CN212228666U - 一种基于表面波成像的大气超细颗粒物吸湿增长检测装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种基于表面波成像的大气超细颗粒物吸湿增长检测装置，包括：测量腔设置在表面波成像基底上；表面波成像基底的下方依次设置油浸显微物镜、显微成像组件、偏振滤波器件和成像探测器；油浸显微物镜设置在显微成像组件的前端；表面波激发组件设置在显微成像组件的侧面，该表面波激发组件的出射光依次经显微成像组件、油浸显微物镜、表面波成像基底至测量腔，再由测量腔依次经表面波成像基底、油浸显微物镜、显微成像组件和偏振滤波器件到达成像探测器形成检测光路。该装置成像灵敏度高，可以针对单个超细大气颗粒物实现实时动态监测，且可以工作在真实的大气环境中，配合的表面波成像基底可以重复使用、可靠性高。
Description
技术领域
本实用新型涉及大气超细颗粒物检测领域，尤其涉及一种基于表面波成像的大气超细颗粒物吸湿增长检测装置。
背景技术
大气污染是我国乃至世界最重要的环境污染问题之一。近些年来的研究证明，直径小于100纳米的超细大气颗粒污染物在特定的湿度条件下，由于吸湿增长的因素，会形成尺寸接近可见光波长的液滴悬浮在空中，消光性能显著增强。此类颗粒物一旦达到特定浓度，极容易造成灰霾天气的形成，能见度下降，并进一步伤害人类的呼吸***，给生产生活造成极大影响。而相较于传统研究的PM2.5，超细颗粒物由于具有更小的尺寸，其吸湿增长过程具有更大的研究难度。
传统的大气超细颗粒物研究方式主要采用气溶胶加湿串联差分分析仪和环境电子显微镜，但在实际应用中存在很大的局限性，其至少存在以下问题：
(1)无法检测单颗粒：气溶胶加湿串联差分分析仪只能够获得大量颗粒群体通过加湿管道后尺寸变化的平均效应，无法获得单一颗粒物在特定环境中的实际变化
(2)无法对颗粒物直接观测：气溶胶加湿串联差分分析仪由于需要在飞行过程中对颗粒群体进行加湿或其他环境操作，缺少直接观测的手段，只有末状态的颗粒参数。
(3)时间分辨率差：气溶胶加湿串联差分分析仪由于无法直接观测的手段，无法实时检测颗粒物在变化环境下的动态过程，通过气溶胶加湿串联差分分析仪的单次分析时间需要数十分钟，时间分辨率很低。
(4)工作环境单一：环境电子显微镜具备单颗粒无检测的手段，但由于其需要工作在高真空的环境中，只可模拟相对湿度，而无法在真实的大气环境湿度中工作。
(5)价格昂贵：环境电子显微镜由于是基于电子显微镜改造而来，价格昂贵，使用成本高。
实用新型内容
基于现有技术所存在的问题，本实用新型的目的是提供一种基于表面波成像的大气超细颗粒物吸湿增长检测装置，能解决现有大气超细颗粒物检测采用气溶胶加湿串联差分分析仪和环境电子显微镜，存在的等问题无法检测单颗粒、无法对颗粒物直接观测、时间分辨率差、工作环境单一以及价格昂贵等问题。
本实用新型的目的是通过以下技术方案实现的：
本实用新型实施方式提供一种基于表面波成像的大气超细颗粒物吸湿增长检测装置，该装置包括：测量腔、表面波成像基底、油浸显微物镜、显微成像组件、表面波激发组件、偏振滤波器件和成像探测器；其中，
所述测量腔设置在所述表面波成像基底上；
所述表面波成像基底的下方依次设置所述油浸显微物镜、所述显微成像组件、所述偏振滤波器件和成像探测器；
所述油浸显微物镜设置在所述显微成像组件的前端；
所述表面波激发组件设置在所述显微成像组件的侧面，该表面波激发组件的出射光依次经所述显微成像组件、所述油浸显微物镜、所述表面波成像基底至所述测量腔，再由所述测量腔依次经所述表面波成像基底、所述油浸显微物镜、所述显微成像组件和所述偏振滤波器件到达所述成像探测器形成检测光路。
由上述本实用新型提供的技术方案可以看出，本实用新型实施例提供的基于表面波成像的大气超细颗粒物吸湿增长检测装置，其有益效果为：
