CN101776787B - 用于显微拉曼光谱仪的偏振方向连续协同调节装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于显微拉曼光谱仪的连续协同调节入射光和散射光偏振方向的装置。传动齿轮分别与主动齿轮和双联齿轮的大轮啮合。半波片齿轮和偏振片齿轮均为空心的齿轮环，其空心圆部分分别镶入半波片和偏振片。半波片齿轮与偏振片齿轮同圆心。双联齿轮的小轮与半波片齿轮之间有过渡齿轮，偏振片齿轮与双联齿轮的大轮啮合，两个定位齿轮与半波片齿轮和偏振片齿轮啮合。本发明作为盒状结构置入拉曼光谱仪入射光和散射光的公共光路中，手动转盘做为控制部件，采用齿轮结构传递转动并利用双联齿轮实施变速传动，通过一次性操作协同地控制了半波片的起偏角度和偏振片的偏振角度，进而简便而高精度地实现了入射光与散射光偏振方向的连续协同调节。

Description

用于显微拉曼光谱仪的偏振方向连续协同调节装置

技术领域

本发明属于光学机械，具体涉及一种用于显微拉曼光谱仪的连续协同调节入射光和散射光偏振方向的装置。

背景技术

众所周知，显微拉曼光谱仪是一种将现代光学显微技术与拉曼散射光谱仪相结合的先进实验分析仪器，被广泛应用于诸多领域的实验分析。利用激光良好的偏振性分析被研究对象在各种偏振光激发下的拉曼散射特性，是显微拉曼光谱仪的一个重要应用的方式，其中许多测量工作需要在实验中随时对入射光和散射光的偏振方向进行连续协同调节。其中连续指的是偏振角度可调节为圆周内的任意角度，协同指的是始终保持入射光和散射光偏振方向一致。然而，目前的各种显微拉曼光谱仪均无法提供能够实现该功能的装置，而普遍采用入射与散射各自独立的装置实现偏振调节。这样一方面无法实现入、散光偏振方向的连续调节，另一方面协同调节操作相当繁琐，往往需要操作员反复走动或者多实验员协作。而且多次调节容易给光谱仪带入灰尘或其它杂物从而影响其精度和寿命。因此，采用入、散偏振分别控制的现有实验系统很难满足需要随时调整入射光和散射光偏振方向的实验分析，甚至使得一些实验无法实施。

鉴于此，本发明的提出可以解决显微拉曼光谱仪入射光与散射光偏振方向的连续协同控制的实施问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种显微拉曼光谱仪用的能够简便连续协同调节入射光和散射光偏振方向的装置。

以下结合附图对本发明的技术原理进行说明。用于显微拉曼光谱仪的偏振方向连续协同调节装置(如图1～2)主要具有：边框、上盖板、下盖板、主动齿轮、手动转盘、双联齿轮、转轴、传动齿轮、过渡齿轮、半波片齿轮、半波片、偏振片齿轮、偏振片、定位齿轮等。具体设计原理为：主动齿轮与手动转盘同轴键固定于转轴，手动转盘转动使主动齿轮同角速度地转动；双联齿轮由同轴的上层小轮和下层大轮组成，上下两层同轴键固定于转轴，大轮的分度圆直径是小轮分度圆直径的二倍，使得大轮所传动的线速度二倍于小轮传动的线速度，由此实现变速。传动齿轮分别与主动齿轮和双联齿轮的大轮啮合，用于将主动齿轮的转动传递给双联齿轮。半波片齿轮和偏振片齿轮都为空心的齿轮环，其空心圆的部分分别镶入半波片和偏振片，而且半波片快光轴的初始方向与偏振片检偏轴的初始方向都平行于显微拉曼光谱仪入射激光的原始偏振方向。半波片齿轮和偏振片齿轮同轴而且二轮分度圆半径皆与主动齿轮分度圆半径相等。在双联齿轮的上层小轮与半波片齿轮之间装有过渡齿轮，即过渡齿轮分别与双联齿轮的小轮和半波片齿轮啮合，用于将双联齿轮小轮的转动传递给半波片齿轮。偏振片齿轮通过与双联齿轮的大轮啮合直接实现转动传递。定位齿轮为上下两层齿轮结构，分度圆直径相同，上、下层分别与半波片齿轮和偏振片齿轮啮合。由边框、上盖板和下盖板组成矩形盒状结构，用于封闭齿轮组传动。所有转轴通过键固定于相应齿轮并与之共同转动，所有心轴不限制齿轮转动，所有的齿轮轴(转轴或心轴)均在上下盖板设有轴定位孔，以限定该齿轮只能围绕齿轮轴转动。例如：传动齿轮和定位齿轮心轴的上下端均固定于上盖板和下盖板各自的轴定位孔；过渡齿轮心轴的上端固定于上盖板的轴定位孔；第二转轴的上下端置于上盖板和下盖板各自的轴定位孔；第一转轴的下端置于下盖板的轴定位孔，上端穿过上盖板是与手动转盘固定。在上盖板与手动转盘相对应位置的外圈镶有刻度盘，手动转盘设有指针刻线，指针刻线的初始位置位于刻度盘的零点。其作用在于可以控制手动转盘调节的角度范围，即可以控制半波片和偏振片的旋转角度。两个定位齿轮和过渡齿轮以及双联齿轮(大轮)间隔120°的组合，保证了半波片齿轮和偏振片齿轮在没有心轴的情况下也可精确保持其轴心位置不变。半波片齿轮、偏振片齿轮以及主动齿轮的分度圆半径相同。上盖板和下盖板在半波片和偏振片的轴心对应位置各开有一个镜片孔，用于入射光和散射光穿过并透射半波片和偏振片；上盖板和下盖板另开有同心的镜片孔作为镜片预留孔，用于镶入其他所需镜片。

