專利名稱：顯微拉曼光譜系統(tǒng)偏振方向的簡便協(xié)同調(diào)節(jié)裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于物理光學(xué)測量技術(shù)，具體涉及一種調(diào)節(jié)顯微拉曼光譜系統(tǒng)中入射光和
散射光偏振方向的方法與裝置。
背景技術(shù)：
眾所周知，顯微拉曼光譜系統(tǒng)是一種將現(xiàn)代光學(xué)顯微技術(shù)與拉曼散射光譜儀相結(jié) 合的實(shí)驗(yàn)分析儀器，被廣泛應(yīng)用于諸多領(lǐng)域的實(shí)驗(yàn)分析。顯微拉曼光譜系統(tǒng)一般采用可見、 紫外或者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，諸如定量測量晶體材料的偏振拉曼參數(shù)、應(yīng)用 "碳納米管為傳感介質(zhì)的應(yīng)變分量無損檢測技術(shù)"進(jìn)行微尺度實(shí)驗(yàn)力學(xué)分析等測量工作，需 要在實(shí)驗(yàn)中隨時(shí)協(xié)同調(diào)節(jié)入射光和散射光的偏振方向，其中協(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。目前通用的入射、散射光偏振調(diào)節(jié)方法是入射光首先 經(jīng)過半波片(又名1/2波片)調(diào)整偏振方向后再通過顯微鏡入射到被測樣品表面，而散射 光要經(jīng)過偏振片檢偏、四分之一波片去偏后，再進(jìn)行光譜處理。實(shí)驗(yàn)中要分別通過轉(zhuǎn)動(dòng)半波 片的快光軸方向來調(diào)節(jié)入射光的偏振方向；通過轉(zhuǎn)動(dòng)偏振片的檢偏方向調(diào)節(jié)散射光的偏振 方向。這種分別控制的方法雖然提供了最多的偏振構(gòu)形選擇，但是對于需要隨時(shí)調(diào)整入射 光和散射光的偏振方向的實(shí)驗(yàn)分析而言，偏振調(diào)節(jié)操作相當(dāng)繁瑣。同時(shí)，由于散射光檢偏裝 置一般都安裝在拉曼光譜儀內(nèi)部，調(diào)節(jié)其偏振方向需打開光譜儀外殼，因此反復(fù)的操作容 易給光譜儀造成損壞，同時(shí)帶入的灰塵要影響其精度和壽命。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種應(yīng)用于顯微拉曼光譜系統(tǒng)中的，能夠簡便、協(xié)同地調(diào)節(jié) 入射光與散射光偏振方向的技術(shù)與裝置。 以下結(jié)合附圖對本發(fā)明的技術(shù)原理進(jìn)行說明。本發(fā)明具有激光器、入射出射光接 口、半波片、偏振片、顯微鏡和拉曼光譜儀。由激光器、入射出射光接口、顯微鏡和拉曼光譜 儀組成顯微拉曼光譜系統(tǒng)；作為本發(fā)明核心，由半波片和偏振片組成偏振調(diào)節(jié)組件，實(shí)現(xiàn)了 偏振控制的模塊化(如圖1)。在光路的搭建或連接上激光器出射的激光依次經(jīng)過入射出 射光接口 、半波片和偏振片后通過顯微鏡入射在被測物體表面。由顯微鏡收集發(fā)自于被測 物體的背向散射光依次經(jīng)過偏振片與半波片后通過入射出射光接口進(jìn)入拉曼光譜儀形成 拉曼光譜信息。偏振調(diào)節(jié)組件可以根據(jù)具體顯微拉曼光譜系統(tǒng)的差異安裝在入射出射光接 口處與顯微鏡之間，也可以安裝在顯微鏡內(nèi)部。半波片的快光軸方向和偏振片的檢偏方向 初始設(shè)為與激光器出射激光的偏振方向平行。當(dāng)需要將入射、散射光的偏振方向協(xié)同調(diào)節(jié) 到與其初始方向呈e角時(shí)，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e /2角，同時(shí)將偏振片的檢偏角度(即檢偏方向與入射光初始方向的夾角)調(diào) 節(jié)為e角。
