偏振光学元件的装卡装置及应用其的光谱仪

1.本公开涉及光谱技术领域，尤其涉及一种偏振光学元件的装卡装置及应用其的光谱仪。


背景技术：

2.拉曼光谱是一种快速无损地表征晶格声子模式和电声子耦合的实验手段，其中线偏振拉曼光谱和圆偏振拉曼光谱作为拉曼光谱的一个非常重要的分支和实验方法，在材料领域具有重要的应用价值。基于拉曼选择定则，对于具有确定对称性的拉曼模，入射光、散射光的偏振方向与材料晶向间的关系会强烈的影响拉曼信号的强度，因此线偏振拉曼光谱常用于材料中拉曼模的指认和晶向的判定。具有空间反演对称性破缺的二维过渡金属硫化物材料基于独特的能谷依赖的光跃迁选择定则及旋度选择定则，其荧光光谱和拉曼光谱也分别具有圆偏振极化特性，因此圆偏振拉曼光谱可用于研究声子参与谷间散射和材料中电声耦合的类型和强度。
3.为实现线偏振拉曼光谱和圆偏振拉曼光谱的激发及测量，往往需要在常规拉曼光谱仪系统的入射激光光路和散射信号光路上分别设置一系列偏振光学元件，用于调整或者限定入射激光和散射信号光的偏振态。然而现有技术中的商用拉曼光谱仪普遍结构紧凑，难以添置多个光学元件及其调节部件。而更新改造的现有设备对一般使用人员的操作要求高、实施难度大，难以满足需求。另外当光倾斜入射光学元件的界面时，由于光学元件对光波的振动矢量中的p分量和s分量的反射率、透射率和相位差存在偏差，易引起出射光偏振态的变化。从测量的角度考虑，从激发到采集过程中应尽量减少使用与光轴的非垂直放置的光学元件。
4.然而现有技术中的商用拉曼光谱仪实现不同种类偏振拉曼光谱实验往往需要在入射激光光路和散射信号光路上分别设置一系列偏振光学元件，其中非垂直于光轴放置的光学元件也会一定程度上影响实验结果的准确性。目前需要一种可与商用拉曼光谱仪搭配使用、简洁且可安装不同种类偏振光学元件的装置，用于实现线偏振拉曼光谱及圆偏振拉曼光谱的激发及收集。


