专利名称：偏振方向连续协同、协异可调的显微拉曼光谱实验装置的制作方法
技术领域：
本发明属于光学测量技术，具体涉及一种可对入射光和散射光偏振方向连续协同、协异调节的显微拉曼光谱实验装置。
背景技术：
显微拉曼光谱实验系统一般采用可见、紫外或近红外激光作为激发光源，利用激光良好的偏振性分析被研究对象在各种入射光与散射光偏振方向组合构形下的拉曼散射特性，是显微拉曼光谱实验系统的一个重要应用方式。随着科学研究与工程应用的不断深入，诸如晶体材料的偏振拉曼参数定量测量、纤维复合材料顺向度估算、微尺度平面应变实验分析等测量工作，需要在实验中随时连续协同或者协异的调节入射光和散射光的偏振方向。其中连续是指能够将入、散偏振方向调整到任意角度(以0° 180°为周期)；协同调节是指调节入射光和散射光时始终保持二者偏振方向一致；协异则是指始终保持入、散偏振相差某一固定角度(协同是协异的一个特殊形式，即协异角度为零)。目前的显微拉曼光谱实验系统采用入射、散射光偏振分别控制装置实现偏振调节。用于入射光偏振调节的半波片一般放在从激光器出射口前端；用于散射光检偏的偏振片一般安装在拉曼光谱仪主机内部，而且除非特别定制否则只有水平和正交两个偏振方向可手动选择切换(不能连续可调)。入射光首先经过半波片调整偏振方向后再入射到被测物体表面，而散射光要经过偏振片检偏后，再进行光谱摄取。实验中要分别通过操纵半波片和偏振片的机构来调节入、散射光的偏振方向。这种分别控制的方法虽然提供了较多的偏振构形选择，但是对于需要随时调整入、散射光偏振方向的实验来说操作相当繁琐，更无法实现连续、协同或任意角度协异地调节偏振方向。同时，调节散射光偏振方向必须打开光谱仪主机外壳，因此反复的操作容易给光谱仪带入灰尘或其它杂物，从而影响其精度和寿命。 已经公开的有关拉曼光谱实验系统的连续协同调节方法与装置的相关技术，仅能够实现入射、散射偏振的协同调节，而无法实现协异调节。
发明内容
鉴于此，本发明的目的是提供一种能够简便、连续地协同或协异调节入射与散射光偏振方向的显微拉曼光谱实验系统。以下结合附图对本发明结构装置及技术原理进行说明。偏振方向连续协同、协异可调的显微拉曼光谱实验装置，具有激光器、Edge滤光片、半波片、显微镜、偏振片和拉曼摄谱仪等。由激光器、Edge滤光片、显微镜和拉曼摄谱仪组成显微拉曼光谱实验系统，在Edge 滤光片与显微镜之间设有半波片；在Edge滤光片与拉曼摄谱仪之间设有偏振片。由半波片和偏振片组成偏振协同/协异调节组件，激光器出射的激光经过Edge滤光片反射、半波片透射、通过显微镜聚焦入射在被测物体表面。由显微镜收集发自于被测物体的散射光依次通过半波片、Edge滤光片和偏振片透射后进入拉曼摄谱仪，由拉曼摄谱仪摄录拉曼光谱信息。其中激光器出射激光的频率与Edge滤光片的阻光频率相一致(如图1)。由于Edge滤光片和显微镜对入射和散射光的偏振方向都没有影响，因此在图2和图3中无须将Edge滤光片和显微镜标出。针对需要连续协同调节入射光和散射光偏振方向的实验时半波片的快光轴初始方向与偏振片的检偏方向设为与激光器出射激光的偏振方向平行。以沿光传播方向观察并取其法平面上顺时针为正，当需要将入射、散射光的偏振方向协同调整到与初始方向呈θ 角时，只须将半波片的快光轴角度(即快光轴方向与入射光初始方向的夹角)调节为θ /2 角。θ角为入射光偏振方向与初始方向的夹角，θ角从-90° 90°，并且散射光偏振方向始终与入射光偏振方向平行。针对需要连续协异调节入射光和散射光偏振方向的实验时(即始终保持入射光和散射光二者偏振方向的夹角为某一固定值α)半波片的快光轴初始设为与激光器出射激光的偏振方向平行。