偏振方向連續協同、協異可調的顯微拉曼光譜實驗裝置的製作方法

2023-04-27 08:45:11

專利名稱：偏振方向連續協同、協異可調的顯微拉曼光譜實驗裝置的製作方法
技術領域：
本發明屬於光學測量技術，具體涉及一種可對入射光和散射光偏振方向連續協同、協異調節的顯微拉曼光譜實驗裝置。
背景技術：
顯微拉曼光譜實驗系統一般採用可見、紫外或近紅外雷射作為激發光源，利用雷射良好的偏振性分析被研究對象在各種入射光與散射光偏振方向組合構形下的拉曼散射特性，是顯微拉曼光譜實驗系統的一個重要應用方式。隨著科學研究與工程應用的不斷深入，諸如晶體材料的偏振拉曼參數定量測量、纖維複合材料順向度估算、微尺度平面應變實驗分析等測量工作，需要在實驗中隨時連續協同或者協異的調節入射光和散射光的偏振方向。其中連續是指能夠將入、散偏振方向調整到任意角度(以0° 180°為周期)；協同調節是指調節入射光和散射光時始終保持二者偏振方向一致；協異則是指始終保持入、散偏振相差某一固定角度(協同是協異的一個特殊形式，即協異角度為零)。目前的顯微拉曼光譜實驗系統採用入射、散射光偏振分別控制裝置實現偏振調節。用於入射光偏振調節的半波片一般放在從雷射器出射口前端；用於散射光檢偏的偏振片一般安裝在拉曼光譜儀主機內部，而且除非特別定製否則只有水平和正交兩個偏振方向可手動選擇切換(不能連續可調)。入射光首先經過半波片調整偏振方向後再入射到被測物體表面，而散射光要經過偏振片檢偏後，再進行光譜攝取。實驗中要分別通過操縱半波片和偏振片的機構來調節入、散射光的偏振方向。這種分別控制的方法雖然提供了較多的偏振構形選擇，但是對於需要隨時調整入、散射光偏振方向的實驗來說操作相當繁瑣，更無法實現連續、協同或任意角度協異地調節偏振方向。同時，調節散射光偏振方向必須打開光譜儀主機外殼，因此反覆的操作容易給光譜儀帶入灰塵或其它雜物，從而影響其精度和壽命。 已經公開的有關拉曼光譜實驗系統的連續協同調節方法與裝置的相關技術，僅能夠實現入射、散射偏振的協同調節，而無法實現協異調節。

發明內容
鑑於此，本發明的目的是提供一種能夠簡便、連續地協同或協異調節入射與散射光偏振方向的顯微拉曼光譜實驗系統。以下結合附圖對本發明結構裝置及技術原理進行說明。偏振方向連續協同、協異可調的顯微拉曼光譜實驗裝置，具有雷射器、Edge濾光片、半波片、顯微鏡、偏振片和拉曼攝譜儀等。由雷射器、Edge濾光片、顯微鏡和拉曼攝譜儀組成顯微拉曼光譜實驗系統，在Edge 濾光片與顯微鏡之間設有半波片；在Edge濾光片與拉曼攝譜儀之間設有偏振片。由半波片和偏振片組成偏振協同/協異調節組件，雷射器出射的雷射經過Edge濾光片反射、半波片透射、通過顯微鏡聚焦入射在被測物體表面。由顯微鏡收集發自於被測物體的散射光依次通過半波片、Edge濾光片和偏振片透射後進入拉曼攝譜儀，由拉曼攝譜儀攝錄拉曼光譜信息。其中雷射器出射雷射的頻率與Edge濾光片的阻光頻率相一致(如圖1)。由於Edge濾光片和顯微鏡對入射和散射光的偏振方向都沒有影響，因此在圖2和圖3中無須將Edge濾光片和顯微鏡標出。針對需要連續協同調節入射光和散射光偏振方向的實驗時半波片的快光軸初始方向與偏振片的檢偏方向設為與雷射器出射雷射的偏振方向平行。以沿光傳播方向觀察並取其法平面上順時針為正，當需要將入射、散射光的偏振方向協同調整到與初始方向呈θ 角時，只須將半波片的快光軸角度(即快光軸方向與入射光初始方向的夾角)調節為θ /2 角。θ角為入射光偏振方向與初始方向的夾角，θ角從-90° 90°，並且散射光偏振方向始終與入射光偏振方向平行。