一种通道光谱型偏振拉曼光谱仪及测量方法与流程

1.本发明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。


背景技术：

2.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。
3.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。
4.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。
5.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。
6.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。
7.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。
8.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。
9.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。


技术实现要素：

10.本发明旨在针对上述问题，提出一种通道光谱型偏振拉曼光谱仪及测量方法。
11.本发明的技术方案在于：(一)本发明提出一种通道光谱型偏振拉曼光谱测量方法。
12.一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。
13.还包括，从通道化的拉曼光谱中提取偏振拉曼光谱。
14.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
°
。
15.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。
16.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，本发明通道光谱型偏振拉曼光谱仪(cprm)通过偏振调制模块将偏振信息调制到了频域的不同通道上，然后被光谱仪记录，偏振信息最后通过傅里叶变换方法从频域中解调出来，从而使cprm拥有额外的偏振探测能力，下面介绍cprm系统通道调制的原理；模拟调制光谱i
modulated
可以表示为式中：σ是波数，cm-1
；s1、s2和s3是线偏振分量，无量纲；为相位偏移量，rad；由厚延迟器引入；b为延迟器的双折射系数，无量纲；d为延迟器的厚度，cm；式(5-1)进一步写成式中：i为复数的虚部；根据傅里叶变换的频移性质，若一个信号在时域中乘上一个指数项，则在频域中将会发生平移，因此，通道调制光谱i
modulated
的傅里叶变换结果写为ft{i
modulated
}＝c0+c-1
+c1ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(5-3)式中：ft{}代表了傅里叶变换操作；c0是包含了s0信号的低频通道，而c1和c-1
是对称分布的高频通道，保存了s1和s2的信息。这三个通道在频域中是彼此分离的，并可以单独取出做逆傅里叶变换，从而将s0、s1和s2分别提取出来：ift{c0}＝s0(σ)/2
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(5-4a)4a)式中：ift{}代表了逆傅里叶变换操作；即使是同一种材料制作而成的延迟器，其双折射系数都有差异，所以对延迟器的延迟量，即对式(5-4)中的相位项的定标至关重要，直接关系到s1和s2分量的精确解调。在延迟器引入的相位的定标过程中，将一块水平偏振的偏振片放置在陷波滤光片和消色差四分之一波片的中间，从而将定标光源偏振至已知的偏振态，此时有式(5-5)的变换关系：ift{c
0,calibration
}＝s
0,calibration
(σ)/2
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(5-5a)5a)
式中：c
0,calibration
、c
1,calibration
、c
2,calibration
为定标过程中的通道；s
0,calibration
、s
1,calibration
