CN115774009A - 一种基于矢量偏振光束测量纵向偏振拉曼信号的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于矢量偏振光束测量纵向偏振拉曼信号的方法，包括以下步骤：1)、搭建可以产生角向偏振和径向偏振光作为激发光源的拉曼光谱系统；2)、使用各向同性样品的拉曼信号矫正系统；3)、使用单晶硅样品验证系统；4)、分别使用角向偏振和径向偏振光作为激发光源，测量待测样品的拉曼信号；5)、使用测量的数据，结合理论计算，得到由纵向偏振光激发的拉曼信号，本发明根据角向偏振光和径向偏振光在焦点区域电场分布的关系，设计出了用于探测纵向偏振光激发的拉曼信号的方法，此方法解决了目前无法直接准确测量纵向偏振光激发的拉曼信号的难题。
Description
技术领域
本发明属于光学技术领域，尤其涉及一种基于矢量偏振光束测量纵向偏振拉曼信号的方法。
背景技术
拉曼光谱以光子为探针，具有无接触无损伤和高灵敏度等优点，是一种快速，可实时检测材料结构和微结构及声子与其它元激发间相互作用的有效工具，利用它可以了解晶体内部的缺陷、晶格畸变及其相变的等情况。偏振拉曼光谱除了可以提供常规拉曼能够给出的一般的化学识别信息之外，还可以探测有关分子取向和化学键振动对称性的信息。
目前偏振拉曼通常使用线偏振光激发，激发光的偏振方向垂直于光束传播方向，平行于样品表面，可以有效检测分子取向均一并且平行于样品表面的样品，但是不利于检测分子取向沿着光束传播方向的垂直取向的样品。在通常使用的背散射实验条件下，如果需要测量垂直取向的样品，则需要改变样品的切割方向，或者将样品旋转一定角度。对径向偏振光束进行强聚焦，理论上可以在焦点处产生较强的纵向偏振光场，可以用于激发纵向偏振的拉曼信号，但焦点区域仍然有不可忽略的横向偏振分量，会对纵向偏振拉曼信号的测量产生干扰。
发明内容
本发明的目的是为了解决上述问题，提供一种基于矢量偏振光束测量纵向偏振拉曼信号的方法，包括如下步骤：
S1：搭建拉曼光谱系统，拉曼光谱系统的激发光源能够产生角向偏振光和径向偏振光，且角向偏振光和径向偏振光的偏振状态可以任意调节；
S2：使用各向同性样品矫正拉曼光谱系统，直至角向偏振光和径向偏振光在不同角度下的拉曼信号强度相同；
S3：使用单晶硅样品检验拉曼光谱系统在S2中的结果是否正确；
S4：分别使用角向偏振光和径向偏振光作为激发光源检测待测样品的拉曼信号，得到测量数据；
S5：基于测量数据，通过计算得到由纵向偏振光激发的拉曼信号。
进一步地，S1中，拉曼光谱系统包括：窄线宽激光器、偏振转换器、二向色镜、检偏器、光谱探测器、物镜、样品台和样品，偏振转换器用以实现角向偏振光和径向偏振光的转换；
窄线宽激光器发射单模高斯准直光束，单模高斯准直光束通过偏振转换器转化为矢量偏振光束，矢量偏振光束经过二向色镜反射至物镜并聚焦于放置在样品台的样品上，矢量偏振光束照射样品激发拉曼信号并按原光路返回，依次经过二向色镜和检偏器后进入光谱探测器，光谱探测器产生光谱数据。
进一步地，偏振转换器在进行角向偏振光和径向偏振光的转换过程中，窄线宽激光器发出激光的激光功率保持不变。
进一步地，S2中，拉曼光谱系统的矫正过程包括如下步骤：
S21：使用角向偏振光激发各向同性样品，旋转检偏器一定角度至一周，记录检偏器在旋转一周的过程中每个旋转角度时的拉曼信号；
S22：使用径向偏振光激发各向同性样品，旋转检偏器相同角度至一周，记录检偏器在旋转一周的过程中每个旋转角度时的拉曼信号；
