專利名稱：偏振方向連續(xù)協(xié)同、協(xié)異可調(diào)的顯微拉曼光譜實(shí)驗(yàn)裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于光學(xué)測(cè)量技術(shù)，具體涉及一種可對(duì)入射光和散射光偏振方向連續(xù)協(xié)同、協(xié)異調(diào)節(jié)的顯微拉曼光譜實(shí)驗(yàn)裝置。
背景技術(shù)：
顯微拉曼光譜實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)一般采用可見、紫外或近紅外激光作為激發(fā)光源，利用激光良好的偏振性分析被研究對(duì)象在各種入射光與散射光偏振方向組合構(gòu)形下的拉曼散射特性，是顯微拉曼光譜實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的一個(gè)重要應(yīng)用方式。隨著科學(xué)研究與工程應(yīng)用的不斷深入，諸如晶體材料的偏振拉曼參數(shù)定量測(cè)量、纖維復(fù)合材料順向度估算、微尺度平面應(yīng)變實(shí)驗(yàn)分析等測(cè)量工作，需要在實(shí)驗(yàn)中隨時(shí)連續(xù)協(xié)同或者協(xié)異的調(diào)節(jié)入射光和散射光的偏振方向。其中連續(xù)是指能夠?qū)⑷?、散偏振方向調(diào)整到任意角度(以0° 180°為周期)；協(xié)同調(diào)節(jié)是指調(diào)節(jié)入射光和散射光時(shí)始終保持二者偏振方向一致；協(xié)異則是指始終保持入、散偏振相差某一固定角度(協(xié)同是協(xié)異的一個(gè)特殊形式，即協(xié)異角度為零)。目前的顯微拉曼光譜實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)采用入射、散射光偏振分別控制裝置實(shí)現(xiàn)偏振調(diào)節(jié)。用于入射光偏振調(diào)節(jié)的半波片一般放在從激光器出射口前端；用于散射光檢偏的偏振片一般安裝在拉曼光譜儀主機(jī)內(nèi)部，而且除非特別定制否則只有水平和正交兩個(gè)偏振方向可手動(dòng)選擇切換(不能連續(xù)可調(diào))。入射光首先經(jīng)過半波片調(diào)整偏振方向后再入射到被測(cè)物體表面，而散射光要經(jīng)過偏振片檢偏后，再進(jìn)行光譜攝取。實(shí)驗(yàn)中要分別通過操縱半波片和偏振片的機(jī)構(gòu)來調(diào)節(jié)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(gòu)形選擇，但是對(duì)于需要隨時(shí)調(diào)整入、散射光偏振方向的實(shí)驗(yàn)來說操作相當(dāng)繁瑣，更無法實(shí)現(xiàn)連續(xù)、協(xié)同或任意角度協(xié)異地調(diào)節(jié)偏振方向。同時(shí)，調(diào)節(jié)散射光偏振方向必須打開光譜儀主機(jī)外殼，因此反復(fù)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(jīng)公開的有關(guān)拉曼光譜實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的連續(xù)協(xié)同調(diào)節(jié)方法與裝置的相關(guān)技術(shù)，僅能夠?qū)崿F(xiàn)入射、散射偏振的協(xié)同調(diào)節(jié)，而無法實(shí)現(xiàn)協(xié)異調(diào)節(jié)。

發(fā)明內(nèi)容
鑒于此，本發(fā)明的目的是提供一種能夠簡(jiǎn)便、連續(xù)地協(xié)同或協(xié)異調(diào)節(jié)入射與散射光偏振方向的顯微拉曼光譜實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。以下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明結(jié)構(gòu)裝置及技術(shù)原理進(jìn)行說明。偏振方向連續(xù)協(xié)同、協(xié)異可調(diào)的顯微拉曼光譜實(shí)驗(yàn)裝置，具有激光器、Edge濾光片、半波片、顯微鏡、偏振片和拉曼攝譜儀等。由激光器、Edge濾光片、顯微鏡和拉曼攝譜儀組成顯微拉曼光譜實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，在Edge 濾光片與顯微鏡之間設(shè)有半波片；在Edge濾光片與拉曼攝譜儀之間設(shè)有偏振片。由半波片和偏振片組成偏振協(xié)同/協(xié)異調(diào)節(jié)組件，激光器出射的激光經(jīng)過Edge濾光片反射、半波片透射、通過顯微鏡聚焦入射在被測(cè)物體表面。由顯微鏡收集發(fā)自于被測(cè)物體的散射光依次通過半波片、Edge濾光片和偏振片透射后進(jìn)入拉曼攝譜儀，由拉曼攝譜儀攝錄拉曼光譜信息。其中激光器出射激光的頻率與Edge濾光片的阻光頻率相一致(如圖1)。由于Edge濾光片和顯微鏡對(duì)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(biāo)出。針對(duì)需要連續(xù)協(xié)同調(diào)節(jié)入射光和散射光偏振方向的實(shí)驗(yàn)時(shí)半波片的快光軸初始方向與偏振片的檢偏方向設(shè)為與激光器出射激光的偏振方向平行。