本發明屬于紅外光譜測量，特別涉及一種基于微球透鏡的紅外光譜測量裝置及方法。
背景技術：
1、紅外光譜測量是使用最為廣泛的化學分析技術之一，樣品對入射紅外光的吸收量與紅外光的波長相關，因此可通過測量物質的紅外吸收光譜對其化學特性進行表征，通過吸收峰的位置、強弱和形狀對物質化學鍵及化學成分進行推斷和鑒定。然而，實驗室常用的傅里葉變換紅外（ftir）顯微鏡在做紅外吸收光譜成像時往往對紅外光源的亮度要求較高，同時其空間分辨率受限于紅外光波長對應的光學衍射極限（~）及顯微鏡自身的光學品質，往往趨近于十微米甚至幾十微米，很難實現超分辨的局部空間光譜成像。為提高空間分辨率，科學家們嘗試將高亮度的紅外同步輻射光源耦合到ftir顯微鏡中，結合光學元件的優化及陣列化探測器的應用，使ftir顯微鏡的空間分辨率達到1微米。然而，較低的空間分辨率導致大多數傳統的紅外顯微光譜學應用都被限制在長度尺度為數微米及以上的研究和工業表征上。
2、近年來，隨著聚合物應用對紅外光譜高空間分辨率與日俱增的需求，科學家逐漸將納米技術與紅外光譜儀結合起來，開展了納米級光譜儀及亞微米級紅外成像技術，其中最受關注的主要有三類：基于afm技術的紅外光譜探測技術（afm-ir）、掃描近場光學顯微鏡(s-snom)及針尖增強拉曼光譜儀(ters)。其中，afm-ir主要通過afm技術來檢測紅外吸收引起的樣品表面形變量來進行光譜吸收譜測量，而另外兩種方法則主要檢測由樣品表面散射的光譜。為增強檢測靈敏度，ters技術利用了針尖探測技術對小區域散射的拉曼頻移進行檢測，這就導致了生產商業化的具有足夠大和可重復性的增強因子的探針成為該技術的主要限制因素。s-snom技術需要對樣品和基底的光學性質進行計算和仿真，導致其對樣品厚度和基底產生的峰移非常敏感，極大的限制了該技術的廣泛應用。相比之下，afm-ir能夠探測更深的樣品信息，且商業化的afm探針無需很大的增強因子，更受紅外光譜探測應用的青睞。然而，afm-ir探測技術必須使afm探針接觸樣品表面進行探測，這就容易對樣品表面進行損傷，極大的限制了其在生命科學領域的應用。綜上所述，目前已有的納米級和亞微米級紅外光譜成像技術很難實現高靈敏度、高信噪比、無損傷的紅外光譜超分辨測量，發展一種純光學的滿足需求的紅外光譜超分辨測量、成像技術及其裝置已成為該領域的熱點問題。
技術實現思路
1、針對現有技術的上述不足，本發明的目的是提供一種基于微球透鏡的紅外光譜測量系統和方法，利用微球透鏡的光子納米噴流效應使紅外光譜測量克服阿貝衍射極限的限制，實現樣品亞波長區域的純光學、非接觸的超分辨紅外光譜測量。
2、本發明解決其技術問題所采用的技術方案是：
3、本發明一方面提供一種基于微球透鏡的紅外光譜測量裝置，包括顯微物鏡、微球透鏡、壓電陶瓷及步進移動平臺和樣品表面測量系統；
4、所述壓電陶瓷及步進移動平臺上方設有顯微物鏡，顯微物鏡設于樣品表面測量系統輸出光路上；所述壓電陶瓷及步進移動平臺與顯微物鏡之間設有微球透鏡；所述壓電陶瓷及步進移動平臺上設有樣品。
5、所述樣品表面測量系統包括可見測量激光器、準直擴束組件、偏振分束器、四分之一波片、第一二向色鏡、第一紅外可調諧激光器、準直光學組件及第一反射鏡；
6、所述可見測量激光器的輸出光路上依次設置準直擴束組件、偏振分束器、四分之一波片和第一二向色鏡；所述紅外可調諧激光器的輸出光路上設置第一反射鏡，所述第一反射鏡的反射光路依次經過第一二向色鏡和顯微物鏡。
7、所述偏振分束器的反射光路上依次設有像散透鏡和第一光電探測器。
8、所述樣品表面測量系統包括第一可見光激光器、第一分束器、第二分束器、第三分束器、第二反射鏡、第二光電探測器、第二紅外可調諧激光器及第二二向色鏡；
9、所述第一可見光激光器的輸出光路上依次設有第一分束器、第二分束器和第二二向色鏡；所述第一分束器的分束光路上設置第二反射鏡，所述第二反射鏡的反射光路上依次設有第三分束器和第二光電探測器；所述第三分束器設置于第二分束器的分束光路上；所述第二二向色鏡設置于第二紅外可調諧激光器的輸出光路上；所述第二二向色鏡的輸出光路射入所述顯微物鏡。
10、所述第二反射鏡與第三分束器之間設有布拉格盒。