S23：检查S21和S22中检偏器在不同角度下的拉曼信号强度是否相同，若不相同，则回到S1，调节光路，直至S21和S22中样品在不同角度下的拉曼信号强度相同为止。
进一步地，一定角度为小于等于18°。
进一步地，S3中，通过单晶硅<110>晶面样品重复S21和S22的测量，对测量结果进行计算，得到横向偏振光强度在聚焦后的径向偏振光中的占比ηr，计算方法如下：改变ηr的值，使表达式
的值随样品旋转角度θ的变化值最小，其中Ir(θ)和
分别是聚焦后的径向偏振光和径向偏振光在不同样品旋转角度θ下激发的拉曼信号。
进一步地，S5中，通过如下过程获得样品由纯纵向偏振光激发的拉曼信号：对待测样品分别使用径向偏振光和角向偏振光进行激发并测量得到拉曼光谱Ar和
结合得到的ηr的值，由公式
得到待测样品由纯纵向偏振光激发的拉曼光谱。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、本发明技术方案实现了对纵向偏振光的纵向偏振光激发的拉曼信号的测量，这是目前其他偏振测量方法无法实现的。
2、本发明技术方案中的测量方法可以对系统定量校准，并定量验证系统的准确性；虽然使用矢量光束测量纵向偏振光激发的拉曼信号也有报道，但都是定性的测量。
附图说明
图1为本发明拉曼光谱系统的实验装置示意图；
图2中(a)和(b)分别为本发明中<110>面单晶硅在角向偏振和径向偏振光激发下，计算得到的拉曼信号与检偏器旋转角度的关系曲线；(c)为计算得到的纯纵向偏振光激发的拉曼信号与检偏器旋转角度的关系曲线；
图3为本发明中<110>面单晶硅在角向偏振和径向偏振光激发下，实验测量得到的拉曼信号与检偏器旋转角度的关系曲线，以及由这两条曲线计算得到的纯纵向偏振光激发的拉曼信号与检偏器旋转角度的关系曲线。
其中，1:窄线宽激光器；2:角向/径向偏振转换器；3:二向色镜；4:检偏器；5：光谱探测器；6:物镜；7:样品；8:样品台。
具体实施方式
下面将结合示意图对本发明一种基于矢量偏振光束测量纵向偏振拉曼信号的方法进行更详细的描述，其中表示了本发明的优选实施例，应该理解本领域技术人员可以修改在此描述的本发明，而仍然实现本发明的有利效果，因此，下列描述应当被理解为对于本领域技术人员的广泛知道，而并不作为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要说明的是，对于方位词，如有术语“中心”，“横向”、“纵向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示方位和位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于叙述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定方位构造和操作，不能理解为限制本发明的具体保护范围。
一种基于矢量偏振光束测量纵向偏振拉曼信号的方法，包括以下步骤：
1)搭建拉曼光谱系统，拉曼光谱系统的激发光源能够产生角向偏振光和径向偏振光，且角向偏振光和径向偏振光的偏振状态可以任意调节。其中拉曼光谱系统如图1所示，包括：窄线宽激光器1、偏振转换器、二向色镜3、检偏器4、光谱探测器5、物镜6、样品台8和样品7。偏振转换器为角向/径向偏振转换器2，用以实现角向偏振光和径向偏振光的转换，且在转换过程中，激光功率需要保持不变；
2)使用各向同性样品矫正拉曼光谱系统，直至角向偏振光和径向偏振光在不同角度下的拉曼信号强度相同，具体包括：