針對需要連續協異調節入射光和散射光偏振方向的實驗時(即始終保持入射光和散射光二者偏振方向的夾角為某一固定值α)半波片的快光軸初始設為與雷射器出射雷射的偏振方向平行。即入射光和散射光二者偏振方向的夾角α並保持不變，偏振片的檢偏方向與雷射器出射雷射的偏振方向也呈α夾角。α為入射光和散射光偏振方向的夾角， α角從-90° 90°。當需要將入射、散射光的偏振方向協異調整到與各自初始方向呈θ 角時，也須將半波片的快光軸角度調節為θ/2角。θ角的定義與上述相同。本發明的工作原理為取雷射器出射的雷射初始在其法平面上以垂直方向偏振， 沿光傳播方向觀察並取其法平面上順時針為正。將半波片的快光軸方向調節到與入射光初始偏振方向呈θ Λ角，同時將偏振片的檢偏方向調整到與入射光初始偏振方向呈α角，則按照「沿光傳播方向觀察並取其法平面上順時針為正」這一規則，入射光經過時半波片的快光軸角度為θ /2 ；返回的散射光經過時半波片的快光軸角度取-θ /2，而偏振片的檢偏角度為a。當入射雷射經過半波片後，其偏振角度變為0+2Χ( θ/2) = θ，即入射光到達被測物體時的偏振角度為θ (如圖幻。入射光繼續前行經由顯微鏡入射在被測物體表面。從被測物體發出的散射光包含在其法平面內任意方向的偏振，並可通過正交分解得到初始偏振角度為-θ-α的分量和初始偏振角度為π/2-θ-α的分量，這兩個分量與入射光在其到達被測物體時的偏振方向之間夾角分別為α和α-π/2(如圖3)。偏振角度為-θ 的散射光分量為經過半波片時，偏振方向距離半波片快光軸的夾角為 (-0/2)-(-θ-α) = θ/2+α，因此偏振角度轉動至(-θ - α )+2 X ( θ/2+α ) = α，即該偏振方向與入射雷射的初始方向呈α角。而偏振角度為π/2-θ-α的散射光分量經過半波片時，偏振方向距離半波片快光軸的夾角為(-θ/2)-(π/2-θ-α) = θ/2+α-π/2，因此偏振角度轉動至(η/2-θ-α)+2Χ (θ/2+α-π/2) = α - ji/2，即該偏振方向與入射雷射初始方向呈α-π/2角。可見，經過半波片後，初始偏振角度分別為-θ-α和Ji/2-θ-α 的兩個散射光分量，其偏振角度分別轉變為α和α-π/2。這兩個正交的偏振光分量經過偏振片時，偏振角度為α的散射光分量，由於其偏振方向恰與偏振片檢偏方向平行，因而透射通過進入拉曼攝譜儀。偏振角度為α-π/2的分量，由於其偏振方向恰與偏振片的檢偏方向垂直而被完全阻擋。這樣，最終進入光譜儀的散射光是初始偏振角度為-θ -α的分量，其與到達被測物體表面的入射光偏振方向的夾角為-θ-(-θ-α) = a。當a = 0時，無論θ為何值，入射光與散射光始終相互平行，實現了協同控制；當α興0時，無論θ為何值，入射光與散射光二者偏振方向始終相差α， 從而實現了協異控制。本發明的特點及有益效果是，可針對入射光與散射光偏振方向需要頻繁地、連續
4協同或者協異調節的要求，進行偏振顯微拉曼實驗分析。本發明可利用現有的顯微拉曼光譜實驗系統進行改裝，在不改變原系統功能與精度的基礎上，增加入、散射光偏振連續協同或者協異調節的功能。與傳統式入、散射光分別控制的顯微拉曼光譜實驗系統相比，具有簡便快捷、模塊化的特點。雷射只通過一次偏振片，其強度損失要遠比已有技術小，所以有利於獲取更充分的光譜信息。用North濾光片來帶取代Edge濾光片，不僅能夠實現本發明所有功能，還可用於反斯託克斯拉曼分析。