11、本發明另一方面提供一種基于微球透鏡的紅外光譜測量方法，包括以下步驟：顯微物鏡匯聚入射紅外光譜和可見光測量光譜，紅外光經微球透鏡聚焦在樣品表面，樣品表面吸收紅外光譜后產生起伏變化通過樣品表面測量系統采集并進行數據處理，得到樣品的紅外吸收光譜圖。
12、所述樣品表面吸收紅外光譜后產生起伏變化通過樣品表面測量系統采集并進行數據處理包括以下步驟：
13、由可見測量激光器發出的光依次經過準直擴束組件進行準直擴束，經偏振分束器變為p型線偏振光，經四分之一波片后成為順時針方向的橢圓偏振光，經第一二向色鏡反射到顯微物鏡進行一次聚焦；聚焦后的光束再經過微球透鏡進行二次聚焦，使光斑突破衍射極限，聚焦在樣品表面的區域內；第一紅外可調諧激光器發出的紅外光譜經準直光學組件準直，由第一反射鏡反射后，經第一二向色鏡后入射到顯微物鏡上，被聚焦到樣品表面的區域內，該區域的紅外光譜吸收導致微球透鏡產生的光子納米噴流相對于樣品表面的距離發生變化；
14、微球透鏡對處于光子納米噴流范圍內的樣品表面反射的可見光進行收集，原來順時針方向的橢圓偏振光變為逆時針方向的橢圓偏振光，經第一二向色鏡反射到四分之一波片上，此時逆時針方向的橢圓偏振光變為s型偏振光，被偏振分束器反射到像散透鏡進行會聚，由第一光電探測器對光斑形狀及大小進行檢測。
15、所述第一光電探測器對光斑形狀及大小進行檢測之后，根據檢測信息獲取吸收譜曲線，包括以下步驟：
16、根據光第一電探測器上光斑的形狀、方向和尺寸，得出微球透鏡與樣品表面間的距離的變化及偏離初始位置的方向，根據樣品吸收紅外光譜量與樣品光熱誘導表面起伏量之間的關系，得出該樣品在指定吸收光譜處的吸收強度的數據圖譜，經連續光譜掃描得出樣品指定范圍內的紅外吸收譜曲線。
17、所述樣品表面吸收紅外光譜后產生起伏變化通過樣品表面測量系統采集并進行數據處理包括以下步驟：
18、由第一可見光激光器發出的測量激光經第一分束器分為兩束光，分別為參考光和物光；物光經第二分束器及第二二向色鏡后，入射到顯微物鏡上進行一次聚焦，聚焦后的光束再經過微球透鏡進行二次聚焦，利用微球透鏡的光子納米射流效應使聚焦光斑尺寸突破衍射極限限制，聚焦在樣品表面的區域內；
19、參考光將第二反射鏡反射到布拉格盒內進行聲光調制，經第三分束器后入射到第二光電探測器上；第二紅外可調諧激光器發出的紅外光譜經第二二向色鏡后入射到顯微物鏡上，被聚焦到樣品表面區域內，該區域的紅外光譜吸收導致微球透鏡相對于樣品表面的距離發生變化；
20、微球透鏡對處于光子納米噴流范圍內的樣品表面反射的可見光進行收集后，沿原光路返回，經第二分束器、第三分束器反射后，與參考光同時入射到第二光電探測器上發生干涉后進行數據采集。
21、對兩束光的干涉數據進行采集后，結合多普勒頻移原理，通過數據處理得到樣品紅外吸收光譜曲線圖，包括以下步驟：
22、對微球透鏡與樣品間距離變化進行檢測，通過布拉格盒所產生的多普勒頻移，得到微球透鏡與樣品表面間的距離變化的方向，通過干涉數據得到樣品表面起伏變化量，從而得出樣品表面紅外光譜產生的起伏變化量及方向；通過光誘導樣品表面的起伏變化量與紅外光譜強度之間的關系，及此時相對應的紅外光譜的波長，建立樣品紅外吸收光譜曲線圖。
23、本發明具有以下有益效果及優點：
24、本發明利用快速可調諧的紅外激光激發不同波長下的光熱效應，同時利用一束可見光激光作為探測光探測樣品表面光熱效應，有效的減小了阿貝衍射極限對紅外光譜測量尺寸的限制。
25、本發明利用微球透鏡的光子納米噴流效應對可見測量激光進行超強匯聚，突破阿貝衍射極限的限制，將測量激光聚焦在樣品表面小于二分之一波長的區域內，進一步提高了紅外光譜測量的空間分辨率。
26、本發明提出了三種微透透鏡結合的超分辨紅外光譜測量系統，分別將微球透鏡與激光像散法、外差干涉法、零差干涉法相結合，大大調高了紅外光譜測量的分辨率。
27、本發明的其它特征和優點將在隨后的說明書中闡述，并且，部分地從說明書中變得顯而易見，或者通過實施本發明而了解。本發明的目的和其他優點可通過在所寫的說明書以及附圖中所特別指出的結構來實現和獲得。
28、下面通過附圖和實施例，對本發明的技術方案做進一步的詳細描述。