为定标光源的偏振分量；对于水平偏振定标光来说，s0分量和s1分量相等，且s2分量为零，此时定标的指数项可以从下式计算得出：项可以从下式计算得出：将式(5-6)代入式(5-4)，各偏振分量能用下式计算得出：s0(σ)＝2*ift{c0}
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(5-7a)s1(σ)＝2re{ift{c1}*ift{c
0,calibration
}/ift{c
1,calibtration
}}
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(5-7b)s2(σ)＝-2im{ift{c1}*ift{c
0,calibration
}/ift{c
1,calibtration
}}
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(5-7c)式中：re为取实部操作；im为取虚部操作；仅需在实验开始前进行一次相位定标，然后就可以将插入的偏振片移除，并进行实际的探测。需要注意的是，如果偏振调制模块的各元件的方向、光谱仪的工作波段、光栅刻线数以及光谱仪的入射狭缝宽度发生改变时，将需要重新进行定标。
17.一种通道光谱型偏振拉曼光谱测量方法，方法如下：入射激光经过准直镜准直后调整为平行光束，通过超窄带通滤光片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及半波片，将入射激光变为偏振入射激光；偏振入射激光透过分束器后透射至陷波二向分束器后再反射至平面反射镜，平面反射镜再反射至显微物镜，经显微物镜汇聚聚焦在样品平面上，偏振入射激光与样品平面作用后产生瑞利散射光及拉曼散射光；经显微物镜收集后再通过平面反射镜反射至陷波二向分束器；其中，拉曼散射光透过陷波二向分束器，再通过陷波滤波片滤除残余激光，然后经偏振调制模块调制成通道化的拉曼光谱，经成像镜汇聚至光纤入口处，最后由光纤导入光谱仪；瑞利散射光被陷波二向分束器反射至分束器，随后被反射至面阵探测器实现样品平面的亮场成像；所述入射激光为波长为785nm的入射激光，由中心波长为785nm的二极管激光器产生。
18.(二)本发明提出一种通道光谱型偏振拉曼光谱仪。
19.一种实现上述通道光谱型偏振拉曼光谱测量方法的通道光谱型偏振拉曼光谱仪，包括依次连接的偏振激光生成系统、拉曼光生成系统、拉曼光收集系统及亮场成像系统；其中，所述偏振激光生成系统包括沿入射激光的激发光路上依次设置的第一线偏振片及半波片；所述拉曼光生成系统包括沿偏振入射激发光路依次设置的分束器、陷波二向分束器、平面反射镜及显微物镜；还包括一样品，样品位于显微物镜的焦点；所述拉曼光收集系统包括依次设置的显微物镜、平面反射镜、陷波二向分束器、陷波滤波片、偏振调制模块及收集模块；所述偏振调制模块包括依次设置的消色差四分之一
波片、一个高阶延迟器及第二线偏振片；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
°
；所述收集模块包括依次设置的成像镜及光纤，光纤连接至光谱仪；亮场成像系统包括依次设置的显微物镜、平面反射镜、陷波二向分束器、分束器、第二成像镜及面阵探测器；所述分束器为拉曼光生成系统及亮场成像系统共有，显微物镜、平面反射镜及陷波二向分束器为拉曼光生成系统、拉曼光收集系统及亮场成像系统共有。
20.所述偏振激光生成系统包括沿入射激光的激发光路上依次设置的准直镜、超窄带通滤光片、第一线偏振片及半波片。
21.本发明的技术效果在于：1、本发明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、第二线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；2、本发明提出的通道光谱型偏振拉曼光谱仪仅需一次测量就可以将线偏振拉曼光谱信息全部复原出来，而传统偏振拉曼光谱仪至少需要旋转三次检偏器才能获得同样多的信息，该过程相当于使得传统偏振拉曼光谱仪的信号采集的时间变为了本发明的三倍，且还可能引入额外的运动误差。因此，对比传统的偏振拉曼光谱仪，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。
附图说明
22.图1为典型的拉曼显微系统工作原理图。
23.图2为本发明一种通道光谱型偏振拉曼光谱仪的系统连接示意图。
