共焦布里渊光谱技术因其具有无创、 无标记、 高空间分辨等优点, 被广泛应用在物理化学、 材料科学、 矿物学等领域。 但自发布里渊散射强度弱, 在探测系统消光比不足的情况下, 布里渊信号光谱容易与弹性背景光发生交叠甚至是被湮没, 因而无法实现对布里渊频移的精确测量。 尤其在生物医学等前沿领域, 浑浊介质粘弹性探测需求的日益增加对布里渊光谱探测系统的抗弹性背景光性能提出了更高的要求, 解决共焦布里渊光谱探测系统消光比不足这一问题刻不容缓。 为了提高共焦布里渊光谱探测系统的消光比, 本文构建了一种暗场共焦布里渊光谱探测系统, 将暗场照明应用于共焦布里渊探测中, 利用光阑实现了中心遮挡的环形照明、 中心通光的圆形收集的光路配置。 照明光路与收集光路非交叉的特殊配置, 保证了激发光强的同时避免了系统对镜面反射光的收集, 因而使得弹性背景光被削弱, 布里渊信号光谱显露, 提高了系统的消光比。 实验表明: 相较于传统明场照明配置, 暗场共焦布里渊探测系统的抗弹性背景光性能提升, 消光比提高了20 dB; 0.001%浓度的脂肪乳溶液在暗场配置下背景光得到明显压制, 布里渊信号光谱显露, 实现了对浑浊介质的布里渊频移数据的精确测量; 选取蒸馏水、 聚甲基丙烯酸甲酯、 二氧化硅玻璃三个标准样品验证暗场配置下的非严格背向散射角, 理论分析与实验相吻合, 保证了后续轴向声速、 纵向弹性模量等参数的计算结果的准确有效。 暗场共焦布里渊光谱探测系统综合暗场照明与共焦探测的优点, 既拥有共焦探测的高空间分辨率, 又借助暗场光路配置提升了系统的抗弹性背景光性能, 实现了高消光比、 高空间分辨的布里渊光谱探测, 为生物医学、 材料科学等前沿领域实现对物质机械性能的实时无损探测提供了新的思路。

共焦布里渊光谱技术因其具有非接触、 无损伤、 高空间分辨等优点, 在生物医学、 物理化学以及材料科学中被广泛应用。 由于布里渊散射频移较低、 强度较弱, 在弹性散射光没有被充分抑制的情况下, 布里渊散射光容易受到弹性散射光的影响, 导致光谱测量结果精度的下降, 而且传统共焦布里渊光谱系统仍存在光谱轴向分辨力与层析能力不足等缺点, 严重限制了共焦布里渊光谱探测系统在高散射样品以及长工作距离光谱探测领域中的应用。 为改善共焦布里渊光谱探测系统的抗弹性散射能力、 光谱轴向分辨力以及层析能力, 构建了一种D形分光瞳共焦布里渊光谱探测系统。 该系统通过侧向照明与侧向收集的方式消除背向散射, 降低弹性散射强度, 有效抑制弹性散射对布里渊散射的干扰, 进而提高共焦布里渊光谱探测系统的抗弹性散射能力。 通过D形光瞳对照明点扩散函数与收集点扩散函数进行调制, 利用斜入射的方式使照明点扩散函数与收集点扩散函数仅在焦平面上发生重叠, 在轴向上实现三维点扩散函数的压缩, 有效去除离焦光谱信息对焦面光谱信息的干扰, 降低轴向光谱强度响应曲线的半高全宽与全高全宽, 进而达到提高共焦布里渊光谱探测系统的光谱轴向分辨力以及层析能力的效果。 实验表明: 相比于共焦布里渊光谱探测系统, D形分光瞳共焦布里渊光谱探测系统的抗弹性散射能力与层析能力得到大幅提升, 通过优化光瞳参数, 其光谱轴向分辨力可以提高30%以上, 进而可以有效解决多层样品中的光谱串扰问题。 D形分光瞳共焦布里渊光谱探测系统作为一种具有高层析能力、 抗弹性散射能力强的布里渊光谱探测系统, 为布里渊光谱技术在现代前沿基础学科领域中的进一步应用提供了有力保证。

针对传统共焦显微技术中轴向扫描范围和扫描速度无法兼顾的问题，提出一种基于虚拟针孔探测的大范围分光瞳激光差动共焦显微快速定焦方法。通过分光瞳原理，将偏心光束法定焦和分光瞳虚拟针孔探测技术相结合，先利用激光光斑在CCD上的位置和样品位置的对应关系实现大范围的粗略定焦，再通过虚拟针孔差动传感实现高精度定焦，从而实现轴向大范围快速定焦。实验表明该方法轴向分辨力可以达到10nm，最大传感范围可达到70um，定焦速度是传统定焦方法的3.6倍。

针对现有共焦显微镜中定焦速度慢和定焦精度差的问题, 提出了基于单步驱动的激光共焦显微镜快速定焦方法。充分利用轴向扫描器件的响应时间通过单步驱动获取数据, 大幅提高采集速度, 提高系统信噪比；通过拟合区间优化和分开拟合的数据处理方法来快速、准确获取定焦目标位置, 进而实现激光共焦显微镜轴向定焦效率的提升。理论分析与实验结果表明: 与现有定焦方法相比, 方法在粗定焦阶段使定焦速度提升5.64倍, 在准确定焦阶段使定焦速度提升3.08倍, 其有效提升了现有共焦显微镜的轴向定焦速度和精度。

布里渊光谱成像技术由于其非接触、高空间分辨力、三维成像的特性, 广泛应用于生物医学和材料化学领域。将共焦显微技术与光谱探测技术相结合, 研制了共焦布里渊光谱成像装置。对二氧化硅玻璃、硅胶和树脂玻璃进行单点光谱测试, 求得纵向弹性模量M分别为83.4GPa、1.21GPa和9.48GPa;对折射率相近的二氧化硅玻璃和树脂玻璃粘接区域进行二维布里渊频移成像, 从光谱图像中很容易区分和鉴别两种材料, 解决了折射率相近的材料在光强图上难以区分的难题。

搭建了共焦布里渊显微镜装置，采用532 nm的单模激光器激发样品布里渊散射光，显微物镜放大倍数为100倍，数值孔径为0.8，采用串联扫描式多通道法布里-珀罗（F-P）干涉仪收集布里渊光。从实验中测得了装置的共焦光强响应曲线，以及二氧化硅玻璃、硅胶和聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）3种样品的布里渊光谱。采用全新的光子数组分权值数据处理方法仿真分析了此装置的轴向成像分辨力，以及测试样品为二氧化硅玻璃-硅胶-PMMA多层样品时，样品的频移、轴向声速和纵向弹性模量3种参量的轴向成像特性,并对此方法获得的3种参量的轴向成像特性曲线进行了误差分析。仿真结果显示，光子数组分权值数据处理方法可使装置的轴向成像分辨力提高至约2 μm。在信噪比高于1.46 dB时，通过误差关系曲线可获得精确的布里渊频移值、轴向声速和纵向弹性模量。