拉曼光谱分析技术

测量技术篇

第10回 深度方向分析时,折射率不匹配的影响

发布日期 2014年10月14日

このエントリーをはてなブックマークに追加

深度方向分析时由于在样本内部聚焦激光,折射率差会导致载物台移动距离和实际焦点位置不吻合,产生焦点偏移和变形,称之为焦点劣化。实际测量时,需要根据折射率偏差的影响来选择合适的物镜。

 

折射率不匹配导致的激光焦点劣化产生的影响

空间分辨率是在理想测量系统下设定的,进行实际深度分析时,需要将激光照射进样本内部,此时,物镜与样本之间(空气)、或物镜与样本界面之间会产生折射率不匹配,激光在该界面上进行折射,焦点劣化,需要特别注意(图1,参考文献)。 由于该折射率不匹配的影响,测量时的空间分辨率以及测量信号的强度会相应劣化。分析异物时,异物周围的其他物质信号也会被叠加进来。

 
屈折率ミスマッチの際のレーザー焦点の劣化

图1 折射率不匹配导致的激光焦点劣化
 

用参考文献中介绍的计算方法,在样本内部聚焦激光焦点的强度分布如下图所示。 λ=532nm,NA=0.9(相当于100倍物镜),样本的折射率n=1.52。聚焦于样本表面,样本载物台Z方向移动距离为NFP(Nominal Focus Position),折射引起的焦点从NFP移动到的实际位置为AFP(Actual Focus Position)。如果NFP=10um,便可知激光焦点劣化。


图2 样本内部的激光焦点劣化
 

为了再详细一点地观测,把样本中的焦点强度用X方向扩大的图显示。三个图分别为NA=0.9、0.8、0.45时的不同物镜聚焦结果。NA越小,样本深层焦点的劣化程度越小。

 

图3 NA的样本深层激光焦点图
 

深度方向校准

当样本内部有折射率偏差时,载物台Z方向移动距离(NFP)与焦点移动距离(AFP)不同,需要根据NFP数值计算出AFP.进行校准。
公式如下:
      ・・・(1)
[参考文献](n1是空气折射率、n2是样本折射率)
下图为,NA=0.9,0.8,0.45时,通过计算得出与NFP相对应的AFP值。拟合出的直线与公式(1)大致相同。

屈折率ミスマッチによる深さ位置のキャリブレーション

图4 载物台Z方向移动(NFP)与焦点移动(AFP)的位置关系
 

选定合适的物镜

只有选择最合适的物镜才能避免折射率偏差的影响。物镜的备选有油浸物镜、水浸物镜、带玻璃校正环物镜等。
油浸物镜,样本和物镜之间用折射率为1.52的油填满(目的是消除与折射率为1.52的玻璃的折射率偏差),确保对焦正确。即便与聚合物或其他样本的折射率不完全一致,也可以减小折射率偏差,减轻激光焦点的劣化程度。 水浸物镜,用折射率为1.33的水填满,适用于折射率相对较低样本的折射率匹配。带玻璃校正环物镜,结合折射率为1.52的玻璃厚度进行调整。 观察样本的深层时,用校正环校正样本的深度(X折射率),便可形成良好的激光聚焦,得到较好的深度分析结果。 详细情况请参照本公司的拉曼分析技术「第6回《物镜的选择》

参考文献:
S. Hell, et all, Journal of Microscopy, Vol 1369 pp391-405 (1993)