CN104502315A - 一种微区荧光扫描测量系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种微区荧光扫描测量系统，包括：激发光光源；激发光路部分，输入端与激发光光源连接，输出端与真空样品室相连，用于引导激光入射至真空样品室内的样品；荧光信号收集光路部分，收集样品上发出的荧光信号；微区成像光路部分，与激发光路和荧光信号收集光路相连，用于样品表面形貌的微区成像和定位；台面，激发光路部分和荧光信号收集光路部分置于台面上；二维电动平移系统，带动台面作二维扫描运动；真空样品室，用于放置样品；真空泵，用于保持真空样品室真空度；低温系统和温控装置，保持真空样品室真空度以及维持样品室处于需要的低温环境；光栅光谱仪，用于荧光信号的处理；CCD探测器，用于荧光信号的采集。

Description

一种微区荧光扫描测量系统

技术领域

本发明属于光谱仪器与光谱技术领域，特别是指一种改进的自制低温(常温)微区荧光扫描测量系统。

背景技术

光谱技术是利用光和物质相互作用来研究物质物理和化学性质的重要手段，在物理和化学、生物等众多领域有广泛的应用，尤其是在半导体表面探测和表征方面具有不可替代的位置。以半导体应用领域为例，常见的光谱表征手段包括发射光谱、吸收光谱、光致发光(荧光)光谱、拉曼光谱等。早期的光谱技术受限于光源，在激光器发明后，由于能够获得相干光波输出，光谱技术获得了飞速的发展，并最终成为一种常见的光学检测手段。

荧光是一种光致发光的冷发光现象，当外界入射光被物质吸收后，电子跃迁到激发态，由于激发态不稳定电子向下跃迁到低能态，发出长于入射光波长的光。在半导体表面表征应用中，荧光光谱技术作为一种最为常用的光谱检测手段，可以获得半导体表面及表面附近电子能带结构、杂质、缺陷及表面态等重要信息。在低温下，物质中的粒子运动被抑制，电子更多的占据在较低的能态，从而使得荧光效应较常温更容易观察，在低温下观测荧光是一种常用的手段。

近年来，由于低维物质物理研究的推进，需要探测的物质表面面积越来越小，微区光谱技术逐渐受到重视。如对于半导体中的单个量子点或量子线的荧光，它们由于线度都在微米甚至纳米级别，传统的研究手段不能满足需要，微区荧光技术也就应运而起。微区荧光通常是通过控制入射光斑的大小，如在激发光路使用高倍物镜聚焦，并配合精密的光路设计，来探测微米以至亚微米级别区域的荧光效应。微区荧光技术不但能探测单个点发出的荧光，还能通过移动光斑或移动样品，来探测一个区域，得到区域荧光扫描图像，从而使研究从点扩展到面。一直以来，移动光斑都是一件困难的事，因为这涉及到光路的移动，所以移动样品的方法被广泛采用。由于前述研究需要，经常需要在低温下进行微区荧光检测。当要求温度很低时，低温装置往往都非常笨重(如低温液氮装置常见40～90KG)，这时移动样品进行扫描就变得更困难，扫描精度往往难以达到要求。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种改进的自制低温(常温)微区荧光扫描测量系统，该系统样品连同低温装置固定，通过移动光路来移动光斑，从而达到扫描测量的目的。该系统成本低，易于搭建，非常适合实验室或工业应用。