圖1是本發明結構以及原理示意圖。圖中長折線為入射光，短折線為散射光。圖2為本發明入射光部分的原理示意圖。圖中長折線為入射光，實線箭頭表示入射光的偏振方向，圓圈內的實線箭頭表示半波片的快光軸方向，θ角為入射光偏振方向與初始方向的夾角，實線箭頭、圓圈內的實線箭頭和θ均為沿光傳播方向觀察並取其法平面上順時針為正。圖3為本發明散射光部分的原理示意圖。圖中短折線為散射光，實線箭頭表示散射光的偏振方向，圓圈內的實線箭頭表示半波片的快光軸方向或者偏振片的檢偏方向，θ角表示入射光偏振方向與初始方向的夾角，α表示入射光和散射光偏振方向的夾角，也稱協異角度，實線箭頭、圓圈內的實線箭頭、 θ和α均為沿光傳播方向觀察並取其法平面上順時針為正。
具體實施例方式以下結合附圖並通過具體實施方式
對本發明做進一步的說明。需要說明的是本實施例是敘述性的，而非限定性的，不以此限定本發明的保護範圍。偏振方向連續協同、協異可調的顯微拉曼光譜實驗裝置，在光路的搭建及連接上 由雷射器l、Edge濾光片2、顯微鏡4和拉曼攝譜儀7組成顯微拉曼光譜實驗系統。在Edge 濾光片2與顯微鏡4之間設有半波片3 ；在Edge濾光片2與拉曼攝譜儀7之間設有偏振片 6，由半波片3和偏振片6組成偏振協同或偏振協異調節組件。雷射器1出射的雷射經過 Edge濾光片2反射、半波片3透射、通過顯微鏡4聚焦入射在被測物體5表面，由顯微鏡4 收集發自於被測物體5的散射光依次通過半波片3、Edge濾光片2和偏振片6透射後進入拉曼攝譜儀7，由拉曼攝譜儀攝錄拉曼光譜信息。雷射器1出射雷射的頻率與Edge濾光片 2阻光頻率相一致。半波片3可以安裝在Edge濾光片2與顯微鏡4之間，但也可以安裝在顯微鏡5內部。Edge濾光片2可採用相應阻光頻率的North濾光片替代。對連續協同調節入射光和散射光偏振方向的實驗要求半波片3的快光軸初始方向與偏振片6的檢偏方向設為與所述雷射器1出射雷射的偏振方向平行。半波片3的快光軸轉動到與初始方向呈θ/2角，θ角為入射光偏振方向與初始方向的夾角。θ角從-90° 90°，並且散射光偏振方向始終與入射光偏振方向平行。對協異調節入射光和散射光偏振方向的實驗要求半波片3的快光軸初始設為與雷射器1出射雷射的偏振方向平行，入射光和散射光偏振方向的夾角為α並保持不變。偏振片6的檢偏方向與雷射器1出射雷射的偏振方向也呈α夾角，α角從-90° 90°。半波片3快光軸轉動到與初始方向呈θ/2角，θ角從-90° 90°，並且散射光偏振方向始終保持與入射光偏振方向呈α夾角。以針對某一單壁碳納米管纖維順向分析的實驗測試為實施例。實驗需要在0° 180°度之間以10°為步長，逐步分別協同和90°協異轉動入射光和所採集散射光的偏振方向，測量在不同入射偏振角度(入射光偏振方向與纖維方向夾角)下纖維協同和90°協異散射光拉曼光譜G』強度及其變化規律。此實驗分為協同測量和協異測量兩部分進行。首先進行協同測量。將半波片的快光軸方向和偏振片的檢偏方向以及纖維的軸向，都調整到與雷射器出射雷射的初始偏振方向平行。在0° 90°度範圍內以5°為步長逐步調整半波片的快光軸角度，從而實現分別為0°、10°、20°、30°、40°、50°、60°、 70°、80°、90° ,100°、110°、120° ,130° ,140° ,150° ,160° ,170° 以及 180° 的入射、散射光協同調節。在以上每個角度的偏振狀態下利用顯微鏡選取纖維表面隨機採樣點並採用拉曼攝譜儀採集各自的拉曼信息，得到實驗結果如表1。然後進行90°協異測量。將半波片的快光軸方向和纖維的軸向都調整到與雷射器出射雷射的初始偏振方向平行，然後將偏振片的檢偏方向調整到與雷射器出射雷射的初始偏振方向呈90°。在0° 90°度範圍內以5°為步長逐步調整半波片的快光軸角度，從而實現分別為 0° >10°、20°、30°、40°、50°、60°、70°、80°、90° ,100° ,110° ,120°、 130°、140°、150°、160°、170°以及180°的入射、散射光90°協異調節。在以上每個角度的偏振狀態下，利用顯微鏡選取纖維表面隨機採樣點並採用拉曼攝譜儀採集各自的拉曼信息，得到實驗結果也如表1。表1實驗數據