即入射光和散射光二者偏振方向的夹角α并保持不变，偏振片的检偏方向与激光器出射激光的偏振方向也呈α夹角。α为入射光和散射光偏振方向的夹角， α角从-90° 90°。当需要将入射、散射光的偏振方向协异调整到与各自初始方向呈θ 角时，也须将半波片的快光轴角度调节为θ/2角。θ角的定义与上述相同。本发明的工作原理为取激光器出射的激光初始在其法平面上以垂直方向偏振， 沿光传播方向观察并取其法平面上顺时针为正。将半波片的快光轴方向调节到与入射光初始偏振方向呈θ Λ角，同时将偏振片的检偏方向调整到与入射光初始偏振方向呈α角，则按照“沿光传播方向观察并取其法平面上顺时针为正”这一规则，入射光经过时半波片的快光轴角度为θ /2 ；返回的散射光经过时半波片的快光轴角度取-θ /2，而偏振片的检偏角度为a。当入射激光经过半波片后，其偏振角度变为0+2Χ( θ/2) = θ，即入射光到达被测物体时的偏振角度为θ (如图幻。入射光继续前行经由显微镜入射在被测物体表面。从被测物体发出的散射光包含在其法平面内任意方向的偏振，并可通过正交分解得到初始偏振角度为-θ-α的分量和初始偏振角度为π/2-θ-α的分量，这两个分量与入射光在其到达被测物体时的偏振方向之间夹角分别为α和α-π/2(如图3)。偏振角度为-θ 的散射光分量为经过半波片时，偏振方向距离半波片快光轴的夹角为 (-0/2)-(-θ-α) = θ/2+α，因此偏振角度转动至(-θ - α )+2 X ( θ/2+α ) = α，即该偏振方向与入射激光的初始方向呈α角。而偏振角度为π/2-θ-α的散射光分量经过半波片时，偏振方向距离半波片快光轴的夹角为(-θ/2)-(π/2-θ-α) = θ/2+α-π/2，因此偏振角度转动至(η/2-θ-α)+2Χ (θ/2+α-π/2) = α - ji/2，即该偏振方向与入射激光初始方向呈α-π/2角。可见，经过半波片后，初始偏振角度分别为-θ-α和Ji/2-θ-α 的两个散射光分量，其偏振角度分别转变为α和α-π/2。这两个正交的偏振光分量经过偏振片时，偏振角度为α的散射光分量，由于其偏振方向恰与偏振片检偏方向平行，因而透射通过进入拉曼摄谱仪。偏振角度为α-π/2的分量，由于其偏振方向恰与偏振片的检偏方向垂直而被完全阻挡。这样，最终进入光谱仪的散射光是初始偏振角度为-θ -α的分量，其与到达被测物体表面的入射光偏振方向的夹角为-θ-(-θ-α) = a。当a = 0时，无论θ为何值，入射光与散射光始终相互平行，实现了协同控制；当α兴0时，无论θ为何值，入射光与散射光二者偏振方向始终相差α， 从而实现了协异控制。本发明的特点及有益效果是，可针对入射光与散射光偏振方向需要频繁地、连续
4协同或者协异调节的要求，进行偏振显微拉曼实验分析。本发明可利用现有的显微拉曼光谱实验系统进行改装，在不改变原系统功能与精度的基础上，增加入、散射光偏振连续协同或者协异调节的功能。与传统式入、散射光分别控制的显微拉曼光谱实验系统相比，具有简便快捷、模块化的特点。激光只通过一次偏振片，其强度损失要远比已有技术小，所以有利于获取更充分的光谱信息。用North滤光片来带取代Edge滤光片，不仅能够实现本发明所有功能，还可用于反斯托克斯拉曼分析。