本发明提供一种微区荧光扫描测量系统，包括：

激发光光源，用于提供激发样品的激光；

激发光路部分，其输入端与激发光光源输出端连接，输出端与真空样品室相连，用于引导激光入射至真空样品室内的样品，从而激发样品发出荧光信号；

荧光信号收集光路部分，其输入端与真空样品室相连，用于收集样品上发出的荧光信号，输出端与光谱仪和探测器相连以采集荧光光谱；

微区成像光路部分，与激发光路和荧光信号收集光路有部分重合，用于样品表面形貌的微区成像和定位；

台面，激发光路部分和荧光信号收集光路部分置于台面上，用于承载两部分光路中的元件；

二维电动平移系统，台面置于其上，用于带动平台作二维扫描运动；

真空样品室，用于放置样品；

真空泵，用于保持真空样品室真空度；

低温系统和控温装置，与真空样品室相连，用于保持真空样品室真空度以及维持样品室处于需要的低温环境；

光栅光谱仪，与荧光信号收集光路输出端相连，用于荧光信号的处理；

CCD探测器，与光栅光谱仪相连，用于荧光信号的采集；

计算机数据采集系统，用于接收CCD探测器输出的光谱信号以及成像光路的图像信号，同时控制光栅光谱仪转动，以及控制二维运动系统和低温系统；

光学平台，除计算机和低温系统外，其他光学部分置于光学平台上。

本发明所提供的低温(常温)微区荧光扫描测量改进系统，搭配适当的激发光源和CCD探测器，可以实现微米级别空间分辨率的扫描探测。本发明与通过移动低温样品腔进行扫描的普通低温荧光扫描系统不同，该系统引入光纤传导，移动光路中的部分元件，使二维控制系统承重大大减轻，从而有效保证扫描精度。该系统可以用于如半导体量子点、量子线等低维结构或材料细微区域的荧光扫描测量，具有低成本、高稳定性和高分辨率等特点。

附图说明

为了进一步说明本发明的技术内容，以下结合具体实例，并参照附图，对本发明进一步详细说明，其中：

图1是本发明中一种改进的自制低温(常温)微区荧光扫描测量系统的框架示意图；

图2是本发明实施例中微区荧光扫描测量系统的组成结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。

本发明涉及一种改进的自制低温(常温)微区荧光扫描测量系统，如图1所示，该系统包括：

激发光光源，为常见固态或气态激光器，光源输出端与激发光路输入端相连，用于提供激发样品的激光；

激发光路，其输入端与激发光源输出端连接，输出端与真空样品室相连，用于引导激光入射样品，从而激发样品；

荧光信号收集光路，其输入端与真空样品室相连，用于收集样品上发出的荧光信号；

微区成像光路，与激发光路和荧光信号收集光路相连，用于样品表面细微结构的微区成像和定位测量；

台面激发光路和荧光信号收集光路置于台面上，用于承载这两部分光路；

二维电动平移系统，台面置于其上，用于带动平台作二维扫描运动；

真空样品室，与激发光路输出端和荧光信号收集光路输入端相连，用于放置样品，引导激光进入样品室激发样品，并将荧光信号传出与收集光路；

真空泵，用于保持样品室真空度；

低温系统和控温装置，和真空样品室相连，用于保持样品室需要的低温环境；

光栅光谱仪，与荧光信号收集光路输出端相连，用于荧光光谱分析；

CCD探测器，与光栅光谱仪相连，配合光谱仪，采集光谱信号强度；

计算机数据采集系统，用于将CCD探测器输出的光强信号进行模数转换并获得直观的荧光光谱以及采集成像光路的图像信号并显示；同时输出控制信号控制光栅光谱仪转动，以及控制二维平移台进行二维扫描运动和低温系统的变温操作；

光学平台，除计算机和低温系统外，其余光学部件均置于光学平台上。

图2示出了本发明具体实施例中改进的自制低温(常温)微区荧光扫描测量系统的结构示意图。如图2所示，

激光光源包括激光器10，其通过第一光纤11连接至激发光路；所述第一光纤11以及收集光路所用第二光纤35均为单模光纤，由于激发光功率不需要很高，光纤中的光功率损失可以不用考虑，在实际测量中个，收集光纤对于荧光信号的衰减在可接受的范围内；

