案例1:真空远程拉曼系统
该案例的应用场景为:
1.待检测样品样品放置真空腔室内,
需要进行显微观察显微观察同时,希望通过光激发
和收集模块获取荧光或拉曼信号。
2.样品圆盘边缘向内0-10mm为观测区域,由于转轴遮挡,需要斜向45度进行成像。
3.希望可以通过显微成像,找到划痕区域,并对相应位置沾染的微量润滑油的拉曼信号进行收集。
光学部分设计概述
1.显微视觉部分:通过环形照明灯,透过真空光窗对样品进行均匀照明。镜头采用100mm等效焦距,工作距离95至120mm可调;物:像放大倍率为1:0.75,理论分辨率为
0.005mm,实测分辨率0.006mm(详见第2.2节图像分辨率测试)。彩色传感器为2000万像素1时画幅,对应成像的范围为17.6x11.8mm。
2.光激发与拉曼光谱收集:激光器通过光线分束器耦合进一根光纤跳线中,激光从光纤端面照射到显微镜中的分光镜并通过镜头聚焦到样品的表面,再通过镜头收集荧光或拉曼信号回到光纤中,并传输到单色仪和光谱CCD中采集拉曼光谱。这种通过镜头以共焦方式施加激发光的方案优势在于:1、通过镜头的聚焦,可以更加准确地控制光斑的大小和位置;2、所有对于激发光的调节机构全部在大气中,方便调节,省去了真空中的光纤探针和相应的位置调节机构。通过这种方式引入单色激发光的效果详见第2.3节
3.机械调节装置:装配一维电动平移台,使整个镜头的焦点可沿着样品圆盘表面平动,通过成像寻找表面的划痕等目标,扫描光谱的分布等。装配对焦、横向调节和俯仰调节等手动调节维度,方便客户将激光光斑聚焦于目标位置。
4.可定制探入式光窗,与客户的真空腔体连接,可容纳镜头在内部水平移动10mm的空间,适配高真空<10-4Pa
该套光学配置的理论分辨率为0.005mm,通过THORLABS的USAF1951标准分辨率板测试,如上图中的右图所示,能最小分辨的线对编号为右图虚线框中的“6-3”对照如下1951 USAF测试靶的表格
其分辨率为80.6lp/mm,对应空间分辨率为1mm/(80.6*2)=0.006mm。
5.对样品圆盘表面的侧向成像实验
实测可见清晰区域约0.5mm范围:
6.引入激光光斑测试
实测可见清晰区域约0.5mm范围:
图3绿色激发光聚焦到PCB电路板标尺的显微像
通过芯径100um的多模光纤将波长为520nm的绿色激光引入该套光学系统中,聚焦于PCB电路板,效果如下面两张图所示。其中图3中的绿色激光光点聚焦到了PCB版的标尺部分(位于13mm和14mm刻度线之间),每一小格为1mm,实测的光斑直径约120um。图4中的绿色激光光点聚焦到了EMMC BGA169封装结构的电极点阵的区域,其中相邻电极间距为0.5mm,一个电极盘的直径约60um。
图4绿色激发光来焦到EMMC BGA169封装的电极点阵的显微照片
7.拉曼光谱信号的采集实验
案例一:真空润滑油案例预调试结果:真空内的半导体材料信号捕捉
光路结构示意图
可定制探入式光窗,与客户的真空腔体连接,可容纳镜头在内部水平移动10mm的空间,适配高真空<10-4Pa
案例2:超高真空显微高分辨拉曼系统
中科院宁波材料所用户把制备后的样品通过真空互联运输到另外一个真空腔室,进行真空中的Raman光谱测试,以及通过真空扫描台实现Raman光谱Mapping
空间分辨率
。样品编号:W45-1 GP/Si
测试区域:GP/Si交界处(硅一阶峰强度变化)
·测试参数:激光器:532nm
积分时间:1s
光栅刻线:1800 gr/mm
共焦孔:50um
激光功率:7.6mW
325、532、785激发时的拉曼信号
样品编号:W45-1 GP/Si
测试区域:Si(一阶拉曼峰)