图1是本发明结构以及原理示意图。图中长折线为入射光，短折线为散射光。图2为本发明入射光部分的原理示意图。图中长折线为入射光，实线箭头表示入射光的偏振方向，圆圈内的实线箭头表示半波片的快光轴方向，θ角为入射光偏振方向与初始方向的夹角，实线箭头、圆圈内的实线箭头和θ均为沿光传播方向观察并取其法平面上顺时针为正。图3为本发明散射光部分的原理示意图。图中短折线为散射光，实线箭头表示散射光的偏振方向，圆圈内的实线箭头表示半波片的快光轴方向或者偏振片的检偏方向，θ角表示入射光偏振方向与初始方向的夹角，α表示入射光和散射光偏振方向的夹角，也称协异角度，实线箭头、圆圈内的实线箭头、 θ和α均为沿光传播方向观察并取其法平面上顺时针为正。
具体实施例方式以下结合附图并通过具体实施方式
对本发明做进一步的说明。需要说明的是本实施例是叙述性的，而非限定性的，不以此限定本发明的保护范围。偏振方向连续协同、协异可调的显微拉曼光谱实验装置，在光路的搭建及连接上 由激光器l、Edge滤光片2、显微镜4和拉曼摄谱仪7组成显微拉曼光谱实验系统。在Edge 滤光片2与显微镜4之间设有半波片3 ；在Edge滤光片2与拉曼摄谱仪7之间设有偏振片 6，由半波片3和偏振片6组成偏振协同或偏振协异调节组件。激光器1出射的激光经过 Edge滤光片2反射、半波片3透射、通过显微镜4聚焦入射在被测物体5表面，由显微镜4 收集发自于被测物体5的散射光依次通过半波片3、Edge滤光片2和偏振片6透射后进入拉曼摄谱仪7，由拉曼摄谱仪摄录拉曼光谱信息。激光器1出射激光的频率与Edge滤光片 2阻光频率相一致。半波片3可以安装在Edge滤光片2与显微镜4之间，但也可以安装在显微镜5内部。Edge滤光片2可采用相应阻光频率的North滤光片替代。对连续协同调节入射光和散射光偏振方向的实验要求半波片3的快光轴初始方向与偏振片6的检偏方向设为与所述激光器1出射激光的偏振方向平行。半波片3的快光轴转动到与初始方向呈θ/2角，θ角为入射光偏振方向与初始方向的夹角。θ角从-90° 90°，并且散射光偏振方向始终与入射光偏振方向平行。对协异调节入射光和散射光偏振方向的实验要求半波片3的快光轴初始设为与激光器1出射激光的偏振方向平行，入射光和散射光偏振方向的夹角为α并保持不变。偏振片6的检偏方向与激光器1出射激光的偏振方向也呈α夹角，α角从-90° 90°。半波片3快光轴转动到与初始方向呈θ/2角，θ角从-90° 90°，并且散射光偏振方向始终保持与入射光偏振方向呈α夹角。以针对某一单壁碳纳米管纤维顺向分析的实验测试为实施例。实验需要在0° 180°度之间以10°为步长，逐步分别协同和90°协异转动入射光和所采集散射光的偏振方向，测量在不同入射偏振角度(入射光偏振方向与纤维方向夹角)下纤维协同和90°协异散射光拉曼光谱G’强度及其变化规律。此实验分为协同测量和协异测量两部分进行。首先进行协同测量。将半波片的快光轴方向和偏振片的检偏方向以及纤维的轴向，都调整到与激光器出射激光的初始偏振方向平行。在0° 90°度范围内以5°为步长逐步调整半波片的快光轴角度，从而实现分别为0°、10°、20°、30°、40°、50°、60°、 70°、80°、90° ,100°、110°、120° ,130° ,140° ,150° ,160° ,170° 以及 180° 的入射、散射光协同调节。在以上每个角度的偏振状态下利用显微镜选取纤维表面随机采样点并采用拉曼摄谱仪采集各自的拉曼信息，得到实验结果如表1。然后进行90°协异测量。将半波片的快光轴方向和纤维的轴向都调整到与激光器出射激光的初始偏振方向平行，然后将偏振片的检偏方向调整到与激光器出射激光的初始偏振方向呈90°。在0° 90°度范围内以5°为步长逐步调整半波片的快光轴角度，从而实现分别为 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°协异调节。在以上每个角度的偏振状态下，利用显微镜选取纤维表面随机采样点并采用拉曼摄谱仪采集各自的拉曼信息，得到实验结果也如表1。表1实验数据