顯微拉曼光譜系統(tǒng)偏振方向的簡便協(xié)同調(diào)節(jié)方法的原理如圖2和圖3所示。其 中由于入射出射光接口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中無須標(biāo)出。設(shè)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。依照本發(fā)明提出的方法，將半波片的快光軸調(diào)節(jié)到與入射 光初始偏振方向呈e/2角，偏振片的檢偏角度為e ，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e /2，偏振片的檢偏角 度為e ;返回的散射光經(jīng)過時(shí)半波片的快光軸角度取-e/2，偏振片的檢偏角度為-e 。如 圖2，當(dāng)入射激光經(jīng)過半波片后，其偏振方向變?yōu)閛+2X(e/2) = e。然后經(jīng)過偏振片時(shí)， 由于偏振片檢偏角度也同為e ，激光偏振方向沒有改變并繼續(xù)前進(jìn)經(jīng)由顯微鏡后入射在被 測樣品表面。如圖3，從被測樣品表面背向散射的散射光包含在其發(fā)平面內(nèi)任意方向的偏 振，并可通過正交分解，得到偏振方向?yàn)?e (實(shí)際上與入射光偏振方向平行)的分量和偏 振方向?yàn)?e+n/2(實(shí)際上與入射光偏振方向垂直)的分量。散射光進(jìn)入偏振片時(shí)，其偏 振方向?yàn)?e + Ji /2的分量由于垂直偏振片的檢偏方向-e因而被阻擋，而散射光中偏振方 向?yàn)?e的分量與偏振片的檢偏方向平行而透過偏振片進(jìn)入半波片。由于進(jìn)入半波片前散 射光的偏振方向距離半波片快光軸的夾角為(-e/2)-(-e) = e/2，因此其偏振方向轉(zhuǎn)動(dòng) 至-e +2X (e /2) = o，即以入射激光的初始方向進(jìn)入拉曼光譜儀。


圖1是本發(fā)明光路搭建的結(jié)構(gòu)示意圖，其中長折線為入射光，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，其中長折線為入射光，箭頭線表示入射 的偏振方向(沿光傳播方向觀察并以其法平面上順時(shí)針為正)，圓圈內(nèi)的箭頭線表示半波 片的快光軸方向或偏振片的檢偏方向。圖3為本發(fā)明散射光部分的原理示意圖，其中短折線為散射光，箭頭線表示散射 光的偏振方向(沿光傳播方向觀察并以其法平面上順時(shí)針為正)，圓圈內(nèi)的箭頭線表示半 波片的快光軸方向或偏振片的檢偏方向。
具體實(shí)施例 以下結(jié)合附圖并通過具體實(shí)施方式
對本發(fā)明的方法做進(jìn)一步的說明。顯微拉曼光 譜系統(tǒng)偏振方向的簡便協(xié)同調(diào)節(jié)裝置，其組成結(jié)構(gòu)為激光器1出射的激光依次經(jīng)過入射出 射光接口 2、半波片3和偏振片4后通過顯微鏡5入射在被測物體6表面，由顯微鏡5收集 的背向散射光依次經(jīng)過偏振片4與半波片3后通過入射出射光接口 2進(jìn)入拉曼光譜儀7形 成拉曼光譜信息。由半波片3、偏振片4組成的偏振調(diào)節(jié)組件也可以安裝在入射出射光接 口 2與顯微鏡5之間，或安裝在顯微鏡5內(nèi)部。半波片3的快光軸角度和偏振片4的檢偏 角度初始設(shè)為零，即快光軸方向和檢偏方向都與激光器l出射激光的偏振方向平行。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9角時(shí)，轉(zhuǎn)動(dòng)半波片3的快光軸到 與初始方向呈9 /2角，同時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)偏振片4的檢偏角度至9角。 以采用"碳納米管為傳感介質(zhì)的應(yīng)變分量無損檢測技術(shù)"進(jìn)行微尺度實(shí)驗(yàn)力學(xué)分 析為實(shí)施例。根據(jù)45°拉曼應(yīng)變測量法方程組，即公式<formula>formula see original document page 5</formula> 式中，A Q
拉曼光譜的頻移增i
(0) 、 A Q (45)
和A Q (9Q)分別代表偏振方向?yàn)?° 、45°和90 e x和e y分別代表被測物體表面X、 Y方向的正應(yīng)變分l
WS SOT為碳納米管應(yīng)變傳感介質(zhì)的應(yīng)變_頻移因子，已知Wf
時(shí)被測點(diǎn)
t， Yxy為剪 1815cm—、
應(yīng)變分量 使用操作中，首先將半波片的快光軸角度與偏振片的檢偏角度都調(diào)節(jié)成O。，采集 被測樣品的顯微拉曼光譜信息并進(jìn)一步處理得到頻移增量A Q (Q) = -9. 287cm—1 ;然后將半 波片的快光軸角度調(diào)節(jié)為22.5。，偏振片的檢偏角度調(diào)節(jié)成45。，采集被測樣品的顯微拉 曼光譜信息并進(jìn)一步處理得到頻移增量A Q (45) = -9. 226cm—1 ;最后將半波片的快光軸角 度調(diào)節(jié)為4.5。，偏振片的檢偏角度調(diào)節(jié)成90。，采集被測樣品的顯微拉曼光譜信息并進(jìn)
1
步處理得到頻移增量A Q (9°) = -9. 408cm—、代入上述方程組<formula>formula see original document page 5</formula>
