一种通道光谱型偏振拉曼光谱仪及测量方法技术

本发明专利技术涉及一种光学技术领域，具体地涉及一种通道光谱型偏振拉曼光谱仪及测量方法。一种通道光谱型偏振拉曼光谱仪及测量方法，方法如下：将入射激光变为偏振入射激光；偏振入射激光被聚焦在样品平面产生拉曼效应产生拉曼散射光；拉曼散射光经偏振调制至频域，形成通道化的拉曼光谱。本发明专利技术提出的通道光谱型偏振拉曼光谱仪采用一个包含消色差四分之一波片、高阶延迟器、偏振片的偏振调制模块来将偏振信息调制到光谱上，然后通过光谱仪记录，最后从调制光谱中将偏振信息解调出来，通道光谱型偏振拉曼光谱仪拥有更高的时间分辨率，没有运动部件等优势。部件等优势。部件等优势。

【技术实现步骤摘要】
一种通道光谱型偏振拉曼光谱仪及测量方法


[0001]本专利技术涉及一种光学
，具体地涉及一种通道光谱型偏振拉曼光谱仪及测量方法。

技术介绍

[0002]拉曼效应早在1928年就由C.V.Raman和K.S.Krishnan提出，他们开启了光与物质非弹性散射相互作用的研究，并指出在散射光中存在波长红移的次级散射光。该次级散射光被称为拉曼散射光，以其发现者的名字命名。在拉曼散射过程中，入射电磁波会导致分子内部的电子云位移，从而使分子产生诱导偶极矩。
[0003]诱导偶极矩中一部分的辐射光的频率与入射光的频率是一致的，这部分光被称为瑞利散射光，是光与物质弹性作用的散射光。根据现代量子分析的观点，当光子与处于基态的分子相互作用时，会把分子激发到一个短寿命的虚拟能级，然后处在虚拟能级的分子会很快的回到基态，并释放出与入射光子相同能量的光子，这个就是弹性散射的过程。
[0004]除了弹性散射，还有非常小的概率，通常是少于百万分之一的入射光子，会与分子产生非弹性作用，此时处在虚拟能级的分子会回到某个振动态，而不是基态，同时释放出比入射光子能量更低的散射光子，即发生波长红移，此时的散射光就被称作拉曼散射光，也称作斯托克斯散射光。
[0005]散射光中能量比入射光更高的散射光则被称为反斯托克斯散射光，在反斯托克斯散射中，光子将原本就处在振动态的分子激发至更高的虚拟能级，然后处在虚拟能级的分子回到基态，释放出比入射光子能量更高的散射光子，即发生波长蓝移。根据玻尔兹曼分布，在室温下，处在振动基态的分子要比激发态的分子数量更多，所以斯托克斯散射(拉曼散射)比反斯托克斯散射更容易出现。无论是拉曼散射还是反斯托克斯散射，他们和入射光的频率差值都为一个定值，这个频率差由分子的固有化学结构决定，故拉曼光谱可以提供分子的指纹信息，能用于识别和区分复合物中的分子。
[0006]拉曼光谱对应特定分子的振动能级，具有高特异性的优点。拉曼光谱技术更是一种无损检测技术，几乎不需样品制备，不需要对样品进行标记，且对固体、液体和气体样品都能进行测量，是一种极其优越的光学检测技术。虽然拉曼光谱技术拥有如此多的优点，但由于拉曼散射的效率非常低(少于百万分之一的入射光子才能发生非弹性散射)，因此要成功的观测到拉曼信号且获取有效的分子信息很大程度上取决于仪器收集微弱拉曼信号的能力。虽然拉曼效应早在九十多年前就被发现，但拉曼光谱技术的高速发展和应用是在近几十年才出现的，这主要是由于现代激光技术、滤光技术以及高灵敏探测器的发展引起的。激光技术的发展使得激光器体积更小巧，激光功率更大，能激发出更强的拉曼散射；滤光技术的发展使得更高效率的滤光片能够被制造出来，从而达到更好的滤除瑞利散射光和提取出微弱的拉曼散射信号的目的；高灵敏探测器的发展，提升了弱光信号的收集效率，使得微弱的拉曼散射信号能够被记录下来。