权利要求
1.偏振方向连续协同、协异可调的显微拉曼光谱实验装置，具有激光器(l)、Edge滤光片O)、半波片(3)、显微镜0)、偏振片(6)和拉曼摄谱仪(7)，其特征在于由激光器(1)、 Edge滤光片O)、显微镜(4)和拉曼摄谱仪(7)组成显微拉曼光谱实验系统，在Edge滤光片⑵与显微镜⑷之间设有半波片⑶；在Edge滤光片⑵与拉曼摄谱仪(7)之间设有偏振片(6)，由半波片C3)和偏振片(6)组成偏振协同或偏振协异调节组件，激光器(1)出射的激光经过Edge滤光片( 反射、半波片( 透射、通过显微镜(4)聚焦入射在被测物体(5)表面，由显微镜⑷收集发自于被测物体(5)的散射光依次通过半波片(3)、Edge滤光片( 和偏振片(6)透射后进入拉曼摄谱仪(7)，由拉曼摄谱仪(7)摄录拉曼光谱信息。
2.按照权利要求1所述的偏振方向连续协同、协异可调的显微拉曼光谱实验装置，其特征在于所述激光器(1)出射激光的频率与所述Edge滤光片(2)阻光频率相一致。
3.按照权利要求1所述的偏振方向连续协同、协异可调的显微拉曼光谱实验装置，其特征在于当进行连续协同调节入射光和散射光偏振方向的实验时，所述半波片( 的快光轴初始方向与所述偏振片(6)的检偏方向设为与所述激光器(1)出射激光的偏振方向平行；所述半波片(3)的快光轴转动到与初始方向θ/2角，θ角为入射光偏振方向与初始方向的夹角，θ角从-90° 90°，并且散射光偏振方向始终与入射光偏振方向平行。
4.按照权利要求1所述的偏振方向连续协同、协异可调的显微拉曼光谱实验装置，其特征在于当进行连续协异调节入射光和散射光偏振方向的实验时，所述半波片(3)的快光轴初始设为与所述激光器(1)出射激光的偏振方向平行，入射光和散射光偏振方向的夹角为α并保持不变，所述偏振片(6)的检偏方向与所述激光器(1)出射激光的偏振方向也呈α夹角，α角从-90° 90° ；所述半波片(3)快光轴转动到与初始方向θ/2角，θ角为入射光偏振方向与初始方向的夹角，θ角从-90° 90°，并且散射光偏振方向始终保持与入射光偏振方向呈α夹角。
5.按照权利要求1所述的偏振方向连续协同、协异可调的显微拉曼光谱实验装置，其特征在于所述半波片( 或者安装在所述Edge滤光片( 与显微镜(4)之间，或者安装在所述显微镜(5)内部。
6.按照权利要求1或2所述的偏振方向连续协同、协异可调的显微拉曼光谱实验装置， 其特征在于所述Edge滤光片(2)可以采用相应阻光频率的North滤光片替换。
全文摘要
本发明公开了一种偏振方向连续协同、协异可调的显微拉曼光谱实验装置。由激光器、Edge滤光片、显微镜和拉曼摄谱仪组成显微拉曼光谱系统，由半波片、偏振片组成偏振协同/协异调节组件。激光器出射的激光由Edge滤光片反射、半波片透射、显微镜聚焦入射在被测物体表面。由显微镜收集的散射光依次透射通过半波片、Edge滤光片和偏振片后进入拉曼摄谱仪摄录光谱信息。通过将偏振片检振角度设为零或非零值α，将半波片快光轴角度调节为偏振方向所需转动角度的一半，实现入射与散射光偏振方向协同或者α角协异调节。本发明在不改变传统显微拉曼光谱实验系统功能与精度基础上，实现了偏振协同与协异控制的模块化、简单化和降低了制造成本。
文档编号G02B27/28GK102426163SQ20111023539
公开日2012年4月25日 申请日期2011年8月18日 优先权日2011年8月18日
发明者亢一澜, 仇巍, 李秋, 邓卫林, 雷振坤 申请人:天津大学