拉曼光谱分析技术

测量技术篇

第9回 共聚焦光学系统深度方向的分析

发布日期 2014年9月10日

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由于拉曼显微镜采用了共聚焦光学系统,所以可以进行深度分析。该深度分辨率从1微米到数微米。利用深度分析的实际应用分别有:树脂嵌入异物的分析、物体的三次元形状分析、层次的厚度分析等。

多层薄膜的分析实例(断层、截面),请点击这里。
http://www.nanophoton.jp/applications/10.html

进行深度分析时,由于在样本内部聚焦激光,与XY平面图像测量以及光谱测量相比,是有一点难度的。深度分析与平面图像测量及光谱测量相比更为困难,因为是在样品内部聚焦激光。为了最大限度发挥仪器的性能,得到更好的测量结果,需要理解原理,克服困难,掌握优化技巧。

 

共聚焦显微镜的空间分辨率

在激光波长被固定时,共聚焦显微镜(包含拉曼显微镜)的空间分辨率,由物镜与共聚焦针孔(狭缝)的大小决定。针孔尺寸特别小的时候,表示为:

x方向的分辨率(FWHM) = ・・・(1)
z方向的分辨率(FWHM) = ・・・(2a)

λ是波长、NA是开口数、n是折射率(一般n=1, 油浸 n=1.3~1.4)。当(2a)的NA很小时,与

Z方向的分辨率(FWHM) = ・・・(2b)

类似。

A和B是决定针孔尺寸的常量。针孔无限小时数据应为A= 0.37, B= 0.64,但由于针孔不可能无限小,所以Nanophoton公司的RAMANtouch设A=0.4,B=0.68对应的针孔大小来评价仪器可达到的分辨率。启动仪器时,默认设定为A=0.48,B=0.82大小的针孔尺寸、缝宽。

(1),(2a),(2b)公式使用的所谓“针孔尺寸十分小时”,是指针孔的尺寸比在针孔上成像的激光斑点---艾里斑更小时。下面详细说明针孔尺寸与A和B常量的关系。

针孔的大小

决定分辨率的A和B系数,虽然依赖于针孔的大小,但实际上并不是绝对值,而依赖于相对值。这个相对值是以在针孔上成像的激光斑点----艾里斑为基准的针孔大小。在样本上成像的激光斑点-艾里斑如下:

艾里斑的直径 = ・・・(3)

样本针孔表面的投影倍率为M,针孔上成像的激光斑点-艾里斑为
 ・・・(4)
投影倍率M由物镜倍率和物镜到针孔之间的透镜系统决定。把针孔的尺寸除以艾里斑的大小,针孔大小的单位用AU(Airy Unit)表示。

 
エアリーディスク

由于我公司的激光拉曼显微镜RAMANtouch的投影倍率M基本与物镜的倍率一致,用100倍物镜(NA=0.9)聚焦波长532nm的激光时,针孔上的艾里斑为1.22*100*532nm/0.9 = 72um。针孔的大小为50um时,针孔的相对大小为0.7AU。

拉曼信号特别微弱的时候,需要充足的信号强度来分析光谱,因此尽量使用较大尺寸的针孔,但为了进行高分辨率的深度分析需要使用较小的针孔,这是一个矛盾的设定。 左下图为拉曼针孔透过率,针孔尺寸以及缝宽为1AU时,信号利用效率分别为83.8%和90.4%。右下图,显示的是针孔尺寸公式(1)、(2)中的系数A和B。

 
ピンホールサイズによるラマン光の透過率
ピンホールサイズによる式(3),(4)の係数
 

下次我们将基于本次的共聚焦光学系统,说明实际测量时的技术。