[0007]拉曼光谱技术由于其高特异性、无损、不需要样品制备及标记等优点，在生物医学
和临床诊断等领域应用非常广泛，通常与显微镜相结合。典型的拉曼显微系统基于共聚焦显微镜，其中共聚焦性描述的是显微镜拒绝来自其聚焦点以外的光的能力，一般通过设置一个与显微镜聚焦的点共轭的小孔来实现，该共轭的小孔同时也能防止离焦点的光进入探测器，可以有效的滤除目标样本点以外的背景信息，但同时共聚焦也有无法实时成像的缺点，图像的获取需要通过点扫描来实现。典型的拉曼显微系统工作原理如图1所示。
[0008]如图1所示，入射激光首先被保偏光纤耦合进入系统，耦合光纤靠近系统的一端处在准直镜的焦点处，然后经过准直镜的准直，变为更大半径的平行激光束，随后激光分别两块平面反射镜和一个陷波二向分束器的反射作用，进入高数值孔径的显微物镜，最后被聚焦在样品平面上。其中高数值孔径的显微物镜可以使得聚焦的光斑更小，激光强度更高，更容易精确的在目标点激发出更强的拉曼信号，并且高数值孔径的显微物镜同样可以收集更大角度内的散射光，从而增加信号收集的效率。在陷波二向分束器之前还放置了一个超窄带通滤光片，也被称为激光线滤光片，该滤光片用于滤除激光以外的杂散光，杂散光主要来源于光纤中二氧化硅的拉曼散射，从而保障到达样品平面的激光的纯净度。由于基于共聚焦显微镜的拉曼光谱仪一次只能探测单点，为了实现对样品平面的点扫描，样品被放置在一个电控位移台上，可以实现水平平面的运动和扫描。
[0009]激光和样品在样品平面相互作用后产生的散射光被同一个高数值孔径的物镜收集，该模式下收集的光被称为后向散射光，后向散射光被反射镜反射后打到陷波二向分束器平面上，陷波二向分束器是陷波滤光片和分束器的结合，具有波长选择作用，在入射激光波长为中心的一个范围内的光将被反射，而其余光会被透射，故散射光中的瑞利散射光将被反射，而拉曼散射光将透过该陷波二向分束器进入信号收集光路。值得一提的是，陷波二向分束器的成功制造得益于先进滤光技术的发展，它不仅能将激光反射并引导到样品平面，还能使得微弱的拉曼信号可以从很强的瑞利散射背景中提取出来，使得拉曼光谱系统可以做的更加紧凑和小型化，大大降低了仪器的应用成本。从陷波二向分束器透过的散射光再通过一个二向分束器，该分束器会反射波长较短的光(反斯托克斯信号及可见光背景)，而透射波长较长的光即拉曼散射光，反射的光被成像镜成像在一个面阵探测器上，实现样品平面的亮场成像，而透射的拉曼散射光再经过一个陷波滤光片进一步滤除瑞利散射背景后，被透镜聚焦在光纤端口，然后由经过光纤传输到光谱仪中，实现拉曼光谱信号的记录。这里的光纤口与激光聚焦在样品平面的光斑成共轭关系，满足共聚焦的条件。