24.图3为聚丙烯纤维的偏振分量、模拟调制光谱及其fft变换结果图。
25.图4为聚丙烯纤维的测量偏振分量及其模拟复原结果图。
26.图5为聚丙烯纤维的cprm复原结果图。
27.图6为融化的聚丙烯的cprm复原结果图。
28.图7为牙齿的偏振拉曼成像结果图。
29.附图标记：1、准直镜；2、超窄带通滤光片；3、第一线偏振片；4、半波片；5、分束器；6、陷波二向分束器；7、平面反射镜；8、显微物镜；9、样品平面；10、陷波滤波片；11、消色差四分之一波片；12、第二线偏振片；13、成像镜；14、面阵探测器；15、高阶延迟器。
具体实施方式
30.实施例1
‑‑
一种通道光谱型偏振拉曼光谱测量方法。
31.一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。
32.实施例2在实施例1的基础上，还包括：还包括，从通道化的拉曼光谱中提取偏振拉曼光谱。
33.实施例3在实施例2的基础上，还包括：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
°
；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。
34.实施例4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，本发明通道光谱型偏振拉曼光谱仪(cprm)通过偏振调制模块将偏振信息调制到了频域的不同通道上，然后被光谱仪记录，偏振信息最后通过傅里叶变换方法从频域中解调出来，从而使cprm拥有额外的偏振探测能力，下面介绍cprm系统通道调制的原理；模拟调制光谱i
modulated
可以表示为式中：σ是波数，cm-1
；s1、s2和s3是线偏振分量，无量纲；为相位偏移量，rad；由厚延迟器引入；b为延迟器的双折射系数，无量纲；d为延迟器的厚度，cm；式(5-1)进一步写成式中：i为复数的虚部；根据傅里叶变换的频移性质，若一个信号在时域中乘上一个指数项，则在频域中将会发生平移，因此，通道调制光谱i
modulated
的傅里叶变换结果写为ft{i
modulated
}＝c0+c-1
+c1ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(5-3)式中：ft{}代表了傅里叶变换操作；c0是包含了s0信号的低频通道，而c1和c-1
是对称分布的高频通道，保存了s1和s2的信息。这三个通道在频域中是彼此分离的，并可以单独取出做逆傅里叶变换，从而将s0、s1和s2分别提取出来：ift{c0}＝s0(σ)/2
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(5-4a)4a)式中：ift{}代表了逆傅里叶变换操作；即使是同一种材料制作而成的延迟器，其双折射系数都有差异，所以对延迟器的延迟量，即对式(5-4)中的相位项的定标至关重要，
直接关系到s1和s2分量的精确解调。在延迟器引入的相位的定标过程中，将一块水平偏振的偏振片放置在陷波滤光片和消色差四分之一波片的中间，从而将定标光源偏振至已知的偏振态，此时有式(5-5)的变换关系：ift{c
0,calibration
}＝s
0,calibration
(σ)/2
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(5-5a)5a)式中：c
0,calibration
、c
1,calibration
、c
2,calibration
为定标过程中的通道；s
0,calibration
、s
1,calibration
为定标光源的偏振分量；对于水平偏振定标光来说，s0分量和s1分量相等，且s2分量为零，此时定标的指数项可以从下式计算得出：项可以从下式计算得出：将式(5-6)代入式(5-4)，各偏振分量能用下式计算得出：s0(σ)＝2*ift{c0}
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(5-7a)s1(σ)＝2re{ift{c1}*ift{c
0,calibration
}/ift{c
1,calibtration
}}
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(5-7b)s2(σ)＝-2im{ift{c1}*ift{c
