专利名称：显微拉曼光谱系统偏振方向的简便协同调节装置的制作方法
技术领域：
本发明属于物理光学测量技术，具体涉及一种调节显微拉曼光谱系统中入射光和
散射光偏振方向的方法与装置。
背景技术：
众所周知，显微拉曼光谱系统是一种将现代光学显微技术与拉曼散射光谱仪相结 合的实验分析仪器，被广泛应用于诸多领域的实验分析。显微拉曼光谱系统一般采用可见、 紫外或者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，诸如定量测量晶体材料的偏振拉曼参数、应用 "碳纳米管为传感介质的应变分量无损检测技术"进行微尺度实验力学分析等测量工作，需 要在实验中随时协同调节入射光和散射光的偏振方向，其中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。目前通用的入射、散射光偏振调节方法是入射光首先 经过半波片(又名1/2波片)调整偏振方向后再通过显微镜入射到被测样品表面，而散射 光要经过偏振片检偏、四分之一波片去偏后，再进行光谱处理。实验中要分别通过转动半波 片的快光轴方向来调节入射光的偏振方向；通过转动偏振片的检偏方向调节散射光的偏振 方向。这种分别控制的方法虽然提供了最多的偏振构形选择，但是对于需要随时调整入射 光和散射光的偏振方向的实验分析而言，偏振调节操作相当繁琐。同时，由于散射光检偏装 置一般都安装在拉曼光谱仪内部，调节其偏振方向需打开光谱仪外壳，因此反复的操作容 易给光谱仪造成损坏，同时带入的灰尘要影响其精度和寿命。

发明内容
本发明的目的是提供一种应用于显微拉曼光谱系统中的，能够简便、协同地调节 入射光与散射光偏振方向的技术与装置。 以下结合附图对本发明的技术原理进行说明。本发明具有激光器、入射出射光接 口、半波片、偏振片、显微镜和拉曼光谱仪。由激光器、入射出射光接口、显微镜和拉曼光谱 仪组成显微拉曼光谱系统；作为本发明核心，由半波片和偏振片组成偏振调节组件，实现了 偏振控制的模块化(如图1)。在光路的搭建或连接上激光器出射的激光依次经过入射出 射光接口 、半波片和偏振片后通过显微镜入射在被测物体表面。由显微镜收集发自于被测 物体的背向散射光依次经过偏振片与半波片后通过入射出射光接口进入拉曼光谱仪形成 拉曼光谱信息。偏振调节组件可以根据具体显微拉曼光谱系统的差异安装在入射出射光接 口处与显微镜之间，也可以安装在显微镜内部。半波片的快光轴方向和偏振片的检偏方向 初始设为与激光器出射激光的偏振方向平行。当需要将入射、散射光的偏振方向协同调节 到与其初始方向呈e角时，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e /2角，同时将偏振片的检偏角度(即检偏方向与入射光初始方向的夹角)调 节为e角。
显微拉曼光谱系统偏振方向的简便协同调节方法的原理如图2和图3所示。其 中由于入射出射光接口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中无须标出。设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。依照本发明提出的方法，将半波片的快光轴调节到与入射 光初始偏振方向呈e/2角，偏振片的检偏角度为e ，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e /2，偏振片的检偏角 度为e ;返回的散射光经过时半波片的快光轴角度取-e/2，偏振片的检偏角度为-e 。如 图2，当入射激光经过半波片后，其偏振方向变为o+2X(e/2) = e。然后经过偏振片时， 由于偏振片检偏角度也同为e ，激光偏振方向没有改变并继续前进经由显微镜后入射在被 测样品表面。如图3，从被测样品表面背向散射的散射光包含在其发平面内任意方向的偏 振，并可通过正交分解，得到偏振方向为-e (实际上与入射光偏振方向平行)的分量和偏 振方向为-e+n/2(实际上与入射光偏振方向垂直)的分量。散射光进入偏振片时，其偏 振方向为-e + Ji /2的分量由于垂直偏振片的检偏方向-e因而被阻挡，而散射光中偏振方 向为-e的分量与偏振片的检偏方向平行而透过偏振片进入半波片。由于进入半波片前散 射光的偏振方向距离半波片快光轴的夹角为(-e/2)-(-e) = e/2，因此其偏振方向转动 至-e +2X (e /2) = o，即以入射激光的初始方向进入拉曼光谱仪。


图1是本发明光路搭建的结构示意图，其中长折线为入射光，短折线为散射光。
图2为本发明入射光部分的原理示意图，其中长折线为入射光，箭头线表示入射 的偏振方向(沿光传播方向观察并以其法平面上顺时针为正)，圆圈内的箭头线表示半波 片的快光轴方向或偏振片的检偏方向。图3为本发明散射光部分的原理示意图，其中短折线为散射光，箭头线表示散射 光的偏振方向(沿光传播方向观察并以其法平面上顺时针为正)，圆圈内的箭头线表示半 波片的快光轴方向或偏振片的检偏方向。
具体实施例 以下结合附图并通过具体实施方式