權利要求
1.偏振方向連續協同、協異可調的顯微拉曼光譜實驗裝置，具有雷射器(l)、Edge濾光片O)、半波片(3)、顯微鏡0)、偏振片(6)和拉曼攝譜儀(7)，其特徵在於由雷射器(1)、 Edge濾光片O)、顯微鏡(4)和拉曼攝譜儀(7)組成顯微拉曼光譜實驗系統，在Edge濾光片⑵與顯微鏡⑷之間設有半波片⑶；在Edge濾光片⑵與拉曼攝譜儀(7)之間設有偏振片(6)，由半波片C3)和偏振片(6)組成偏振協同或偏振協異調節組件，雷射器(1)出射的雷射經過Edge濾光片( 反射、半波片( 透射、通過顯微鏡(4)聚焦入射在被測物體(5)表面，由顯微鏡⑷收集發自於被測物體(5)的散射光依次通過半波片(3)、Edge濾光片( 和偏振片(6)透射後進入拉曼攝譜儀(7)，由拉曼攝譜儀(7)攝錄拉曼光譜信息。
2.按照權利要求1所述的偏振方向連續協同、協異可調的顯微拉曼光譜實驗裝置，其特徵在於所述雷射器(1)出射雷射的頻率與所述Edge濾光片(2)阻光頻率相一致。
3.按照權利要求1所述的偏振方向連續協同、協異可調的顯微拉曼光譜實驗裝置，其特徵在於當進行連續協同調節入射光和散射光偏振方向的實驗時，所述半波片( 的快光軸初始方向與所述偏振片(6)的檢偏方向設為與所述雷射器(1)出射雷射的偏振方向平行；所述半波片(3)的快光軸轉動到與初始方向θ/2角，θ角為入射光偏振方向與初始方向的夾角，θ角從-90° 90°，並且散射光偏振方向始終與入射光偏振方向平行。
4.按照權利要求1所述的偏振方向連續協同、協異可調的顯微拉曼光譜實驗裝置，其特徵在於當進行連續協異調節入射光和散射光偏振方向的實驗時，所述半波片(3)的快光軸初始設為與所述雷射器(1)出射雷射的偏振方向平行，入射光和散射光偏振方向的夾角為α並保持不變，所述偏振片(6)的檢偏方向與所述雷射器(1)出射雷射的偏振方向也呈α夾角，α角從-90° 90° ；所述半波片(3)快光軸轉動到與初始方向θ/2角，θ角為入射光偏振方向與初始方向的夾角，θ角從-90° 90°，並且散射光偏振方向始終保持與入射光偏振方向呈α夾角。
5.按照權利要求1所述的偏振方向連續協同、協異可調的顯微拉曼光譜實驗裝置，其特徵在於所述半波片( 或者安裝在所述Edge濾光片( 與顯微鏡(4)之間，或者安裝在所述顯微鏡(5)內部。
6.按照權利要求1或2所述的偏振方向連續協同、協異可調的顯微拉曼光譜實驗裝置， 其特徵在於所述Edge濾光片(2)可以採用相應阻光頻率的North濾光片替換。
全文摘要
本發明公開了一種偏振方向連續協同、協異可調的顯微拉曼光譜實驗裝置。由雷射器、Edge濾光片、顯微鏡和拉曼攝譜儀組成顯微拉曼光譜系統，由半波片、偏振片組成偏振協同/協異調節組件。雷射器出射的雷射由Edge濾光片反射、半波片透射、顯微鏡聚焦入射在被測物體表面。由顯微鏡收集的散射光依次透射通過半波片、Edge濾光片和偏振片後進入拉曼攝譜儀攝錄光譜信息。通過將偏振片檢振角度設為零或非零值α，將半波片快光軸角度調節為偏振方向所需轉動角度的一半，實現入射與散射光偏振方向協同或者α角協異調節。本發明在不改變傳統顯微拉曼光譜實驗系統功能與精度基礎上，實現了偏振協同與協異控制的模塊化、簡單化和降低了製造成本。
文檔編號G02B27/28GK102426163SQ20111023539
公開日2012年4月25日 申請日期2011年8月18日 優先權日2011年8月18日
發明者亢一瀾, 仇巍, 李秋, 鄧衛林, 雷振坤 申請人:天津大學