激发光路包括第一光纤头21、第一衰减片22、扩束镜23、光阑24、第一反射镜25、第二衰减片26、全息陷波滤波器27和物镜28；其中，第一光纤头21、第一衰减片22、扩束镜23、光阑24、第一反射镜25、第二衰减片26、全息陷波滤波器27和物镜28均置于第二台面20上；所述激光器10发出的激光通过光纤传输至激发光路的第一光纤头21，第一光纤头21将激光传输至第一衰减片22，所述第一衰减片22用于对所述激光强度进行衰减，以适合具体样品激发；经第一衰减片22衰减后的激光输出至扩束镜23，所述扩束镜23用于对激光的平行度进行准直，以便于物镜聚焦；所述扩束镜23出来的激光穿过成像光路的半透半反镜43传输至光阑24，所述光阑24用于调节光束的大小，配合所述扩束镜23改善激发光平行度，以便于物镜28聚焦到较小光斑；经过光阑24的激光被第二反射镜25反射至第二衰减片26，所述第二衰减片26用于对所述激光进行再次衰减，以适合具体的样品激发；经过第二衰减片26衰减后的激光入射至全息陷波滤波器27处，所述全息陷波滤波器27对于特定波长的光(这里为入射激光)具有很低的透反比，具有很小的带宽，也即主要作用是将入射激光大部分反射后经过物镜28传输到样品室29的样品表面，对样品表面反射而回的激光透过很少，同时对样品表面出射的荧光透过较多反射极小；经过全息陷波滤波器27的激光进入物镜28，所述物镜28用于将激光聚焦到um量级，同时收集样品表面出射的荧光；从所述物镜28出来的激光照射到样品室29表面，所述样品室29是低温或常温装置，用于放置待测样品；其中光阑24、第一反射镜25、衰减片26、全息陷波滤波器27和物镜28所描述的光路与后面所述的成像光路前半部分光路重合；

荧光收集光路包括物镜28、全息陷波滤波器27、第二反射镜31、第二透镜32、滤光片组33、第二光纤头34以及第二光纤35；其中，物镜28、全息陷波滤波器27、第二反射镜31、第一透镜32、滤光片组33和第二光纤头34均置于第二台面20上；在全息陷波滤波器27和物镜28处荧光收集光路和激发光路共用光路；样品室29中样品表面出射的荧光经物镜28和全息陷波滤波器27到达第二反射镜31处，所述全息陷波滤波器27对样品出射的荧光具有高透低反的作用，以使荧光尽可能多的被收集；从第二反射镜31反射的荧光到达第一透镜32(注意图2中第三反射镜44只在成像的时候位于光路上，进行荧光测量的时候会移出光路，不影响荧光收集)，该第一透镜32用于将荧光聚焦到第二光纤头34收集处；经第一透镜32的荧光穿过滤光片组33到达第二光纤头34，所述滤光片组33用于将样品表面反射而回的剩余部分激发光滤掉，同时让荧光透过；第二光纤头34所收集的荧光通过第二光纤35传输至光谱仪50和CCD探测器60进行处理；其中物镜28、全息陷波滤波器27和第二反射镜31所描述的光路与后面所述成像光路后半部分光路重合；

成像光路包括LED灯41、第二透镜42、第三透镜45、CCD相机46、半透半反镜43和第三反射镜44；其中，所述LED灯41、第二透镜42置于第一台面40，第三透镜45、CCD相机46置于第三台面30；半透半反镜43和第三反射镜44置于第二台面20；所述成像光路分成两部分，第一部分包括LED灯41、第二透镜42和半透半反镜43，第二部分包括第三反射镜44、第三透镜45和CCD相机46；所述LED灯41用于提供成像光路的照明白光，所述第二透镜42用于将LED灯41发出的白光变成平行光束；所述半透半反镜43用于将白光反射到与激发光路相同的光路上，同时不影响激发光的通过；白光经过半透半反镜43反射后再经过与激发光路相同的光路到达样品室29，再经过与荧光收集光路相同的光路最终到达第三反射镜44，所述第三反射镜44用于将样品表面反射而回的白光(一般待测样品都具有抛光面或载玻片)反射到成像CCD46处，该反射镜44装有一个平移底座，在荧光测量的时候移出收集光路，需要成像的时候移入光路；所述第三透镜45用于将样品表面反射的白光聚焦到所述CCD相机46处进行成像；所述成像光路只在对样品表面形貌成像的时候工作，在进行荧光测量通过关闭LED灯41和移出第三反射镜44进行待命；

