谱探测系统可以提升共焦布里渊光谱探测系统的轴向分辨力32.3%左右。

图3

Fig.3

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	图3 光瞳参数对D形分光瞳共焦布里渊光谱探测系统轴向分辨力的影响Fig.3 The relationship between pupil parameter and spectral axial resolution of DDACBM

通过以上仿真可以看出, D形分光瞳共焦布里渊光谱探测系统显著提高了传统共焦布里渊光谱探测系统的轴向分辨力以及层析能力。

依据图1所示的原理构建了D形分光瞳共焦布里渊光谱探测系统的实验验证装置。 激光器采用波长λ为532 nm的高功率光学泵浦半导体激光器; 光瞳参数选择为d=0.27; 针孔半径选择为r=100 μm; 布里渊光谱探测系统采用瑞士JRS公司串联多通道FP干涉仪。

首先采用溶有咖啡奶油的二甲基亚砜溶液作为被测样品, 由于咖啡奶油样品的弹性散射强, 可用来说明D形分光瞳共焦布里渊光谱探测系统对于共焦布里渊光谱探测系统在抗弹性散射方面的有效性, 布里渊光谱测试结果如图4所示。

图4

Fig.4

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	图4 抗弹性散射能力对比 (a): 共焦布里渊光谱探测系统的光谱测量结果; (b): D形分光瞳共焦布里渊光谱探测系统的光谱测量结果Fig.4 Comparison of anti-elastic scattering ability (a): Spectral measurement results of CBM; (b): Spectral measurement results of DDACBM

从图4可以看出, 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所探测到的弹性散射强度明显降低, 弹性散射展宽宽度明显减小, 因而D形分光瞳共焦布里渊光谱探测系统具备良好的抗弹性散射干扰能力, 这是D形分光瞳共焦布里渊光谱探测系统消除共焦布里渊光谱探测系统中背向散射的结果。 其中, 共焦布里渊光谱探测系统测得的纵向声子波LA频移为(8.16±0.01) GHz; D形分光瞳共焦布里渊光谱探测系统测得的LA频移为(7.64±0.01)GHz, 通过布里渊频移公式可得D形分光瞳共焦布里渊光谱探测系统的散射角约为139° 。

为验证D形分光瞳共焦布里渊光谱探测系统相对于共焦布里渊光谱探测系统在轴向分辨能力上的提升, 采用单晶硅作为被测样品进行轴向光谱测试。 将光斑聚焦在单晶硅表面附近, 从上至下进行轴向光谱扫描, 并通过对每一个轴向位置的布里渊光谱曲线进行洛伦兹拟合, 得到其对应的谱峰面积, 进而得到共焦布里渊光谱探测系统与D形分光瞳共焦布里渊光谱探测系统的实测布里渊光谱轴向强度响应曲线, 测试结果如图5所示。

图5

Fig.5

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	图5 共焦布里渊光谱探测系统与D形分光瞳共焦布里渊光谱探测系统实测光谱轴向强度响应曲线对比Fig.5 Comparison of measured axial intensity response curves between CBM and DDACBM

从图5可以看出, 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轴向响应变化更快, 光谱信号对于轴向位置的变化更加灵敏, 因此D形分光瞳共焦布里渊光谱探测系统的轴向分辨本领更强。 D形分光瞳共焦布里渊光谱探测系统与共焦布里渊光谱探测系统的轴向强度响应曲线半高宽分别为1.045与1.657 μm, 轴向分辨力提高约36.9%。

为验证D形分光瞳共焦布里渊光谱探测系统相对于共焦布里渊光谱探测系统在层析能力上的提升, 采用双层样品进行轴向测试, 该样品由两部分组成: SiO₂基底以及PMMA薄层, 将光斑聚焦在SiO₂与PMMA界面附近, 在轴向不同位置处进行布里渊光谱采集, 测试结果如图6所示。 可以看出, 当共焦布里渊光谱探测系统的光斑聚焦在PMMA层时, 会探测到较强的SiO₂光谱, 而光斑聚焦在SiO₂层时, 也会探测到较强的PMMA光谱, 这是由于共焦布里渊光谱探测系统的聚焦光斑焦深较长, 不同层之间的布里渊光谱会发生串扰混叠, 因此通过光谱数据难以判断当前的焦斑位置以及材料信息, 而D形分光瞳共焦布里渊光谱探测系统减少了有效焦深的长度, 去除了离焦层光谱信息的干扰。

图6

Fig.6

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	图6 层析能力对比 (a): 不同轴向位置的光斑分布; (b): 共焦布里渊光谱探测系统的布里渊光谱; (c): D形分光瞳共焦布里渊光谱探测系统在的布里渊光谱Fig.6 Comparison of tomography ability (a): Spot distributions at different axial positions; (b): Brillouin spectra of CBM; (c): Brillouin spectra of DDACBM

为对D形分光瞳共焦布里渊光谱探测系统与共焦布里渊光谱探测系统的层析能力作进一步说明, 我们利用三层样品进行x-z方向光谱层析扫描成像, 其材料分别为PMMA、 硅胶以及PMMA, 其中, 中间层硅胶厚度为55 μm, 设置光谱扫描点数为32×16, 步距为10 μm, 并利用中间层硅胶的布里渊光谱谱峰面积对样品进行成像, 结果如图7所示。

图7

Fig.7

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	图7 层析成像对比 (a): 显微镜下的样品图; (b): D形分光瞳共焦布里渊光谱探测系统层析成像结果; (c): 共焦布里渊光谱探测系统层析成像结果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

图7(a)为激光共焦显微镜(Olympus OLS 4000)下多层样品的截面图像, 图7(b)与图7(c)分别为D形分光瞳共焦布里渊光谱探测系统与共焦布里渊光谱探测系统的光谱层析成像结果。 可以看出, 共焦布里渊光谱探测系统成像结果的边缘较D形分光瞳共焦布里渊光谱探测系统更加模糊, 硅胶光谱存在的范围更大, 这是由于共焦布里渊光谱探测系统中离焦光谱信息对焦平面处的光谱信息干扰较强, 即使其焦点位于距离硅胶较远位置处仍然会收集到硅胶的光谱信息, 因而难以确定硅胶具体范围; 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有效去除了离焦面散射光对焦平面散射光的影响, 大幅提高了系统信噪比, 其成像的边缘轮廓更加清晰, 硅胶分布范围也更加接近于实际范围, 由此可见, 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层析能力得到大幅提升。

构建了一种D形分光瞳共焦布里渊光谱探测系统, 有效减少弹性散射对布里渊散射的干扰, 提高共焦布里渊光谱探测系统的抗弹性散射能力, 并在轴向上实现三维点扩散函数的压缩, 达到提高共焦布里渊光谱探测系统轴向分辨力以及层析能力的效果。 相比于传统的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以及光学层析能力大幅提升, 轴向分辨力提高了30%以上, D形分光瞳共焦布里渊光谱探测系统为共焦布里渊光谱探测系统改善抗弹性散射能力、 轴向分辨力以及层析能力提供了一种全新的技术途径。