通过将测量腔、表面波成像基底、油浸显微物镜、显微成像组件、表面波激发组件、偏振滤波器件和成像探测器有机连接，形成一种能利用表面波成像的检测装置，通过采用能负载等离激元或布洛赫表面波的表面波成像基底，能够有效将光场约束在基底表面，且对环境变化非常灵敏，并利用表面波激发组件和油浸显微物镜共同作用来激发表面波与超细大气颗粒物相互作用，通过偏振分离器件提高信噪比，根据散射光的强度测量大气颗粒物的吸湿增长，使得该装置成像灵敏度高，可以针对单个超细大气颗粒物实现实时动态监测，且可以工作在真实的大气环境中，配合的表面波成像基底可以重复使用、可靠性高。
附图说明
为了更清楚地说明本实用新型实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。
图1为本实用新型实施例提供的基于表面波成像的大气超细颗粒物吸湿增长检测装置的结构示意图；
图2为本实用新型实施例提供的典型的表面波成像基底的结构示意图；
图3为利用本实用新型实施例提供的检测装置获得的典型大气污染物成分中直径约为 94nm的超细颗粒的吸湿增长过程的检测结果示意图；
图1中各标记对应的部件为：1-测量腔；2-表面波成像基底；3-油浸显微物镜；4-显微成像组件；5-表面波激发组件；6-为偏振滤波器件；7-成像探测器；8-分束镜；9-成像管镜；10-聚光镜；11-第二扫描振镜；12-第一扫描振镜；13-宽带半波片；14-宽带线偏振镜。
具体实施方式
下面结合本实用新型的具体内容，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型的保护范围。本实用新型实施例中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。
如图1所示，本实用新型实施例提供一种基于表面波成像的大气超细颗粒物吸湿增长检测装置，该装置包括：测量腔1、表面波成像基底2、油浸显微物镜3、显微成像组件4、表面波激发组件5、偏振滤波器件6和成像探测器7；其中，
所述测量腔1设置在所述表面波成像基底2上；
所述表面波成像基底2的下方依次设置所述油浸显微物镜3、所述显微成像组件4、所述偏振滤波器件6和成像探测器7；
所述油浸显微物镜3设置在所述显微成像组件4的前端；
所述表面波激发组件5设置在所述显微成像组件4的侧面，该表面波激发组件5的出射光依次经所述显微成像组件4、所述油浸显微物镜3、所述表面波成像基底2至所述测量腔1，再由所述测量腔1依次经所述表面波成像基底2、所述油浸显微物镜3、所述显微成像组件4和所述偏振滤波器件6到达所述成像探测器7形成检测光路。
上述检测装置中，表面波成像基底2采用金属纳米薄膜或多层介质纳米薄膜。
上述检测装置中，金属纳米薄膜采用支持表面等离激元模式的纳米级厚度的金薄膜或银薄膜；
所述多层介质纳米薄膜为支持表面布洛赫波模式的由高低折射率交替组成的多层纳米薄膜。
具体的，金属纳米薄膜的表面波成像基底使用金和银作为材料，加工出的纳米级厚度的薄膜支持表面等离激元模式，不同的厚度对应不同的入射角度；
多层介质纳米薄膜的表面波成像基底，通过加工高低折射率交替的多层纳米薄膜，支持表面布洛赫波模式，通过改变各层的折射率和厚度，可以设计出支持不同波长、两类布洛赫波模式TE/TM的多层介质纳米薄膜作为成像基底。
本实用新型图2示意的是典型的表面波成像基底的结构，该表面波成像基底中，黑条部分为高折射率介质纳米薄膜，材料为氮化硅、氧化钛等；白条部分为低折射率介质纳米薄膜，材料为氧化硅。
上述检测装置中，油浸显微物镜3采用具有高数值孔径的油浸显微物镜3。
上述检测装置中，显微成像组件4包括：壳体、分束镜8和成像管镜9；其中，
所述成像管镜9设置在所述壳体内的后端，远离所述油浸显微物镜3；
所述分束镜8倾斜设置在所述成像管镜9与所述油浸显微物镜3之间的所述壳体内。
上述检测装置中，表面波激发组件5包括：宽带线偏振镜14、宽带半波片13、第一扫描振镜12、第二扫描振11和聚光镜10；