0,calibration
}/ift{c
1,calibtration
}}(5-7c)式中：re为取实部操作；im为取虚部操作；仅需在实验开始前进行一次相位定标，然后就可以将插入的偏振片移除，并进行实际的探测。需要注意的是，如果偏振调制模块的各元件的方向、光谱仪的工作波段、光栅刻线数以及光谱仪的入射狭缝宽度发生改变时，将需要重新进行定标。
35.实施例5一种通道光谱型偏振拉曼光谱测量方法，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滤除残余激光，然后经偏振调制模块调制成通道化的拉曼光谱，经成像镜13汇聚至光纤入口处，最后由光纤导入光谱仪；瑞利散射光被陷波二向分束器6反射至分束器5，随后被反射至面阵探测器14实现样品平面9的亮场成像；所述入射激光为波长为785nm的入射激光，由中心波长为785nm的二极管激光器产生。
36.实施例6
一种通道光谱型偏振拉曼光谱仪，包括依次连接的偏振激光生成系统、拉曼光生成系统、拉曼光收集系统及亮场成像系统；其中，所述偏振激光生成系统包括沿入射激光的激发光路上依次设置的第一线偏振片3及半波片4；所述拉曼光生成系统包括沿偏振入射激发光路依次设置的分束器5、陷波二向分束器6、平面反射镜7及显微物镜8；还包括一样品，样品位于显微物镜8的焦点；所述拉曼光收集系统包括依次设置的显微物镜8、平面反射镜7、陷波二向分束器6、陷波滤波片10、偏振调制模块及收集模块；所述偏振调制模块包括依次设置的消色差四分之一波片11、一个高阶延迟器15及第二线偏振片12；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
°
；所述收集模块包括依次设置的成像镜13及光纤，光纤连接至光谱仪；亮场成像系统包括依次设置的显微物镜8、平面反射镜7、陷波二向分束器6、分束器5、第二成像镜13及面阵探测器14；所述分束器5为拉曼光生成系统及亮场成像系统共有，显微物镜8、平面反射镜7及陷波二向分束器6为拉曼光生成系统、拉曼光收集系统及亮场成像系统共有；所述偏振激光生成系统包括沿入射激光的激发光路上依次设置的准直镜1、超窄带通滤光片2、第一线偏振片3及半波片4。
37.原理验证。
38.1、模拟测量(以聚丙烯纤维的拉曼光谱为例)通过计算机模拟对通道光谱型偏振拉曼光谱仪的原理做了一个初步的验证，并由此确定高阶延迟器15的延迟量。通过传统偏振拉曼光谱仪先对不同检偏方向的聚丙烯显微拉曼光谱进行测量，然后根据s0＝i0+i
90
,、s1＝i
0-i
90
,和s2＝i
45-i
135
的关系得出各偏振分量，并从式(5-1)计算得出模拟调制光谱，最后分别计算s0分量以及模拟调制光谱的快速傅里叶变换(fft)结果，如图3所示；聚丙烯纤维的拉曼光谱的fft变换结果表明，s0信号仅仅占据了频域中心的一小部分区域即低频区域，通过合适的高阶延迟器15的延迟量(双折射晶体材料、厚度)设计，保存在c1和c-1
通道中的s1和s2信号可以在频域中和c0通道很好的分开，从而使得偏振分量在频域可分。在本发明中，通过对高阶延迟器15的参数设计，使得c1(c-1
)通道与c0通道的中心距离为2/3倍的拉曼信号截止频率，此时每个通道拥有相同的通道宽度，由于高频信号丢失引起的信号失真程度最小，且通道之间的频率泄露和通道串扰的概率最低；图4展示了通过傅里叶变换方法解调模拟调制光谱的结果，聚丙烯纤维的偏振分量的复原残差很小，表明各偏振分量均成功的从模拟调制光谱中解调了出来，初步证明了cprm原理及高阶延迟器15参数设计的正确性。
39.2、实验测量通过本发明图2所示的通道光谱型偏振拉曼光谱仪，对同一聚丙烯纤维进行了测量，如图5所示；所有的线斯托克斯参数都成功的根据式(5-7)的关系复原了出来，证明了cprm的可行性。
40.根据以上结果，图5(b、c)中的曲线趋势与图5中的曲线趋势(e、f)中相似，此时激光偏振方向转动了90
°
而样品方向保持不变。而当激光方向不变而样品方向转动90
°
时，图5
(i)中的s2信号的复原结果对比图5(c)表现出了完全相反的趋势，即正信号变负而负信号变正，表明聚丙烯纤维的偏振分量随着样品方向变化而变化。该结果与通过传统偏振拉曼光谱仪的测量结果相吻合，交叉验证了cprm的正确性。
41.又将聚丙烯纤维一分为二，然后将其中一半放到锡纸上，然后用电磁炉加热融化。同样用cprm对融化的聚丙烯进行测量，其结果如图6所示，结果表明融化的聚丙烯纤维的拉曼信号的偏振特性依赖于激光的偏振方向。