所述各反射镜用于改变光路，可以根据实际光路需要考虑适当增减；

所述第二台面20置于二维电动平移台上；位于第二台面20上的第二反射镜31、全息陷波滤波器27、物镜28和样品室29按照从上到下的顺序位于同一铅垂线上，这样被测量的样品可以水平放置，便于进行水平二维扫描测量；样品室固定并与低温系统和温控装置相连(图中未标出)，样品室使用比较常用的压缩氦气制冷，样品室通过连接臂和压缩装置相连，对待测样品进行变温。收集光路末端通第二光纤35与光谱仪50相连，荧光光谱信号用CCD探测器60采集并进入计算机数据采集系统(图中未标出)。

所述激光器10可以根据样品测量要求进行选择，激光器通过光纤引入激发光路；

第二台面20用于承载激发光路和收集光路，提供标准的M6螺丝孔，下方与二维电动平移台相连；

二维电动平移台用于承载第二台面和其上的激发光路和收集光路，在水平方向做二维运动，平移台的承重和移动精度根据需要进行选择，一般承重15KG，定位精度1um可以满足要求；

真空样品室在进行低温实验时用于放置样品，压缩机或分子泵保证样品室真空度，样品室提供一个光学窗口，用于引导激发光进入激发样品和收集荧光信号，样品置于金属底座上，金属底座和低温系统相连；进行常温实验时，真空样品室可以用常规样品底座代替。

真空泵，用于保持样品室真空度，通常是机械泵或分子泵，后者可使真空度提高一到两个数量级；

低温系统和温控装置根据需要选择，如要求温度较低可采用比循环氦制冷器或氦连续流制冷机，再配以温度控制器，在4-350k范围内实现连续温度控制；

光栅光谱仪用于对荧光信号进行分光，然后由CCD探测器得到对应光的强度；光谱仪通常有不通的光栅刻线，用于不同光谱线精度的测量，光谱仪通常有几个输出窗口，分别接不同响应波段的探测器；

CCD探测器和光栅光谱仪输出端口相连，采集光谱仪输出的光强；根据需要采用不同波段对应的探测器种类；

所述光学平台70用于承载除计算机和低温系统以外的所有光学部分，保证微区光学检测不会受到外界细微震动的干扰；

计算机数据采集系统包含数据采集接口和数据采集软件，采集软件可以由常见的编程语言C、C++、VB或Labview等实现，实现CCD摄像头图像采集和CCD探测器信号采集，以及对光栅光谱仪、二维电动平移台和温控装置进行控制；

光学平台用于承载除计算机系统和部分温控装置外的光路部分，光学平台为光学实验中必不可少的基本设备。

以上所述激光器采用固态532nm激光器和氦镉(HeCd)激光器(波长325nm和442nm)，根据样品需要的激发波长进行选择。激光器输出连续激光，输出功率200-500mW。激光通过激发光路照射到样品室中的样品上，激发荧光。

以上所述第二台面20固定于一个二维电动平移台上，二维电动平移台带动台面20作二维扫描运动，从而使物镜在样品表面作扫描动作。电动平移台要求中心负载15kg左右，行程50-100mm，分辨率1um，以及重复定位小于2um。台面20上的光学元件应尽量减轻重量，以使二维运动过程中保持平稳，如台面20使用铝合金材料，不必要的光学元件可以移下台面20。

以上所述样品室在进行低温实验时使用，同时与分子泵和低温系统相连，分子泵可以保证样品室真空度达到10-4mbar以上，样品通过低温胶粘在铜底座上，底座通过铜臂和闭循环氦制冷器相连，制冷器和温控装置相连，温控装置控制样品室温度在4k-350k范围内变化。进行常温实验时，真空样品室可以用常规样品座代替。

荧光信号通过光纤进入光谱仪，光谱仪为适应不同光谱波段使用不同光栅，覆盖UV-IR全波段范围，光谱仪提供两个输出口，分别接Si的CCD探测器(对应测量波段为400-800nm)和InGaAs的CCD探测器(对应测量波段为800-1700nm)。CCD探测器使用电制冷或循环水制冷。