其中，所述宽带线偏振镜14、宽带半波片13和第一扫描振镜12从后至前依次间隔呈一条直线设置；
所述第二扫描振11处于所述第一扫描振镜12的正上方，所述第二扫描振11与所述第一扫描振镜12同向倾斜设置；
所述聚光镜10间隔设置于所述第二扫描振11的后方，与所述第二扫描振11呈直线排列。
所述的表面波激发组件5中的宽带线偏振镜14和宽带半波片13，可以有效地调制不同波长的激发光的偏振方向，并保持强度不变；第一扫描振镜12和第二扫描振镜11，可以调制出射光的出射方向；聚光镜10能将经宽带线偏振镜14出射的光束聚焦在油浸显微物镜3的后焦面上某一点。
上述检测装置中，偏振滤波器件6的偏振方向与所述表面波激发组件5出射光的偏振方向正交。这种偏振滤波器件6能滤除激发光，提高了信噪比和对比度。
上述检测装置中，成像探测器7和表面波激发组件5有毫秒级的时间分辨率。能对吸湿增长和颗粒相态变化进行实时检测。
上述检测装置中，所述的测量腔1用于外场和实验室测量过程中维持稳定的测量环境。
所述的表面波成像基底2采用金属纳米薄膜和多层介质纳米薄膜，用于负载特定的表面波模式。
所述的油浸显微物镜3用于配合表面波激发组件提供激发表面波所需的波矢，并收集表面波与颗粒相互作用生成的散射光，对表面波成像基底的泄露辐射信号进行显微成像；具体的，油浸显微物镜3通过高数值孔径提供表面波激发所需的波矢匹配条件。
所述的显微成像组件4用于显微成像颗粒物和散射信号。
所述的表面波激发组件5，用于调制激发表面波的入射光所需的偏振和入射方向，并将其聚焦。具体用于将激光光束准直并调制偏振，通过该组件内的宽带线偏振镜和聚光镜，使得光束可以聚焦在油浸显微物镜3后焦面的任意一点上，通过聚焦点旋转实现无拖尾表面波成像；该表面波激发组件具体是将一束准直后的激光调制成任意方向的线偏光，并保持线偏激光束的功率恒定；经过物镜后焦面扫描振镜***和分束镜后聚焦在油浸显微物镜的后焦面上，经过油浸显微物镜后形成一束具有特定入射角平行光照明样品，使其具有足够大的波矢可以有效地激发特别制备的表面波成像基底中存在的表面波。该表面波激发组件的最高激发频率达到1ms，从而为大气超细颗粒的成像检测提供了较高的时间分辨率。该表面波激发组件5通过宽带线偏振镜的旋转激发，能使得最终成像的像面背景更加均匀。
所述的偏振滤波器件6用于提高探测表面波散射成像的对比度。
所述的成像探测器7用于探测像面信息，能收集像面的散射信号。
上述的测量装置可以通过最终探测的散射信号强度实现对直径小于100nm的大气超细颗粒物的吸湿增长进行精细测量。
本实用新型检测装置的原理为：在特殊设计的表面波成像基底存在仅沿表面传播的电磁模式，如，表面波成像基底对应采用金属纳米薄膜，则为表面等离激元共振，表面波成像基底对应采用多层介质纳米薄膜，则为布洛赫表面波；表面波激发组件可以在显微镜视场内有效地宽场激发表面波；表面波与沉积在表面波成像基底的超细大气颗粒物相互作用，散射出信号光被油浸显微物镜收集，经过显微成像组件成像于成像探测器，成像探测器收集颗粒在像面的散射信息，并对强度积分，利用记录和分析积分区域的散射强度变化实现单个的超细大气颗粒物的吸湿增长进行实时检测。
本实用新型检测装置现在有检测技术相比的优势为：
(1)单颗粒检测：基于表面灵敏的成像技术，可以实现对单个超细颗粒物细微变化的成像检测，以散射强度变化反映单个颗粒的吸湿增长情况。
(2)便于直接观测：基于固定的片上检测，成像视场可置于实际工况中，从而对固定的单个颗粒的吸湿增长过程进行直接观测。
(3)高时间分辨率：表面波激发***的最高激发频率达到1ms，从而为超细颗粒的瞬时变化的观测提供了较高的时间分辨率。
(4)使用环境多样：表面波成像基底的工作环境宽泛，可以在高湿度环境中工作，为研究颗粒在真实大气环境中的变化过程提供便利。
(5)使用成本低：；基于纯光学的检测手段，设备成本低，耗材使用少，表面波成像基底可回收利用。
