相干检测偏振共焦扫描显微成像技术

　　测量材料的光学二向色性、双折射和圆差分散射等效应,可以了解有关材料的分子维度、偶极矩、光学各向异性、电光、磁光、弹光应力双折射等性质[1-2]。测量透明物质折射率的空间分布,可以获得相位物体的显微结构图像以及观察超饱和溶液中的结晶过程和单晶的生长过程[3]。目前各种类型的偏振计,偏振显微镜成像技术[4]和干涉显微成像技术,电光、磁光偏振调制技术,皮秒圆二向色性偏振光谱学[5]等已成为研究材料结构及其动力学的有力工具。本文提出一种新的相干显微成像技术,即相干检测偏振共焦显微成像技术,它可以逐层观察各向异性物质的局域双折射和偏振特性,透明物质折射率的空间分布及圆差分散射等性质。

　　一、相干检测偏振共焦显微成像技术的原理

　　相干检测偏振共焦显微成像技术的原理如图1所示: He-Ne激光经起偏器P后变成线偏振光,经扩束器BE扩束后进入格兰棱镜GP,由GP反射的光(满足布氏角条件)经λ/4波片后进入物镜L1聚焦到样品S上,样品S的表面反射光以及进入样品后的后向反射光被物镜L1收集再进入格兰棱镜GP,经GP检偏后由聚光镜L2聚焦到探测器针孔I。由于样品内的后向反射光包含有样品的光学二向色性、双折射和折射率的空间分布等信息,采用相干偏振检测技术检出它们的干涉光强,逐点扫描样品,即可逐层地观察样品内的局域双折射和折射率空间分布的显微图像。

　　下面导出成像条件。如图1所示,入射光被物镜L1聚焦到样品S上,在样品表面,部分入射光被样品表面反射后会聚到O2点,其余的人射光进入样品后会聚到O1点;O1、O2的后向反射光经物镜L1和格兰棱镜GP后被聚光镜L2分别会聚到O′1和O′2点,探测器针孔I置于O′1点上。设入射光进入样品的深度为h,样品的折射为n,O1点的物距为do1,相应的像距为di1; O2点的物距为do2,相应的像距为di2,根据衍射理论,可以分别写出O1、O2点发出的光波在探测器平面上的复振幅分布U1(xi,yi)和U2(xi,yi),为讨论方便,假设探测器D与O1、O2同在光轴上,则:

　　若探测器函数为D(xd,yd),则探测器接收到的干涉光强为

　　由(3)式可见,探测器平面上的干涉光强分布是非常复杂的,它不仅与样品的参数(n,h)有关,而且与探测器的位置有关,显然,在这种情况下是无法获得样品的显微图像的。但在满足共焦判据的情况下,因为:

　　1.探测器针孔非常小,有:

　　2.入射光在样品中的入射深度h远小于物距,即nh<

　　把(4)、(5)式代入(3)式,并交换积分次序,得:

　　由(6)式可见,在满足共焦判据的条件下,探测器接收到的干涉光强仅与样品的折射率n和入射深度h有关,这样,扫描样品S就可以获得样品S的结构信息图像。保持h不变,光强I仅与折射率n有关,采用偏振检测,就可以获得观察物质的光学二向色性、双折射、圆差分散射等方面的重要信息。