高时空分辨动态拉曼成像系统及其关键技术

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拉曼光谱技术由于其无损、非接触、不受水分子干扰等特点而广泛应用于各个领域,其中显微拉曼光谱技术已发展成为微区检测、化学分析方面强有力的工具。然而目前大多数显微拉曼光谱仪的拉曼扫描成像速度仍无法满足电化学反应过程动态监测的要求。本文研究结合“适用于高时空分辨原位电化学显微拉曼光谱仪的研制及其应用研究”项目的目标和要求,通过集成拉曼扫描成像技术和宽场拉曼成像技术,构建具有高时空分辨特性的动态拉曼成像系统。在显微拉曼光谱仪具有的高空间分辨率的基础上,进一步提高成像系统的时间分辨,从而实现动态拉曼信号的检测。论文的主要工作包括:  1.分析高时空分辨动态拉曼成像系统的功能要求,设计系统的整体光路,包括激发光路、拉曼扫描成像光路和宽场成像光路。并基于系统的电动控制要求,完成系统中电控运动部件的机械结构设计。  2.完成系统光路的详细设计,搭建调试各光路模块,实现拉曼信号的有效激发和收集。基于搭建的光路进行系统标定,包括系统中相关各坐标系标定和光谱仪、液晶可调谐滤光片LCTF(Liquid crystal tunable filter)的波长标定。  3.分析系统各硬件设备的控制要求,基于各设备软件接口进行控制开发。包括光学电动元件、平台、光谱仪、LCTF和EMCCD(Electron-Multiplying)等控制。  4.分析设计成像系统的软件架构,包括各硬件设备联用控制、系统功能时序控制、系统数据文件格式设计以及人机界面模块,实现系统软硬件的集成,完成成像系统的软件控制。  5.对搭建的光路和软件系统进行功能测试,对系统的灵敏度、分辨率等进行性能测试,并将系统应用于实际测量体系。  本文主要的创新工作在于集成拉曼扫描成像技术和宽场拉曼成像技术,通过实现两者在光路、软硬件控制上的协同,使各功能模块检测效率最大化,这样系统不仅能满足高灵敏度的稳态体系拉曼扫描成像的要求,而且适用于电化学体系中稳态和动态反应的宽场动态拉曼成像。该系统能实现100×物镜下扫描成像0.5μm×0.5μm和宽场成像0.36μm×0.36μm的空间分辨,在时域上,结合激发光强度和拉曼散射强度,宽场成像能够达到约50fps的分辨率。
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