下面对本实用新型实施例具体作进一步地详细描述。
参见图1，本实用新型实施例提供的基于表面波成像的大气超细颗粒物吸湿增长检测装置，包括：测量腔、表面波成像基底、油浸显微物镜、表面波激发组件、显微成像组件、偏振滤波器件和成像探测器；
其中，表面波激发组件能够调制表面波激发所需要聚焦光斑和偏振条件。
其中，数值孔径为1.49的油浸显微物镜提供激发表面波所需的大波矢。
其中，表面波激发组件将偏振调制后的激发光束精确聚焦于油浸显微物镜后焦面，并沿一固定半径的圆环高速扫描，最小扫描周期1ms。
其中，偏振滤波器件用于滤除激发光从而提高信噪比，消光比大于103:1。
其中，表面波成像基底根据实验需求的配制可以为金属单层薄膜或为添加了缺陷层的高低折射率交叠的布拉格介质层。
上述检测装置的具体结构如图1所示，包括：测量腔1、表面波成像基底2、油浸显微物镜3、显微成像组件4、表面波激发组件5、偏振滤波器件6和成像探测器7；其中，显微成像组件4的壳体内设置分束镜8和成像管镜9；表面波激发组件5内设置聚光镜10、第一扫描振镜12、第二扫描振镜11、宽带半波片13和宽带线偏振镜14；其中，表面波成像基底2采用按需求制备的金属薄膜或多层介质薄膜，其结构可以支持表面存在表面等离激元和布洛赫表面波；激光光束由表面波激发组件5的宽带半波片13、宽带线偏振镜14 调制偏振，由第一扫描振镜12、第二扫描振镜11调制角度，再通过聚光镜10后经显微成像组件4的分束镜8准确聚焦在油浸显微物镜3的后焦面上，并高速旋转从而在表面波成像基底2表面激发表面波并与测量腔1内超细颗粒样品相互作用，产生的散射光再次经由油浸显微物镜3所收集，透过显微成像组件4的分束镜8和成像管镜9和显微成像组件4 下方的偏振滤波器件6成像于成像探测器7上。
图2所示为典型结构的表面波成像基底，是通过制备高低两种不同折射率的介质薄膜周期层叠数层以获得布拉格光子带隙结构，顶层蒸镀缺陷层以负载布洛赫表面波，最外层蒸镀疏水层维持液滴形态，获得的一种能稳定激发并适用于颗粒成像的表面波成像基底。
图3是沉积在表面负载基底的典型大气污染成分硫酸铵的超细颗粒物(直径约为94nm) 吸湿增长过程的测量结果图，图3中，图(1)为单个硫酸铵超细颗粒在四种典型湿度下直接观测的成像结果；图(2)硫酸铵颗粒在变化湿度增长的环境中散射信号强度(星号，右轴)增长对照颗粒体积增长(实线，左轴)。
本实用新型的基于表面波成像的大气超细颗粒物吸湿增长检测装置，成像灵敏度高，可以针对单个超细大气颗粒物实现实时动态监测，且可以工作在真实的大气环境中，配合的表面波成像基底可以重复使用、可靠性高。
以上所述，仅为本实用新型较佳的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。
Claims (8)
1.一种基于表面波成像的大气超细颗粒物吸湿增长检测装置，其特征在于，该装置包括：测量腔(1)、表面波成像基底(2)、油浸显微物镜(3)、显微成像组件(4)、表面波激发组件(5)、偏振滤波器件(6)和成像探测器(7)；其中，
所述测量腔(1)设置在所述表面波成像基底(2)上；
所述表面波成像基底(2)的下方依次设置所述油浸显微物镜(3)、所述显微成像组件(4)、所述偏振滤波器件(6)和成像探测器(7)；
所述油浸显微物镜(3)设置在所述显微成像组件(4)的前端；
所述表面波激发组件(5)设置在所述显微成像组件(4)的侧面，该表面波激发组件(5)的出射光依次经所述显微成像组件(4)、所述油浸显微物镜(3)、所述表面波成像基底(2)至所述测量腔(1)，再由所述测量腔(1)依次经所述表面波成像基底(2)、所述油浸显微物镜(3)、所述显微成像组件(4)和所述偏振滤波器件(6)到达所述成像探测器(7)形成检测光路。
2.根据权利要求1所述的基于表面波成像的大气超细颗粒物吸湿增长检测装置，其特征在于，所述表面波成像基底(2)采用金属纳米薄膜或多层介质纳米薄膜。