图3显示了用于显微拉曼光谱仪的偏振方向连续协同调节装置的机械原理。主动齿轮、传动齿轮、双联齿轮大轮、双联齿轮小轮、过渡齿轮、半波片齿轮、偏振片齿轮的分度圆直径分别为D_C、D_T、D_L、D_S、D_A、D_H和D_P，其中D_S＝0.5D_L、D_H＝D_P＝D_C。当手动转盘转角(即刻度盘度数)为θ时，主动齿轮转角同为θ，则传动齿轮转角为

双联齿轮转角为

偏振片齿轮的转角(即偏振片检偏方向的转角)为

过渡齿轮的转角为半波片齿轮转角(即半波片光轴的转角)为

恰为偏振片检偏方向的转角的一半。因此，只要拨动手动转盘便同时转动了半波片的快光轴方向和偏振片的检偏方向，而且半波片快光轴的转动角度恰为偏振片检偏转动角度的一半，其中实施变速传动的核心部件是双联齿轮。由于半波片实现的是二倍于其快光轴角度的偏振方向转动控制，所以使得半波片转偏角度与偏振片检偏角度始终保持一致，从而实现了一次性操作协同调节入射光和散射光的偏振方向。

附图说明

图1为本发明内部主视结构示意图。

图2为本发明内部俯视结构示意图，其中点划线圆表示齿轮的分度圆。

图3为本发明各齿轮传动的机械原理简图，其中点划线表示齿轮的分度圆。

图4为本发明实施例示意图，其中长折线为入射光，短折线为散射光。

具体实施方式

以下通过实施例对本发明的结构原理作进一步的说明。按附图1～2所示结构将各部件进行组装，其组成结构为：由边框1、上盖板2和下盖板3组成矩形盒状结构。主动齿轮4与手动转盘5同轴键固定于转轴6-1。双联齿轮7的上层是小轮下层是大轮，上下齿轮同轴键固定于转轴6-2，大轮的分度圆直径是小轮分度圆直径的二倍。传动齿轮8分别与主动齿轮4和双联齿轮7的大齿轮啮合。半波片齿轮10为空心的齿轮环，其空心圆部分镶入半波片11。偏振片齿轮12亦为空心的齿轮环，其空心圆部分镶入偏振片13。半波片齿轮10与偏振片齿轮12同圆心，半波片齿轮10、偏振片齿轮12以及主动齿轮4的分度圆半径相同。在双联齿轮7的上层小轮与半波片齿轮10之间装有过渡齿轮9，偏振片齿轮12与双联齿轮7的下层大轮啮合。定位齿轮14为两层齿轮结构，上下层具有相同的分度圆直径并采用共同的心轴，且分别与半波片齿轮10和偏振片齿轮12啮合。所有的齿轮轴(转轴或心轴)均在上下盖板设有轴定位孔。传动齿轮8和定位齿轮14心轴的上下端均固定于上盖板2和下盖板3各自的轴定位孔。第二转轴6-2的上下端置于上盖板2和下盖板3各自的轴定位孔。第一转轴6-1的上端穿过上盖板2；下端置于下盖板3的轴定位孔。过渡齿轮9心轴的上端固定于上盖板2的轴定位孔。上盖板2与手动转盘5相对应位置的外圈镶有刻度盘，手动转盘5设有指针刻线。半波片齿轮10、偏振片齿轮12以及主动齿轮4的分度圆半径相同。上盖板2开有第一和第二镜片孔15-1、15-2；下盖板3开有第三和第四镜片孔15-3、15-4；其中第一和第三镜片孔15-1、15-3分别与所述半波片11及偏振片13的同心，第二和第四镜片孔15-2、15-4同心。