21)使用角向偏振光激发各向同性样品，旋转检偏器4，每次旋转角度不大于18°，至一周，记录检偏器4在旋转一周的过程中每个旋转角度时的拉曼信号；
22)使用径向偏振光激发各向同性样品，旋转检偏器4同样方式角度旋转至一周，记录检偏器4在旋转一周的过程中每个旋转角度时的拉曼信号；
23)检查S21和S22中检偏器4在不同角度下的拉曼信号强度是否相同，若不相同，则回到S1，调节光路，直至S21和S22中样品在不同角度下的拉曼信号强度相同为止；
3)使用单晶硅样品检验拉曼光谱系统在S2中的结果是否正确，具体通过与步骤S21-S22相同的方式测量，通过对测量结果的计算，验证系统的准确性；
测量过程为：改变ηr的值，使表达式
的值随样品旋转角度θ的变化值最小，其中Ir(θ)和
分别是聚焦后的径向偏振光和径向偏振光在不同样品旋转角度θ下激发的拉曼信号。
4)分别使用角向偏振光和径向偏振光作为激发光源检测待测样品的拉曼信号，得到测量数据；
5)基于测量数据，通过计算得到由纵向偏振光激发的拉曼信号。
计算过程为：对待测样品分别使用径向偏振光和角向偏振光进行激发并测量得到拉曼光谱Ar和
结合得到的ηr的值，由公式
得到待测样品由纯纵向偏振光激发的拉曼光谱。
需要着重说明的是：拉曼光谱系统需要产生比较理想的角向偏振和径向偏振光，避免造成结果偏差；在测量待测样品前先测量各向同性样品的拉曼信号，并根据实验参数进行准确的理论计算，从而获得准确的由纵向偏振光激发的拉曼信号，这样的顺序操作才更能保证结果准确。
实施例1
参考图1，窄线宽激光器1产生单模高斯准直光束，经过角向/径向偏振转换器2，转化为矢量偏振光束，然后光束经过二向色镜3反射到物镜6，并聚焦于旋转样品台8上放置的样品7。激发的拉曼信号沿着原光路返回，经过二向色镜3，和检偏器4，抵达光谱探测器5，产生光谱数据。系统搭建完成后，首先需要通过观察光斑形状调节角向/径向偏振转换器2和物镜6的位置、角度，使经过物镜后的光斑具有中心对称性。然后使用各向同性的样品，分别使用角向和径向偏振光激发样品，旋转检偏器，记录同一个拉曼峰在不同检偏器角度下的强度。检查两种偏振光激发时，不同检偏器角度的拉曼信号强度是否相同，如果不同，调节偏振转换器，直到信号强度相同为止。接下来使用晶面为<110>的单晶硅样品，分别使用角向和径向偏振光激发样品，旋转检偏器4，记录521cm-1附近拉曼峰在不同检偏器4角度下的强度，得到拉曼信号强度随角度变化的曲线。将径向偏振光对应的曲线，减去角向偏振光的曲线和一个常数的乘积，改变常数的数值，直到获得的曲线变成一条水平直线，记录此时常数的数值。最后将待测样品放置在样品台8上，分别使用角向偏振光和径向偏振光激发，并从光路中移除检偏器4，记录拉曼光谱，用径向偏振光激发得到的拉曼光谱减去角向偏振光激发得到的拉曼光谱与常数的乘积，就获得了纯纵向偏振光激发的拉曼光谱。
实施例2
通过理论计算，得到了晶面为<110>的单晶硅样品，分别在角向、径向和纵向偏振光激发下，旋转检偏器5的拉曼信号强度随检偏器4角度的变化曲线，如图2(a-c)所示。其中图2(c)可以通过图2(b)的曲线减去图2(a)的曲线与常数的乘积获得，证明本发明提出的方法可行。
实施例3
图3显示了实验中测量得到的晶面为<110>的单晶硅样品在角向和径向偏振光激发下拉曼信号随检偏器角4度变化的曲线，同时显示了由这两条曲线计算得到的纵向偏振光激发的拉曼信号的曲线，可以看到，计算结果与理论计算基本吻合，证明本发明提出的基于矢量偏振光束测量纵向偏振拉曼信号的方法可行，有效。