3.根据权利要求2所述的基于表面波成像的大气超细颗粒物吸湿增长检测装置，其特征在于，所述金属纳米薄膜采用支持表面等离激元模式的纳米级厚度的金薄膜或银薄膜；
所述多层介质纳米薄膜为支持表面布洛赫波模式的由高低折射率交替组成的多层纳米薄膜。
4.根据权利要求1至3任一项所述的基于表面波成像的大气超细颗粒物吸湿增长检测装置，其特征在于，所述油浸显微物镜(3)采用具有高数值孔径的油浸显微物镜(3)。
5.根据权利要求1至3任一项所述的基于表面波成像的大气超细颗粒物吸湿增长检测装置，其特征在于，所述显微成像组件(4)包括：壳体、分束镜(8)和成像管镜(9)；其中，
所述成像管镜(9)设置在所述壳体内的后端，远离所述油浸显微物镜(3)；
所述分束镜(8)倾斜设置在所述成像管镜(9)与所述油浸显微物镜(3)之间的所述壳体内。
6.根据权利要求1至3任一项所述的基于表面波成像的大气超细颗粒物吸湿增长检测装置，其特征在于，所述表面波激发组件(5)包括：
宽带线偏振镜(14)、宽带半波片(13)、第一扫描振镜(12)、第二扫描振(11)和聚光镜(10)；其中，
所述宽带线偏振镜(14)、宽带半波片(13)和第一扫描振镜(12)从后至前依次间隔呈一条直线设置；
所述第二扫描振(11)处于所述第一扫描振镜(12)的正上方，所述第二扫描振(11)与所述第一扫描振镜(12)同向倾斜设置；
所述聚光镜(10)间隔设置于所述第二扫描振(11)的后方，与所述第二扫描振(11)呈直线排列。
7.根据权利要求1至3任一项所述的基于表面波成像的大气超细颗粒物吸湿增长检测装置，其特征在于，所述偏振滤波器件(6)的偏振方向与所述表面波激发组件(5)出射光的偏振方向正交。
8.根据权利要求1至3任一项所述的基于表面波成像的大气超细颗粒物吸湿增长检测装置，其特征在于，所述成像探测器(7)采用具有毫秒级的时间分辨率的成像探测器，表面波激发组件(5)采用具有毫秒级的时间分辨率的表面波激发组件。
Priority Applications (1)
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|---|---|---|---|
| CN202020600980.XU CN212228666U (zh) | 2020-04-21 | 2020-04-21 | 一种基于表面波成像的大气超细颗粒物吸湿增长检测装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202020600980.XU CN212228666U (zh) | 2020-04-21 | 2020-04-21 | 一种基于表面波成像的大气超细颗粒物吸湿增长检测装置 |
Publications (1)
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| CN212228666U true CN212228666U (zh) | 2020-12-25 |
Family
ID=73907937
Family Applications (1)
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| CN202020600980.XU Active CN212228666U (zh) | 2020-04-21 | 2020-04-21 | 一种基于表面波成像的大气超细颗粒物吸湿增长检测装置 |
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2020
- 2020-04-21 CN CN202020600980.XU patent/CN212228666U/zh active Active
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