42.为了量化的分析聚丙烯样品在融化前后的偏振特性的差异，表1列出了两者分别在973cm-1
和1167cm-1
拉曼特征峰处的偏振角结果。对于聚丙烯纤维，当激光偏振方向从0
°
转到90
°
时，其偏振角几乎没有发生改变(-49.6
°
、-47.4
°
和-48.6
°
、-48.8
°
)；而当样品发生转动时，偏振角分别从-49.6
°
变化到了41.7
°
和从-47.4
°
变化到了44.4
°
，其差值分别为91.3
°
、91.8
°
。对于融化后的聚丙烯样品，当激光偏振方向转动90
°
时，偏振角也跟着分别变化了89.6
°
和91.0
°
，样品的转动则对融化后的聚丙烯样品的偏振角几乎没有影响。表1中的结果再次证明了聚丙烯纤维的偏振角可以用来指示对应分子键的主要分布方向，并且该性质将在样品内部晶体结构被破坏(如融化时)消失。利用偏振角能否能作为分子取向指示物的特性，可以用来判断样品(如聚丙烯)内部的分子是否有序排列，晶体结构是否完好，这些性质很大程度上反映了材料的力学性质。表1聚丙烯纤维在融化前后的偏振角对比结果除了对单点的线偏振拉曼光谱数据进行获取，cprm同样具有成像能力。在cprm实验装置中，样品放置在一个位移平台上，通过移动该位移平台，可以时序的对样品平面9进行扫描，从而实现偏振拉曼光谱成像。在cprm的图像工作模式下，对牙齿样本进行了测量，并计算了其线偏振度图像，如图7所示。测量的牙齿样品可以分为左上角和右下角两个部分，分别是牙基质和牙釉质，在灰度图像中由一条明显的分界线分开，但两个区域各自的灰度图像用肉眼难以区分。在959cm-1处的po
4-2
峰的偏振度图像中，牙釉质的偏振度要明显大于牙基质，两个区域在偏振度图像中的对比度很高，得到了良好的区分。对牙齿样品的偏振拉曼成像验证了偏振信息可以有效地提升图像的对比度，从而实现目标的识别和分类。

技术特征：
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)滤除残余激光，然后经偏振调制模块调制成通道化的拉曼光谱，经成像镜(13)汇聚至光纤入口处，最后由光纤导入光谱仪；瑞利散射光被陷波二向分束器(6)反射至分束器(5)，随后被反射至面阵探测器(14)实现样品平面(9)的亮场成像。7.根据权利要求6所述通道光谱型偏振拉曼光谱测量方法，其特征在于，所述入射激光为波长为785nm的入射激光，由中心波长为785nm的二极管激光器产生。8.一种实现上述权利要求6所述的通道光谱型偏振拉曼光谱测量方法的通道光谱型偏振拉曼光谱仪，其特征在于，包括依次连接的偏振激光生成系统、拉曼光生成系统、拉曼光收集系统及亮场成像系统；其中，所述偏振激光生成系统包括沿入射激光的激发光路上依次设置的第一线偏振片(3)及半波片(4)；所述拉曼光生成系统包括沿偏振入射激发光路依次设置的分束器(5)、陷波二向分束器(6)、平面反射镜(7)及显微物镜(8)；还包括一样品，样品位于显微物镜(8)的焦点；所述拉曼光收集系统包括依次设置的显微物镜(8)、平面反射镜(7)、陷波二向分束器
(6)、陷波滤波片(10)、偏振调制模块及收集模块；所述偏振调制模块包括依次设置的消色差四分之一波片(11)、一个高阶延迟器(15)及第二线偏振片(12)；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
°
；所述收集模块包括依次设置的成像镜(13)及光纤，光纤连接至光谱仪；亮场成像系统包括依次设置的显微物镜(8)、平面反射镜(7)、陷波二向分束器(6)、分束器(5)、第二成像镜(13)及面阵探测器(14)；所述分束器(5)为拉曼光生成系统及亮场成像系统共有，显微物镜(8)、平面反射镜(7)及陷波二向分束器(6)为拉曼光生成系统、拉曼光收集系统及亮场成像系统共有。9.根据权利要求8所述通道光谱型偏振拉曼光谱仪，其特征在于，所述偏振激光生成系统包括沿入射激光的激发光路上依次设置的准直镜(1)、超窄带通滤光片(2)、第一线偏振片(3)及半波片(4)。

技术总结
本发明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。


技术研发人员：陈泽宇 张淳民 穆廷魁
受保护的技术使用者：陈泽宇
技术研发日：2023.05.19
技术公布日：2023/9/12