上述仅为本发明的优选实施例而已，并不对本发明起到任何限制作用。任何所属技术领域的技术人员，在不脱离本发明的技术方案的范围内，对本发明揭露的技术方案和技术内容做任何形式的等同替换或修改等变动，均属未脱离本发明的技术方案的内容，仍属于本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种基于矢量偏振光束测量纵向偏振拉曼信号的方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1：搭建拉曼光谱系统，所述拉曼光谱系统的激发光源能够产生角向偏振光和径向偏振光，且所述角向偏振光和径向偏振光的偏振状态可以任意调节；
S2：使用各向同性样品矫正拉曼光谱系统，直至角向偏振光和径向偏振光在不同角度下的拉曼信号强度相同；
S3：使用单晶硅样品检验所述拉曼光谱系统在S2中的结果是否正确；
S4：分别使用角向偏振光和径向偏振光作为激发光源检测待测样品的拉曼信号，得到测量数据；
S5：基于所述测量数据，通过计算得到由纵向偏振光激发的拉曼信号。
2.根据权利要求1所述的基于矢量偏振光束测量纵向偏振拉曼信号的方法，其特征在于，所述S1中，所述拉曼光谱系统包括：窄线宽激光器、偏振转换器、二向色镜、检偏器、光谱探测器、物镜、样品台和样品，所述偏振转换器用以实现角向偏振光和径向偏振光的转换；
所述窄线宽激光器发射单模高斯准直光束，所述单模高斯准直光束通过所述偏振转换器转化为矢量偏振光束，所述矢量偏振光束经过所述二向色镜反射至物镜并聚焦于放置在样品台的样品上，矢量偏振光束照射样品激发拉曼信号并按原光路返回，依次经过二向色镜和检偏器后进入光谱探测器，所述光谱探测器产生光谱数据。
3.根据权利要求2所述的基于矢量偏振光束测量纵向偏振拉曼信号的方法，其特征在于，所述偏振转换器在进行角向偏振光和径向偏振光的转换过程中，所述窄线宽激光器发出激光的激光功率保持不变。
4.根据权利要求2所述的基于矢量偏振光束测量纵向偏振拉曼信号的方法，其特征在于，所述S2中，所述拉曼光谱系统的矫正过程包括如下步骤：
S21：使用角向偏振光激发各向同性样品，旋转检偏器一定角度至一周，记录检偏器在旋转一周的过程中每个旋转角度时的拉曼信号；
S22：使用径向偏振光激发各向同性样品，旋转检偏器相同角度至一周，记录检偏器在旋转一周的过程中每个旋转角度时的拉曼信号；
S23：检查S2和S3中所述检偏器在不同角度下的拉曼信号强度是否相同，若不相同，则回到S1，调节光路，直至S2和S3中样品在不同角度下的拉曼信号强度相同为止。
5.根据权利要求4所述的基于矢量偏振光束测量纵向偏振拉曼信号的方法，其特征在于，所述一定角度为小于等于18°。
6.根据权利要求5所述的基于矢量偏振光束测量纵向偏振拉曼信号的方法，其特征在于，所述S3中，通过单晶硅<110>晶面样品重复S21和S22的测量，对测量结果进行计算，得到横向偏振光强度在聚焦后的径向偏振光中的占比ηr，计算方法如下：改变ηr的值，使表达式
的值随样品旋转角度θ的变化值最小，其中Ir(θ)和
分别是聚焦后的径向偏振光和径向偏振光在不同样品旋转角度θ下激发的拉曼信号。
7.根据权利要求6所述的基于矢量偏振光束测量纵向偏振拉曼信号的方法，其特征在于，所述S5中，通过如下过程获得样品由纯纵向偏振光激发的拉曼信号：对待测样品分别使用径向偏振光和角向偏振光进行激发并测量得到拉曼光谱Ar和
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