【儀器儀表網(wǎng) 專題推薦】在顯微拉曼光譜儀或熒光顯微鏡中，激光的光斑尺寸大小是一個重要參數(shù)，它取決于激光的波長和顯微鏡的物鏡的特性。

　　艾里斑

　　當光穿過任何孔徑(例如顯微鏡物鏡)時，就會發(fā)生衍射。由均勻照射圓形光圈所產(chǎn)生的衍射圖稱為艾里斑圖(Airy pattern)，如圖1所示。它由一個明亮的中心圓(稱為艾里斑)組成，包含總光強的84%，其余的16% 分布在一系列逐漸減弱的同心環(huán)上。

　　圖1. 激光光斑的艾里斑模擬圖和光斑尺寸的不同定義。

　　艾里斑的直徑(定義為衍射圖樣中zui小圓斑的直徑)通常是顯微鏡中“光斑大小”的意思。其直徑大小取決于激光的波長和物鏡的數(shù)值孔徑(NA)：

　　顯微鏡的橫向空間分辨率極限與等式1密切相關，通過將系數(shù)1.22替換0.61即可。

　　艾里斑直徑不是光斑尺寸的weiyi定義。另外兩個常見的定義是衍射圖樣中光斑在半峰寬(FWHM)或1 / e2峰寬時的大小，由下式：

　　艾里圓斑是在假定沒有像差的完美光學系統(tǒng)下代表可以達到的zui小光斑尺寸，在實際中很難達到。激光的光束直徑通常比物鏡的后孔徑窄，并且沒有均勻的橫向強度(通常具有高斯分布)，并且用激光直接照射物鏡會導致光斑尺寸大于等式1所預測的。

　　解決的辦法是擴大激光束，使其光束直徑大于目標物的后孔徑，達到近似均勻的照明，這就是所謂的過度填充。過度填充的程度越大，就越接近均勻照明，光斑的大小也越接近公式1。過度填充是以降低到達樣品的激光強度為代價的，并且是在空間分辨率和通過物鏡傳輸?shù)墓β书g做選擇。

　　激光波長的影響

　　光斑大小取決于激光波長(公式1)，較短的波長激光器提供較小的光斑和更高的空間分辨率。使用高倍的物鏡(100x 0.9 NA)，可以在三種常見的波長下獲得光斑大小如圖2所示。

　　圖2. 在100x0.9NA物鏡下不同波長的光源對應的光斑大小模擬圖。

　　物鏡的NA值影響

　　光斑的大小還取決于物鏡的數(shù)值孔徑(NA)，該數(shù)值孔徑測量的是光線進入或離開透鏡的傾斜度，

　　其中n是物鏡和樣品之間介質的折射率，α是進入/出射物鏡的光錐的半角。

　　NA取決于物鏡的構造，并且通常隨物鏡放大倍數(shù)的增加而增加。標準空氣(n = 1)物鏡的NA極限值<1，由于浸油物鏡的折射率較高，因此可以將NA提高到約1.4。NA越高，物鏡的收光角越大，可以實現(xiàn)的光斑尺寸越小，這在圖3中用三個常用的空氣物鏡進行了說明。

　　圖3.模擬在物鏡的數(shù)值孔徑不同情況下532nm激光光斑大小。

　　需要注意的是，圖3在某種程度上進行了簡化，因為模擬假設所有三個物鏡的后孔徑均被均勻照明。如上所述，這是通過光束擴展和過度填充物鏡的后孔來實現(xiàn)的。但是，后孔徑的直徑隨物鏡放大倍數(shù)而變化，即后孔徑的直徑隨放大倍率的增加而減小。在多物鏡系統(tǒng)中，光束擴展通常是針對高放大倍率物鏡進行優(yōu)化的，而具有較大后孔徑的低放大倍率物鏡(例如，圖3中的20X0.4NA)通常不會被過度填充，并且激光的光斑尺寸和衍射圖將會有更多的高斯特性。

　　總結

　　在顯微拉曼光譜儀和熒光顯微鏡中，激光光斑的大小與儀器的空間分辨率和激光的傳輸功率有很大的關系，本文展開介紹了光斑大小定義以及激光的波長和顯微鏡的數(shù)值孔徑對激光光斑的大小的影響。

　　RM5顯微拉曼光譜儀結合了現(xiàn)代光學設計，實現(xiàn)了激光與顯微鏡的完美結合，同時注重功能，精度和速度，在規(guī)格和易用性方面都獨樹一幟。