高稳定性反射式微区拉曼光谱测量技术研究

摘要

拉曼光谱分析技术是纳米新材料领域的重要分析手段，其中，微区共焦拉曼光谱技术作为拉曼光谱分析技术的一个重要研究方向，不仅具有拉曼光谱技术的优点，还具有显微系统对样品表面微小区域实时成像的功能，更具备采集该区域内待测样品(200-1200) nm波段范围内拉曼信号的能力。论文旨在研制与构建一套高稳定性反射式微区拉曼光谱测量系统装置，将微区共焦拉曼光谱技术与差动共焦显微技术联用，实现纳米级的精确定位、微米级的定位行程及长时间稳定在焦点的拉曼光谱探测。 首先，论文对国内外现有的拉曼光谱技术及差动共焦显微技术展开调研，分析了各种拉曼光谱技术的原理，对比各种拉曼光谱技术在其相关应用领域的优缺点。在此基础上，论文采用微区共焦拉曼光谱技术设计了一套微区共焦拉曼光谱探测系统，融合光纤单透镜空间耦合技术实现微区拉曼光谱探测，并通过斯涅尔定律计算的结果消除光纤引入的角度误差。在表面形貌测量领域中，描述了差动共焦显微技术的原理，利用该技术的轴向响应特性构建了差动共焦测量系统，采用反馈控制技术实现了1.25nm精度的定位功能，400μm范围的定位行程，测量过程中保持聚焦光斑长时间稳定在焦平面。 其次，为了能够在焦点位置处更快地激发物质的拉曼散射信号，论文将微区共焦拉曼光谱探测系统与差动共焦测量系统联用，研制并构建了一套高稳定性反射式微区拉曼光谱测量系统装置，实现了焦点处拉曼光谱测量。使用该装置开展了无机物样品的光谱测量实验，分析了纯物质硫和单壁碳纳米管等无机物样品的最优测量条件。重复性测量实验结果表明纯物质硫在激发光为532nm、功率大于4mW时，选取光栅密度为1800线/mm，光谱积分时间为1s，可探测到高信噪比的拉曼光谱图像。单壁碳纳米管在激发光为532nm、功率为1mW时，选取光栅密度为1200线/mm，光谱积分时间为20s，可以探测到该样品在1581.05cm-1和2681.06cm-1拉曼频移处明显的特征峰，得到完整的拉曼谱线。为了增强单壁碳纳米管的拉曼光谱信号，将盖玻片基底换成纳米金增强基底进行了测量实验，实验结果表明得到单壁碳纳米管拉曼特征峰处的光强提高了1.8倍。 最后，为了验证反射式微区拉曼光谱测量系统装置的稳定性，进行了多次单点定焦测量实验，采用贝塞尔函数对焦点位置的重复性标准偏差进行计算，得到系统装置重复性标准偏差为5nm。编写了系统装置的C++上位机软件控制程序，实现了控制物镜进行精密轴向运动及三维纳米位移台运动，以1nm为步长进行y向移动，进行了单壁碳纳米管样品的单线检测实验，得到了分布在(10-38) nm线长范围内的单壁碳纳米管拉曼光谱三维图像。实验结果进一步说明，该系统装置具有纳米级轴向分辨率和较高稳定性，能够满足无机物样品微区拉曼光谱的测量需求。

目录

声明

摘要

1．1课题研究背景及意义

1．2拉曼光谱技术的发展现状

1．2．1傅立叶变换拉曼光谱技术

1．2．2共振拉曼光谱技术

1．2．3表面增强拉曼光谱技术

1．2．4显微共焦拉曼光谱技术

1．3激光差动共焦显微技术国内外研究现状

1．4本文主要研究内容

第2章微区共焦拉曼光谱探测系统设计与分析

2．1微区共焦拉曼光谱技术

2．2微区共焦拉曼光谱探测系统方案设计

2．2．1微区共焦拉曼光谱光路设计

2．2．2激光发射模块分析与选型

2．2．3二向色分光与光谱激发模块分析与选型

2．2．4光谱探测模块的分析与选型

2．3拉曼光谱仪系统简介

2．4本章小结

第3章差动共焦测量系统的设计与分析

3．1激光差动共焦显微技术的基本原理

3．2差动共焦轴向定焦法的基本原理

3．3差动共焦测量光路设计与分析

3．3．1差动共焦光路设计

3．3．2共焦显微成像模块的分析与选型

3．3．3差动共焦探测模块的分析与选型

3．4差动共焦测量控制系统设计与分析

3．4．1硬件结构组成设计与分析

3．4．2上位机控制软件设计与分析

3．5本章小结

第4章反射式微区拉曼光谱测量装置总体设计

4．1测量装置总光路设计与分析

4．2测量装置机械结构设计与分析

4．2．1底板及支撑结构设计

4．2．2二向色镜固定夹持器及二向色镜压杆调节机构设计

4．2．3物镜定位结构设计

4．2．4钢珠微调结构设计

4．3本章小结

第5章系统装置的构建与实验验证

5．1微区拉曼光谱测量系统的构建

5．2拉曼光谱测量实验研究

5．3纯物质硫的拉曼光谱测量实验

5．3．1激光功率与曝光时间的影响

5．4单壁碳纳米管的拉曼光谱测量实验

5．4．1曝光时间的影响

5．4．2激光功率的影响

5．4．3金基底的影响

5．5单壁碳纳米管单线检测实验

5．6本章小结

6．1论文总结

6．2论文展望

参考文献

致谢

攻读学位期间的研究成果