以沿光傳播方向觀察并取其法平面上順時(shí)針為正，當(dāng)需要將入射、散射光的偏振方向協(xié)同調(diào)整到與初始方向呈θ 角時(shí)，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(diào)節(jié)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°，并且散射光偏振方向始終與入射光偏振方向平行。針對(duì)需要連續(xù)協(xié)異調(diào)節(jié)入射光和散射光偏振方向的實(shí)驗(yàn)時(shí)(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(shè)為與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夾角α并保持不變，偏振片的檢偏方向與激光器出射激光的偏振方向也呈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(dāng)需要將入射、散射光的偏振方向協(xié)異調(diào)整到與各自初始方向呈θ 角時(shí)，也須將半波片的快光軸角度調(diào)節(jié)為θ/2角。θ角的定義與上述相同。本發(fā)明的工作原理為取激光器出射的激光初始在其法平面上以垂直方向偏振， 沿光傳播方向觀察并取其法平面上順時(shí)針為正。將半波片的快光軸方向調(diào)節(jié)到與入射光初始偏振方向呈θ Λ角，同時(shí)將偏振片的檢偏方向調(diào)整到與入射光初始偏振方向呈α角，則按照“沿光傳播方向觀察并取其法平面上順時(shí)針為正”這一規(guī)則，入射光經(jīng)過時(shí)半波片的快光軸角度為θ /2 ；返回的散射光經(jīng)過時(shí)半波片的快光軸角度取-θ /2，而偏振片的檢偏角度為a。當(dāng)入射激光經(jīng)過半波片后，其偏振角度變?yōu)?+2Χ( θ/2) = θ，即入射光到達(dá)被測(cè)物體時(shí)的偏振角度為θ (如圖幻。入射光繼續(xù)前行經(jīng)由顯微鏡入射在被測(cè)物體表面。從被測(cè)物體發(fā)出的散射光包含在其法平面內(nèi)任意方向的偏振，并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(gè)分量與入射光在其到達(dá)被測(cè)物體時(shí)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(jīng)過半波片時(shí)，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(zhuǎn)動(dòng)至(-θ - α )+2 X ( θ/2+α ) = α，即該偏振方向與入射激光的初始方向呈α角。而偏振角度為π/2-θ-α的散射光分量經(jīng)過半波片時(shí)，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(zhuǎn)動(dòng)至(η/2-θ-α)+2Χ (θ/2+α-π/2) = α - ji/2，即該偏振方向與入射激光初始方向呈α-π/2角?？梢?，經(jīng)過半波片后，初始偏振角度分別為-θ-α和Ji/2-θ-α 的兩個(gè)散射光分量，其偏振角度分別轉(zhuǎn)變?yōu)棣梁挺?π/2。這兩個(gè)正交的偏振光分量經(jīng)過偏振片時(shí)，偏振角度為α的散射光分量，由于其偏振方向恰與偏振片檢偏方向平行，因而透射通過進(jìn)入拉曼攝譜儀。偏振角度為α-π/2的分量，由于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(jìn)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(dá)被測(cè)物體表面的入射光偏振方向的夾角為-θ-(-θ-α) = a。當(dāng)a = 0時(shí)，無論θ為何值，入射光與散射光始終相互平行，實(shí)現(xiàn)了協(xié)同控制；當(dāng)α興0時(shí)，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(shí)現(xiàn)了協(xié)異控制。本發(fā)明的特點(diǎn)及有益效果是，可針對(duì)入射光與散射光偏振方向需要頻繁地、連續(xù)
4協(xié)同或者協(xié)異調(diào)節(jié)的要求，進(jìn)行偏振顯微拉曼實(shí)驗(yàn)分析。本發(fā)明可利用現(xiàn)有的顯微拉曼光譜實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行改裝，在不改變?cè)到y(tǒng)功能與精度的基礎(chǔ)上，增加入、散射光偏振連續(xù)協(xié)同或者協(xié)異調(diào)節(jié)的功能。與傳統(tǒng)式入、散射光分別控制的顯微拉曼光譜實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)相比，具有簡(jiǎn)便快捷、模塊化的特點(diǎn)。激光只通過一次偏振片，其強(qiáng)度損失要遠(yuǎn)比已有技術(shù)小，所以有利于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?qū)崿F(xiàn)本發(fā)明所有功能，還可用于反斯托克斯拉曼分析。