技术实现思路

[0010]本专利技术旨在针对上述问题，提出一种通道光谱型偏振拉曼光谱仪及测量方法。
[0011]本专利技术的技术方案在于：(一)本专利技术提出一种通道光谱型偏振拉曼光谱测量方法。
[0012]一种通道光谱型偏振拉曼光谱测量方法，方法如下：将入射激光变为偏振入射激光；偏振入射激光被聚焦在样品平面产生拉曼效应产生拉曼散射光；拉曼散射光经偏振调制至频域，形成通道化的拉曼光谱。
[0013]还包括，从通道化的拉曼光谱中提取偏振拉曼光谱。
[0014]所述形成通道化的拉曼光谱的具体过程为：拉曼散射光依次通过消色差四分之一波片、高阶延迟器及第二线偏振片形成通道化的拉曼光谱；其中，消色差四分之一波片的快
轴方向为0
°
；高阶延迟器的快轴方向为45
°
，第二线偏振片的透过轴方向为0
°
。
[0015]所述高阶延迟器的延迟量为拉曼光谱信号截止频率的三分之二。
[0016]所述从通道化的拉曼光谱中提取偏振拉曼光谱的具体过程为：将通道化的拉曼光谱从时域变换到频域；通道化的拉曼光谱在频域中形成一个低频通道和2个对称的高频通道，取出低频通道，并从频域变换回时域，提取出光谱信息；再取出高频通道，并从频域变换回时域，再经过相位校正，提取出偏振信息；具体过程为：与传统的拉曼光谱仪相比，本专利技术通道光谱型偏振拉曼光谱仪(CPRM)通过偏振调制模本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种通道光谱型偏振拉曼光谱测量方法，其特征在于，方法如下：将入射激光变为偏振入射激光；偏振入射激光被聚焦在样品平面(9)产生拉曼效应产生拉曼散射光；拉曼散射光经偏振调制至频域，形成通道化的拉曼光谱。2.根据权利要求1所述通道光谱型偏振拉曼光谱测量方法，其特征在于，还包括，从通道化的拉曼光谱中提取偏振拉曼光谱。3.根据权利要求2所述通道光谱型偏振拉曼光谱测量方法，其特征在于，所述形成通道化的拉曼光谱的具体过程为：拉曼散射光依次通过消色差四分之一波片(11)、高阶延迟器(15)及第二线偏振片(12)形成通道化的拉曼光谱；其中，消色差四分之一波片(11)的快轴方向为0
°
；高阶延迟器(15)的快轴方向为45
°
，第二线偏振片(12)的透过轴方向为0
°
。4.根据权利要求3所述通道光谱型偏振拉曼光谱测量方法，其特征在于，所述高阶延迟器(15)的延迟量为拉曼光谱信号截止频率的三分之二。5.根据权利要求4所述通道光谱型偏振拉曼光谱测量方法，其特征在于，所述从通道化的拉曼光谱中提取偏振拉曼光谱的具体过程为：将通道化的拉曼光谱从时域变换到频域；通道化的拉曼光谱在频域中形成一个低频通道和2个对称的高频通道；取出低频通道，并从频域变换回时域，提取出光谱信息；再取出高频通道，并从频域变换回时域，再经过相位校正，提取出偏振信息。6.根据权利要求5所述通道光谱型偏振拉曼光谱测量方法，其特征在于，方法如下：入射激光经过准直镜(1)准直后调整为平行光束，通过超窄带通滤光片(2)滤除入射激光波长以外的杂散光，再依次通过第一线偏振片(3)及半波片(4)，将入射激光变为偏振入射激光；偏振入射激光透过分束器(5)后透射至陷波二向分束器(6)后再反射至平面反射镜(7)，平面反射镜(7)再反射至显微物镜(8)，经显微物镜(8)汇聚聚焦在样品平面(9)上，偏振入射激光与样品平面(9)作用后产生瑞利散射光及拉曼散射光；经显微物镜(8)收集后再通过平面反射镜(7)反射至陷波二向分束器(6)；其中，拉曼散射光透过陷波二向分束器(6)，再通过陷波滤波片(10)滤除残余...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈泽宇，张淳民，穆廷魁，
申请(专利权)人：陈泽宇，
类型：发明
国别省市：