对本发明的方法做进一步的说明。显微拉曼光 谱系统偏振方向的简便协同调节装置，其组成结构为激光器1出射的激光依次经过入射出 射光接口 2、半波片3和偏振片4后通过显微镜5入射在被测物体6表面，由显微镜5收集 的背向散射光依次经过偏振片4与半波片3后通过入射出射光接口 2进入拉曼光谱仪7形 成拉曼光谱信息。由半波片3、偏振片4组成的偏振调节组件也可以安装在入射出射光接 口 2与显微镜5之间，或安装在显微镜5内部。半波片3的快光轴角度和偏振片4的检偏 角度初始设为零，即快光轴方向和检偏方向都与激光器l出射激光的偏振方向平行。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9角时，转动半波片3的快光轴到 与初始方向呈9 /2角，同时转动偏振片4的检偏角度至9角。 以采用"碳纳米管为传感介质的应变分量无损检测技术"进行微尺度实验力学分 析为实施例。根据45°拉曼应变测量法方程组，即公式<formula>formula see original document page 5</formula> 式中，A Q
拉曼光谱的频移增i
(0) 、 A Q (45)
和A Q (9Q)分别代表偏振方向为0° 、45°和90 e x和e y分别代表被测物体表面X、 Y方向的正应变分l
WS SOT为碳纳米管应变传感介质的应变_频移因子，已知Wf
时被测点
t， Yxy为剪 1815cm—、
应变分量 使用操作中，首先将半波片的快光轴角度与偏振片的检偏角度都调节成O。，采集 被测样品的显微拉曼光谱信息并进一步处理得到频移增量A Q (Q) = -9. 287cm—1 ;然后将半 波片的快光轴角度调节为22.5。，偏振片的检偏角度调节成45。，采集被测样品的显微拉 曼光谱信息并进一步处理得到频移增量A Q (45) = -9. 226cm—1 ;最后将半波片的快光轴角 度调节为4.5。，偏振片的检偏角度调节成90。，采集被测样品的显微拉曼光谱信息并进
1
步处理得到频移增量A Q (9°) = -9. 408cm—、代入上述方程组<formula>formula see original document page 5</formula>
并且YXY " 0，因此被测样品的测量位置处于"等双轴拉伸载荷状
<formula>formula see original document page 5</formula> 本发明的特点及有益效果是，专门针对入射光与散射光的偏振方向需要经常性协 同调节的偏振显微拉曼实验分析，具有简便、有效、模块化的特点。利用显微拉曼光谱系统 中入射光和散射光的共享光路，在实现测量分析要求的前提下实现了入射光与散射光的偏 振方向协同调节的简单化。作为本发明实施核心部分，由半波片和偏振片构成偏振调节组 件实现了偏振控制的模块化。偏振调节组件的安装位置在实验操作人员臂展范围之内，不 需其走动或者其他实验人员协助，更为进一步实现计算机自动化控制提控了可行性。此外， 由于大多显微拉曼光谱系统的激光器出射光的初始偏振方向平行于其光谱仪内部的光栅 方向，本发明保证了进入光谱仪的散射光的偏振方向与光栅方向一致，从而有利于(可见 光激发的)拉曼散射信息获得最大的光栅衍射效率，进而得到最佳的光谱对比度。
权利要求
显微拉曼光谱系统偏振方向的简便协同调节装置，具有激光器(1)、入射出射光接口(2)、半波片(3)、偏振片(4)、显微镜(5)和拉曼光谱仪(7)，其特征在于由激光器(1)、入射出射光接口(2)、显微镜(5)和拉曼光谱仪(7)组成显微拉曼光谱系统，由半波片(3)、偏振片(4)组成偏振调节组件，激光器(1)出射的激光依次经过入射出射光接口(2)、半波片(3)和偏振片(4)后通过显微镜(5)入射在被测物体(6)表面，由显微镜(5)收集的背向散射光依次经过偏振片(4)与半波片(3)后通过入射出射光接口(2)进入拉曼光谱仪(7)形成拉曼光谱信息。
2. 按照权利要求1所述的显微拉曼光谱系统偏振方向的简便协同调节装置，其特征在 于所述由半波片(3)、偏振片(4)组成的偏振调节组件可以安装在所述入射出射光接口 (2) 与显微镜(5)之间，或安装在所述显微镜(5)内部。
3. 按照权利要求1或2所述的显微拉曼光谱系统偏振方向的简便协同调节装置，其特 征在于所述半波片(3)的快光轴方向和所述偏振片(4)的检偏方向初始方向设为与激光器 (1)出射激光的偏振方向平行，入射、散射光的偏振方向协同调节到与初始方向呈e角，所 述半波片(3)快光轴转动到与初始方向呈e/2角，所述偏振片(4)检偏方向转动到与初始 方向呈9角。
全文摘要
本发明公开了一种应用于显微拉曼光谱系统中的，能够简便、协同地调节入射与散射光偏振方向的技术与装置。由激光器、入射出射光接口、显微镜和拉曼光谱仪组成显微拉曼光谱系统，由半波片、偏振片组成偏振调节组件。激光器出射的激光依次经过入射出射光接口、半波片和偏振片后通过显微镜入射在被测物体表面。由显微镜收集的背向散射光依次经过偏振片与半波片后通过入射出射光接口进入拉曼光谱仪形成光谱信息。本发明通过将半波片快光轴角度和偏振片检偏角度分别调节为偏振方向所需转动角度的一半和相等，实现入射与散射光偏振方向的协同调节。本发明实现了偏振控制的模块化，保证了进入光谱仪的散射光获得最大光栅衍射效率进而得到最佳光谱对比度。
文档编号G01N21/65GK101776605SQ20101010203
公开日2010年7月14日 申请日期2010年1月28日 优先权日2010年1月28日
发明者亢一澜, 仇巍, 李秋, 雷振坤 申请人:天津大学