在组装中将半波片11快光轴方向和偏振片13检偏方向都调整到平行于显微拉曼光谱仪入射激光的原始偏振方向，同时指针刻线的指向刻度盘的零点。

用于显微拉曼光谱仪的入射、散射光偏振方向连续协同调节装置的实施例如图4所示。将本发明装置置入显微拉曼光谱仪16的入射光与散射光的公共光路中，其中半波片11面对激光器17发出的入射光，偏振片13面对被测物体18。将显微拉曼光谱仪的偏振方向协同调整到与入射光原始偏振呈α角的操作只有一步：即将手动转盘5调整至刻度盘度数为α。此时，半波片11的快光轴方向与入射光初始偏振方向的夹角为0.5α，偏振片13的检偏方向与入射光初始偏振方向夹角为α。激光器17发出的入射光首先经过半波片11，其偏振方向转动至2×0.5α＝α，透过检偏角度同为α的偏振片13后，实现以α偏振方向入射被测物体18。从被测物体背向散射出的散射光，可以正交分解为偏振方向为α的分量和偏振方向为α+π/2的分量。由于散射光首先经过偏振片13，偏振方向为α+π/2的分量被完全阻挡，而偏振方向为α的分量则顺利通过偏振片13，经过半波片11后其偏振方向转为α+2×(-0.5α)＝0，最后进入显微拉曼光谱仪16。就光谱本质而言，进入显微拉曼光谱仪16的散射光实际是从被测物体18散射出偏振方向为α的那部分。因此，激光器17发出的入射光以偏振方向为α入射被测物体18，被测物体18发出的散射光只有偏振方向为α的分量进入显微拉曼光谱仪16，而且α可以是圆周内的任意角度，本装置最终实现了入射光和散射光的偏振方向连续协同调节。

本发明的特点及有益效果是，专门针对偏振显微拉曼光谱分析，特别适用于须连续协同调整入、散光偏振方向的实验测量。本发明在入射光和散射光的公共光路中插入半波片和偏振片，并通过双联齿轮变速传动实现了一次性操作协同调节半波片和偏振片的偏振角度，不仅简化了实验流程、提高实验效率，并且可以实现高精度的自动化控制。本装置仅利用显微拉曼光谱仪显微镜的一个开放插槽，在节省了设备空间的同时，为其他测试分析预留更多的开放插槽，而且在结构上适用于目前大多数显微拉曼光谱仪，具有广泛的实用性和兼容性。本发明设有镜片预留孔，可根据需求镶入偏振片、四分之一波片、滤光片等，具备了较大的扩展性。本发明同时适用于诸如红外、荧光等其他类型显微光谱仪的偏振实验分析。

Claims (4)

1.用于显微拉曼光谱仪的偏振方向连续协同调节装置，具有边框、上盖板、下盖板、主动齿轮、手动转盘、第一转轴、第二转轴、双联齿轮、传动齿轮、过渡齿轮、半波片齿轮、半波片、偏振片齿轮、偏振片以及定位齿轮，其特征在于由边框(1)、上盖板(2)和下盖板(3)组成矩形盒状结构；主动齿轮(4)与手动转盘(5)同轴键固定于第一转轴(6-1)；双联齿轮(7)的上层是小轮下层是大轮，所述小轮和大轮同轴，大轮的分度圆直径是小轮分度圆直径的二倍，双联齿轮(7)键固定于第二转轴(6-2)；传动齿轮(8)分别与主动齿轮(4)和双联齿轮(7)的大轮啮合；半波片齿轮(10)为空心的齿轮环，其空心圆部分镶入半波片(11)，偏振片齿轮(12)亦为空心的齿轮环，其空心圆部分镶入偏振片(13)；半波片齿轮(10)、偏振片齿轮(12)以及主动齿轮(4)的分度圆半径相同，半波片齿轮(10)与偏振片齿轮(12)同圆心；双联齿轮(7)的上层小轮与半波片齿轮(10)之间装有过渡齿轮(9)；偏振片齿轮(12)与双联齿轮(7)的下层大轮啮合；定位齿轮(14)为双层齿轮结构，上下层同轴具有相同的分度圆直径，两组定位齿轮(14)的上下层分别与半波片齿轮(10)和偏振片齿轮(12)啮合。

2.按照权利要求1所述的用于显微拉曼光谱仪的偏振方向连续协同调节装置，其特征在于所述传动齿轮(8)和定位齿轮(14)心轴的上下端均固定于所述上盖板(2)和下盖板(3)各自的轴定位孔；所述第二转轴(6-2)的上下端置于所述上盖板(2)和下盖板(3)各自的轴定位孔；所述第一转轴(6-1)的上端穿过上盖板(2)，下端置于下盖板(3)的轴定位孔；所述过渡齿轮(9)心轴的上端固定于上盖板(2)的轴定位孔。

3.按照权利要求1或2所述的用于显微拉曼光谱仪的偏振方向连续协同调节装置，其特征在于在所述上盖板(2)与所述手动转盘(5)相对应位置的外圈镶有刻度盘，手动转盘(5)设有指针刻线。

4.按照权利要求1所述的用于显微拉曼光谱仪的偏振方向连续协同调节装置，其特征在于所述上盖板(2)开有第一和第二镜片孔(15-1、15-2)；所述下盖板(3)开有第三和第四镜片孔(15-3、15-4)；其中第一和第三镜片孔(15-1、15-3)分别与所述半波片(11)及偏振片(13)同心，第二和第四镜片孔(15-2、15-4)同心。

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