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。