以上所述计算机控制系统分别和CCD相机、二维电动平移台、光谱仪、CCD探测器以及温控装置相连；通过USB2.0接口连接CCD相机，用于采集图像；通过RS-232串口和二维电动平移台的步进电机控制器相连，控制二维平移台运动和停止；通过USB2.0和光谱仪及CCD探测器连接，控制光谱仪转动和采集CCD输出信号；通过RS-232串口和温控装置相连，控制样品室温度变化。计算机控制软件使用Labview编程，实现仪器控制和数据采集功能。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (11)

1.一种微区荧光扫描测量系统，包括：

激发光光源，用于提供激发样品的激光；

激发光路部分，其输入端与激发光光源输出端连接，输出端与真空样品室相连，用于引导激光入射至真空样品室内的样品表面，从而激发样品发出荧光信号；

荧光信号收集光路部分，其输入端与真空样品室相连，用于收集样品上发出的荧光信号；

微区成像光路部分，与激发光路和荧光信号收集光路相连，用于样品表面形貌的微区成像和定位；

台面，激发光路部分和荧光信号收集光路部分置于台面上，用于承载激发光路部分和荧光信号收集光路部分中的元件；

二维电动平移系统，台面置于其上，用于带动平台作二维扫描运动；

真空样品室，用于放置样品；

真空泵，用于保持真空样品室真空度；

低温系统和控温装置，与真空样品室相连，用于保持真空样品室真空度以及维持真空样品室处于需要的低温环境；

光栅光谱仪，与荧光信号收集光路输出端相连，用于荧光信号的处理；

CCD探测器，与光栅光谱仪相连，用于荧光信号的采集；

计算机数据采集系统，用于接收CCD探测器输出的光谱信号以及成像光路的图像信号，控制光栅光谱仪转动，以及控制二维运动系统和低温系统；

光学平台，除计算机和低温系统外，其他部分置于光学平台上。

2.根据权利要求1所述的微区荧光扫描测量系统，其中，激发光源为气态或固态激光器，所述激光器通过光纤引入激发光路。

3.根据权利要求1所述的微区荧光扫描测量系统，其中，所述激发光路部分包括用于激光的准直和聚焦，包括衰减片、扩束镜、光阑、反射镜、全息陷波滤波器和物镜。

4.根据权利要求1所述的微区荧光扫描测量系统，其中，所述荧光信号收集光路，用于收集样品发出的荧光，包括物镜、全息陷波滤波器、反射镜、透镜、滤光片，通过光纤引入光栅光谱仪。

5.根据权利要求1所述的微区荧光扫描测量系统，其中，所述成像光路分为两部分，一部分和激发光路相连，包括LED白光光源、透镜、半透半反镜，用于提供成像所需的光源；另一部分与荧光信号收集光路相连，包括反射镜、透镜、CCD摄像头，用于样品表面成像信号收集。

6.根据权利要求1所述的微区荧光扫描测量系统，其中，所述台面用于承载激发光路和收集光路，其下方与二维电动平移台相连。

7.根据权利要求1所述的微区荧光扫描测量系统，其中，所述二维电动平移台用于承载台面和其上的激发光路和收集光路，其在水平方向做二维运动。

8.根据权利要求1所述的微区荧光扫描测量系统，其中，所述真空样品室在进行低温实验时用于放置样品，压缩机或分子泵保证真空度，样品室提供一个光学窗口，用于引导激光进入激发样品和收集荧光信号，样品置于金属底座上，金属底座通过铜臂和低温系统相连；进行常温实验时，真空样品室用普通样品座代替。

9.根据权利要求1所述的微区荧光扫描测量系统，其中，所述真空泵用于保持真空样品室真空度，其包括机械泵或分子泵。

10.根据权利要求1所述的微区荧光扫描测量系统，其中，所述低温系统在低温试验时采用闭循环氦制冷器或氦连续流制冷机，所述控温装置在4-350k范围内实现连续温度控制。

11.根据权利要求1所述的微区荧光扫描测量系统，其中，光栅光谱仪用于对荧光信号进行分光，所述光栅光谱仪有不通的光栅刻线，用于不同光谱线精度的测量，所述光栅光谱仪有多个输出窗口，分别接不同响应波段的CCD探测器，光谱仪和探测器置于光学平台上。