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利用高功率超连续谱光源的红外显微技术
神科仪购网/SNKOO-eGo / 2019-07-18

传统的红外(IR)显微镜基于具有极低亮度的非相干热红外光源,或基于同步辐射的复杂光源。基于非相干热源的红外显微镜的空间分辨率由放置在光源前面的限制孔确定,要提高空间分辨率就需减小孔径,这样可用于成像的光量也会大大减小,采光时间也会延长。因此需要更强烈和空间相干的光源,例如同步辐射光源,但此光源价格高,使用起来也比较复杂。用于增加空间分辨率的更广泛的方法基于衰减的全内反射技术,但是这种技术只适用于固体样品,对于生物材料和嵌入液体中的细胞材料的成像并不适用。为此,本文介绍一种利用红外超连续谱(IRSC)光源的高分辨率非接触红外显微镜。

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图 1 (a)是IR显微镜的装置图;(b)是从ZBLAN光纤中输出的超连续谱,红线表示激光器的泵浦波长,绿线表示光纤的零色散波长。

使用皮秒光纤激光器,重复频率40MHz,波长1900nm,脉冲能量为16nJ。ZBLAN光纤的芯径为7.0μm,数值孔径NA=0.2。波长大于1.8μm时,为单模传输。零色散波长(ZDW)近似为1.6μm。如图1b所示,产生的SC范围从1.4μm到4.0μm。在3.5μm的光谱密度对应的光谱亮度为300KW/(nmm2sr)。从光纤中输出的SC用非球面ZnSe透镜(焦距f=6mm,数值孔径NA=0.25)准直,然后再用与前一透镜相同两个的非球面ZnSe透镜对准直光进行聚焦和重新定焦,两个透镜之间的焦点决定了显微镜的分辨率。样品夹在两个2mm厚的CaF2窗口之间,样品厚度~25μm。将样品置于焦点处,通过电动XYZ平台以1μm的精度控制其位置。透过样品的光通过焦距为15cm的ZnSe透镜被聚焦在单色仪的入口狭缝处。单色仪的光谱分辨率为2nm,并且通过3000nm长通滤波器避免二阶伪影。用PbSe探测器探测信号,在单个波长下对样品进行二维光栅扫描,从而获得该波长处的相对透射量。

首先,以纯橄榄油为原料,对其化学特性进行了研究。在没有间隔物的情况下组装样品,以避免吸光度的饱和。通过扫描单色仪来测量波长相关的吸光度,并得到所获光谱与不加样品的光谱的对数比。图2比较了这种吸收光谱与4μm厚油样的FTIR吸收光谱,其中蓝/红线分别代表4μm厚的水和油样品的红外吸收光谱,点线代表通过扫描光栅和使用IRSC光源制成的油的吸光度谱。

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图 2蓝/红色曲线分别为4μm厚水样和油样的FTIR吸收光谱。圆点为用光栅扫描和红外SC源制作的油品吸光度谱。

其次,用含有油/水混合物的样品对空间分辨率和化学特性进行研究。图3(a)是用光学显微镜制成的样品油/水混合物的图片。可以看到有三个区域:一个圆形结构在中间,一个在上面,一个在下面。图3(b)和(c)分别是在3.05μm和3.50μm处测量的样品的IR图像,两波长对应于水和油中的高吸收波长。图像的蓝色部分表示高吸收,红色部分表示低吸收。图像尺寸为300μm×375μm,每个像素为5μm×5μm。图3(b)显示了吸水率,可以清楚看到图片上部有很高的吸收,说明该区域中存在水。图3(c)显示了吸油量,可以看到图片下部有很高的吸收,说明这是油。

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图 3 (a)用光学显微镜制作的油/水混合物样品图片。(b)和(c)分别在3.05μm和3.50μm处测量的样品的红外图像,分别对应于水和油的高吸收波长。蓝色表示高吸收,红色表示低吸收。图像尺寸为300μm×375μm,每个像素点为5μm×5μm。

在普通的IR显微镜中,空间分辨率由与物镜结合的孔径确定。但在上文装置中,没有使用光圈,因此空间分辨率完全由聚焦光的光斑尺寸决定。1/e2光斑尺寸的理论研究显示在图4的右侧部分,计算结果是通过使用ABCD矩阵和传播规律模拟从光纤中输出的高斯模式的传输来确定的。用ZBLAN光纤的波长相关模式场作为起始光束,可以通过使用有限元软件包找到,该软件包包括光纤的几何形状和ZBLAN的波长相关折射率(参见图4中的插图)。此外,通过使用波长相关的折射率来考虑物镜的色差,通过使用反射光学器件可以避免色差。计算表明,最小光束半径以及焦距是波长相关的。因此在理论上,光纤模式直径是空间分辨率的重要参数,选择具有更高数值孔径的光纤,可在红外显微镜中获得更好的空间分辨率。

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图 4在红外显微镜的腰部区域的测量和计算的光斑尺寸。

图4的左侧部分是用刀刃法(the knife edge method)测量的三种不同波长的光斑尺寸。数据显示了模型预测的焦距和最小光斑尺寸的波长相关变化。在2.8μm和3.8μm处,最小被测光束半径分别为16μm和12μm。这与计算结果一致,即使对于不同波长的最小光束半径不重合,焦点处的合光束半径仍然具有约17μm的最小值。这也可以通过将图3中的油/空气和水/空气界面视为刀刃来确定分辨率的估计值。这样,可以分别获得在35μm和25μm处的吸水图像和吸油图像的分辨率。分辨率略低于IRSC的束腰限制,可能是因为样品相对于显微镜的焦点有很小的位移。将基于光纤的SC源聚焦到小区域,同时保持其高亮度和宽光谱的能力是至关重要的,这样可以在高空间分辨率测量中实现更快的光栅扫描。

总之,基于光泵浦ZBLAN光纤的高亮度宽光谱红外超连续光源非常适合高分辨率红外显微镜。随着高功率光纤激光器和红外光纤新材料的发展,基于超连续谱光源的红外显微技术将在可见光、相干和非相干拉曼显微镜中得到广泛应用。

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