圖1是本發(fā)明結(jié)構(gòu)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(fā)明入射光部分的原理示意圖。圖中長折線為入射光，實(shí)線箭頭表示入射光的偏振方向，圓圈內(nèi)的實(shí)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(shí)線箭頭、圓圈內(nèi)的實(shí)線箭頭和θ均為沿光傳播方向觀察并取其法平面上順時(shí)針為正。圖3為本發(fā)明散射光部分的原理示意圖。圖中短折線為散射光，實(shí)線箭頭表示散射光的偏振方向，圓圈內(nèi)的實(shí)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(xié)異角度，實(shí)線箭頭、圓圈內(nèi)的實(shí)線箭頭、 θ和α均為沿光傳播方向觀察并取其法平面上順時(shí)針為正。
具體實(shí)施例方式以下結(jié)合附圖并通過具體實(shí)施方式
對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的說明。需要說明的是本實(shí)施例是敘述性的，而非限定性的，不以此限定本發(fā)明的保護(hù)范圍。偏振方向連續(xù)協(xié)同、協(xié)異可調(diào)的顯微拉曼光譜實(shí)驗(yàn)裝置，在光路的搭建及連接上 由激光器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(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。在Edge 濾光片2與顯微鏡4之間設(shè)有半波片3 ；在Edge濾光片2與拉曼攝譜儀7之間設(shè)有偏振片 6，由半波片3和偏振片6組成偏振協(xié)同或偏振協(xié)異調(diào)節(jié)組件。激光器1出射的激光經(jīng)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(cè)物體5表面，由顯微鏡4 收集發(fā)自于被測(cè)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透射后進(jìn)入拉曼攝譜儀7，由拉曼攝譜儀攝錄拉曼光譜信息。激光器1出射激光的頻率與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(nèi)部。Edge濾光片2可采用相應(yīng)阻光頻率的North濾光片替代。對(duì)連續(xù)協(xié)同調(diào)節(jié)入射光和散射光偏振方向的實(shí)驗(yàn)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(shè)為與所述激光器1出射激光的偏振方向平行。半波片3的快光軸轉(zhuǎn)動(dòng)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°，并且散射光偏振方向始終與入射光偏振方向平行。對(duì)協(xié)異調(diào)節(jié)入射光和散射光偏振方向的實(shí)驗(yàn)要求半波片3的快光軸初始設(shè)為與激光器1出射激光的偏振方向平行，入射光和散射光偏振方向的夾角為α并保持不變。偏振片6的檢偏方向與激光器1出射激光的偏振方向也呈α夾角，α角從-90° 90°。半波片3快光軸轉(zhuǎn)動(dòng)到與初始方向呈θ/2角，θ角從-90° 90°，并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(duì)某一單壁碳納米管纖維順向分析的實(shí)驗(yàn)測(cè)試為實(shí)施例。實(shí)驗(yàn)需要在0° 180°度之間以10°為步長，逐步分別協(xié)同和90°協(xié)異轉(zhuǎn)動(dòng)入射光和所采集散射光的偏振方向，測(cè)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(xié)同和90°協(xié)異散射光拉曼光譜G’強(qiáng)度及其變化規(guī)律。此實(shí)驗(yàn)分為協(xié)同測(cè)量和協(xié)異測(cè)量兩部分進(jìn)行。首先進(jìn)行協(xié)同測(cè)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(diào)整到與激光器出射激光的初始偏振方向平行。在0° 90°度范圍內(nèi)以5°為步長逐步調(diào)整半波片的快光軸角度，從而實(shí)現(xiàn)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(xié)同調(diào)節(jié)。在以上每個(gè)角度的偏振狀態(tài)下利用顯微鏡選取纖維表面隨機(jī)采樣點(diǎn)并采用拉曼攝譜儀采集各自的拉曼信息，得到實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1。然后進(jìn)行90°協(xié)異測(cè)量。將半波片的快光軸方向和纖維的軸向都調(diào)整到與激光器出射激光的初始偏振方向平行，然后將偏振片的檢偏方向調(diào)整到與激光器出射激光的初始偏振方向呈90°。在0° 90°度范圍內(nèi)以5°為步長逐步調(diào)整半波片的快光軸角度，從而實(shí)現(xiàn)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(xié)異調(diào)節(jié)。在以上每個(gè)角度的偏振狀態(tài)下，利用顯微鏡選取纖維表面隨機(jī)采樣點(diǎn)并采用拉曼攝譜儀采集各自的拉曼信息，得到實(shí)驗(yàn)結(jié)果也如表1。表1實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)