并且YXY " 0，因此被測樣品的測量位置處于"等雙軸拉伸載荷狀
<formula>formula see original document page 5</formula> 本發(fā)明的特點(diǎn)及有益效果是，專門針對入射光與散射光的偏振方向需要經(jīng)常性協(xié) 同調(diào)節(jié)的偏振顯微拉曼實(shí)驗(yàn)分析，具有簡便、有效、模塊化的特點(diǎn)。利用顯微拉曼光譜系統(tǒng) 中入射光和散射光的共享光路，在實(shí)現(xiàn)測量分析要求的前提下實(shí)現(xiàn)了入射光與散射光的偏 振方向協(xié)同調(diào)節(jié)的簡單化。作為本發(fā)明實(shí)施核心部分，由半波片和偏振片構(gòu)成偏振調(diào)節(jié)組 件實(shí)現(xiàn)了偏振控制的模塊化。偏振調(diào)節(jié)組件的安裝位置在實(shí)驗(yàn)操作人員臂展范圍之內(nèi)，不 需其走動(dòng)或者其他實(shí)驗(yàn)人員協(xié)助，更為進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)自動(dòng)化控制提控了可行性。此外， 由于大多顯微拉曼光譜系統(tǒng)的激光器出射光的初始偏振方向平行于其光譜儀內(nèi)部的光柵 方向，本發(fā)明保證了進(jìn)入光譜儀的散射光的偏振方向與光柵方向一致，從而有利于(可見 光激發(fā)的)拉曼散射信息獲得最大的光柵衍射效率，進(jìn)而得到最佳的光譜對比度。
權(quán)利要求
顯微拉曼光譜系統(tǒng)偏振方向的簡便協(xié)同調(diào)節(jié)裝置，具有激光器(1)、入射出射光接口(2)、半波片(3)、偏振片(4)、顯微鏡(5)和拉曼光譜儀(7)，其特征在于由激光器(1)、入射出射光接口(2)、顯微鏡(5)和拉曼光譜儀(7)組成顯微拉曼光譜系統(tǒng)，由半波片(3)、偏振片(4)組成偏振調(diào)節(jié)組件，激光器(1)出射的激光依次經(jīng)過入射出射光接口(2)、半波片(3)和偏振片(4)后通過顯微鏡(5)入射在被測物體(6)表面，由顯微鏡(5)收集的背向散射光依次經(jīng)過偏振片(4)與半波片(3)后通過入射出射光接口(2)進(jìn)入拉曼光譜儀(7)形成拉曼光譜信息。
2. 按照權(quán)利要求1所述的顯微拉曼光譜系統(tǒng)偏振方向的簡便協(xié)同調(diào)節(jié)裝置，其特征在 于所述由半波片(3)、偏振片(4)組成的偏振調(diào)節(jié)組件可以安裝在所述入射出射光接口 (2) 與顯微鏡(5)之間，或安裝在所述顯微鏡(5)內(nèi)部。
3. 按照權(quán)利要求1或2所述的顯微拉曼光譜系統(tǒng)偏振方向的簡便協(xié)同調(diào)節(jié)裝置，其特 征在于所述半波片(3)的快光軸方向和所述偏振片(4)的檢偏方向初始方向設(shè)為與激光器 (1)出射激光的偏振方向平行，入射、散射光的偏振方向協(xié)同調(diào)節(jié)到與初始方向呈e角，所 述半波片(3)快光軸轉(zhuǎn)動(dòng)到與初始方向呈e/2角，所述偏振片(4)檢偏方向轉(zhuǎn)動(dòng)到與初始 方向呈9角。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種應(yīng)用于顯微拉曼光譜系統(tǒng)中的，能夠簡便、協(xié)同地調(diào)節(jié)入射與散射光偏振方向的技術(shù)與裝置。由激光器、入射出射光接口、顯微鏡和拉曼光譜儀組成顯微拉曼光譜系統(tǒng)，由半波片、偏振片組成偏振調(diào)節(jié)組件。激光器出射的激光依次經(jīng)過入射出射光接口、半波片和偏振片后通過顯微鏡入射在被測物體表面。由顯微鏡收集的背向散射光依次經(jīng)過偏振片與半波片后通過入射出射光接口進(jìn)入拉曼光譜儀形成光譜信息。本發(fā)明通過將半波片快光軸角度和偏振片檢偏角度分別調(diào)節(jié)為偏振方向所需轉(zhuǎn)動(dòng)角度的一半和相等，實(shí)現(xiàn)入射與散射光偏振方向的協(xié)同調(diào)節(jié)。本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了偏振控制的模塊化，保證了進(jìn)入光譜儀的散射光獲得最大光柵衍射效率進(jìn)而得到最佳光譜對比度。
文檔編號(hào)G01N21/65GK101776605SQ20101010203
公開日2010年7月14日 申請日期2010年1月28日 優(yōu)先權(quán)日2010年1月28日
發(fā)明者亢一瀾, 仇巍, 李秋, 雷振坤 申請人:天津大學(xué)