權(quán)利要求
1.偏振方向連續(xù)協(xié)同、協(xié)異可調(diào)的顯微拉曼光譜實(shí)驗(yàn)裝置，具有激光器(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)，其特征在于由激光器(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(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，在Edge濾光片⑵與顯微鏡⑷之間設(shè)有半波片⑶；在Edge濾光片⑵與拉曼攝譜儀(7)之間設(shè)有偏振片(6)，由半波片C3)和偏振片(6)組成偏振協(xié)同或偏振協(xié)異調(diào)節(jié)組件，激光器(1)出射的激光經(jīng)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(cè)物體(5)表面，由顯微鏡⑷收集發(fā)自于被測(cè)物體(5)的散射光依次通過半波片(3)、Edge濾光片( 和偏振片(6)透射后進(jìn)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(quán)利要求1所述的偏振方向連續(xù)協(xié)同、協(xié)異可調(diào)的顯微拉曼光譜實(shí)驗(yàn)裝置，其特征在于所述激光器(1)出射激光的頻率與所述Edge濾光片(2)阻光頻率相一致。
3.按照權(quán)利要求1所述的偏振方向連續(xù)協(xié)同、協(xié)異可調(diào)的顯微拉曼光譜實(shí)驗(yàn)裝置，其特征在于當(dāng)進(jìn)行連續(xù)協(xié)同調(diào)節(jié)入射光和散射光偏振方向的實(shí)驗(yàn)時(shí)，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(shè)為與所述激光器(1)出射激光的偏振方向平行；所述半波片(3)的快光軸轉(zhuǎn)動(dòng)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°，并且散射光偏振方向始終與入射光偏振方向平行。
4.按照權(quán)利要求1所述的偏振方向連續(xù)協(xié)同、協(xié)異可調(diào)的顯微拉曼光譜實(shí)驗(yàn)裝置，其特征在于當(dāng)進(jìn)行連續(xù)協(xié)異調(diào)節(jié)入射光和散射光偏振方向的實(shí)驗(yàn)時(shí)，所述半波片(3)的快光軸初始設(shè)為與所述激光器(1)出射激光的偏振方向平行，入射光和散射光偏振方向的夾角為α并保持不變，所述偏振片(6)的檢偏方向與所述激光器(1)出射激光的偏振方向也呈α夾角，α角從-90° 90° ；所述半波片(3)快光軸轉(zhuǎn)動(dòng)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°，并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(quán)利要求1所述的偏振方向連續(xù)協(xié)同、協(xié)異可調(diào)的顯微拉曼光譜實(shí)驗(yàn)裝置，其特征在于所述半波片( 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(nèi)部。
6.按照權(quán)利要求1或2所述的偏振方向連續(xù)協(xié)同、協(xié)異可調(diào)的顯微拉曼光譜實(shí)驗(yàn)裝置， 其特征在于所述Edge濾光片(2)可以采用相應(yīng)阻光頻率的North濾光片替換。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種偏振方向連續(xù)協(xié)同、協(xié)異可調(diào)的顯微拉曼光譜實(shí)驗(yàn)裝置。由激光器、Edge濾光片、顯微鏡和拉曼攝譜儀組成顯微拉曼光譜系統(tǒng)，由半波片、偏振片組成偏振協(xié)同/協(xié)異調(diào)節(jié)組件。激光器出射的激光由Edge濾光片反射、半波片透射、顯微鏡聚焦入射在被測(cè)物體表面。由顯微鏡收集的散射光依次透射通過半波片、Edge濾光片和偏振片后進(jìn)入拉曼攝譜儀攝錄光譜信息。通過將偏振片檢振角度設(shè)為零或非零值α，將半波片快光軸角度調(diào)節(jié)為偏振方向所需轉(zhuǎn)動(dòng)角度的一半，實(shí)現(xiàn)入射與散射光偏振方向協(xié)同或者α角協(xié)異調(diào)節(jié)。本發(fā)明在不改變傳統(tǒng)顯微拉曼光譜實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)功能與精度基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)了偏振協(xié)同與協(xié)異控制的模塊化、簡(jiǎn)單化和降低了制造成本。
文檔編號(hào)G02B27/28GK102426163SQ20111023539
公開日2012年4月25日 申請(qǐng)日期2011年8月18日 優(yōu)先權(quán)日2011年8月18日
發(fā)明者亢一瀾, 仇巍, 李秋, 鄧衛(wèi)林, 雷振坤 申請(qǐng)人:天津大學(xué)