技术实现要素：

5.(一)要解决的技术问题
6.本公开提出了一种偏振光学元件的装卡装置应用其的光谱仪，以至少解决上述现有技术中存在的问题。
7.(二)技术方案
8.为达到上述目的，本公开提供了一种偏振光学元件的装卡装置，包括：
9.偏振光学元件；
10.至少一个可旋转支架，与所述偏振光学元件连接，所述可旋转支架带动所述偏振光学元件绕所述偏振光学元件的轴线进行连续旋转；
11.至少一个底座，所述底座第一端与所述可旋转支架连接，所述底座与所述可旋转支架对应设置；
12.连接固定板，与所述底座第二端固定连接。
13.在本公开的一些实施例中，所述可旋转支架包括：
14.固定底座，固连于所述底座上；
15.旋转刻度盘，为圆环状，所述旋转刻度盘的中心圆孔适用于固定所述偏振光学元件，所述旋转刻度盘与所述偏振光学元件同轴设置，所述旋转刻度盘旋转固定于所述固定底座上。
16.在本公开的一些实施例中，所述旋转刻度盘的外缘上标有零刻度线，所述零刻度线与所述偏振光学元件的快轴方向或透振方向对齐。
17.在本公开的一些实施例中，所述旋转刻度盘的旋转角度范围为0
°
～360
°
。
18.在本公开的一些实施例中，所述偏振光学元件为线偏振片、二分之一波片或四分之一波片中的一种。
19.在本公开的一些实施例中，所述底座第一端的第一侧边缘处设有限位凸起，所述限位凸起与所述可旋转支架的所述固定底座抵靠，所述限位凸起适用于防止所述可旋转支架相对于所述底座转动。
20.在本公开的一些实施例中，所述底座第一端的第二侧设有对准参考位，所述对准参考位适用于作为所述旋转刻度盘的转动参考，确定所述旋转刻度盘的旋转角度。
21.在本公开的一些实施例中，所述连接固定板底部设有第一连接部，所述第一连接部适用于与外部光谱仪固定连接。
22.本公开还提供了一种光谱仪，包括：
23.显微调焦装置；
24.显微物镜，固定于显微调焦装置上。
25.如权利要求1至8中任一项所述的偏振光学元件的装卡装置，所述装卡装置的所述连接固定板固定于所述显微调焦装置上，所述装卡装置位于所述显微物镜上方的入射激光光路与散射信号光路的共同光路中。
26.(三)有益效果
27.从上述技术方案可以看出，本公开的一种偏振光学元件的装卡装置应用其的光谱仪至少具有以下有益效果其中之一或其中一部分：
28.(1)本公开的偏振光学元件的装卡装置，可避免入射光因非垂直于光轴放置的光学元件的界面反射后导致线偏振光的偏振面和圆偏振光的圆偏振度的偏转，进而提高实验结果的准确性。
29.(2)本公开的偏振光学元件的装卡装置，可搭载一组或同时搭载多组偏振光学元件，并实现沿入射光光轴360
°
连续旋转。
30.(3)该装置以可拆卸的方式与常规显微拉曼光谱仪集成或配合使用，置于显微物镜上方的入射激光光路与散射信号光路的共同光路中，可方便实现线偏振拉曼光谱及圆偏振拉曼光谱的激发及收集。
31.(4)本公开的偏振光学元件的装卡装置具有结构紧凑、易于操作、稳定性好、可拆卸的特点，可拓展拉曼光谱仪的功能和提高相关实验的准确性。
附图说明
32.图1是偏振光学元件的装卡装置的分解结构示意图；
33.图2是图1中装卡装置搭载两组偏振光学元件时的装配示意图；
34.图3是搭载四分之一波片的装卡装置装配于显微共焦光谱仪上的纵剖示意图；
35.图4是搭载二分之一波片的装卡装置在显微共焦光谱仪中设置位置及实现效果的光路图；
36.图5是图3中的装卡装置在光谱仪中的设置位置及实现效果的光路图。
37.【附图中本公开实施例主要元件符号说明】
[0038]1‑
偏振光学元件；
[0039]2‑
可旋转支架；
[0040]3‑
倒t型底座；
[0041]4‑
限位凸起；
[0042]5‑
对准参考位；
[0043]6‑
连接固定板；
[0044]7‑
第一连接部；
[0045]8‑
显微模块；
[0046]9‑
45
°
向平面反射镜；
[0047]
10
‑
搭载四分之一波片的装卡装置；
[0048]
11
‑
物镜转换器；
[0049]
12
‑
显微物镜；
[0050]
13
‑
样品；
[0051]
14
‑
调焦旋钮；
[0052]
15
‑
垂直滑轨；
[0053]
16
‑
入射激光光路；
[0054]
17
‑
散射信号光路；
[0055]
18
‑
激光器；
[0056]
19
‑
第一线偏振片；
[0057]
20
‑
平面反射镜；
[0058]
21
‑
光学滤光片；
[0059]
22
‑
第二线偏振片；
[0060]
23
‑
单色仪与探测器的组合结构；
[0061]
24
‑
搭载二分之一波片的装卡装置；
[0062]
25
‑
二分之一波片；
[0063]
26
‑
旋转刻度盘；
[0064]
27
‑
固定底座；
[0065]
28
‑
通孔。
具体实施方式
[0066]
本公开提供了一种偏振光学元件的装卡装置，包括：偏振光学元件、至少一个可旋
转支架、底座和连接固定板。至少一个可旋转支架适用于固定所述偏振光学元件，带动偏振光学元件绕偏振光学元件的轴线进行360
°
连续旋转；底座与可旋转支架对应设置，底座适用于固定可旋转支架；连接固定板适用于固定连接底座。该装卡装置具有结构紧凑、易于操作、稳定性好、可拆卸的特点，可拓展拉曼光谱仪的功能和提高相关实验的准确性。
[0067]
为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开作进一步的详细说明。但是，本公开能够以不同形式实施，而不应当解释为局限于这里提出的实施例。相反地，提供这些实施例将使公开彻底和完全，并且将本公开的范围完全地传递给本领域技术人员。在附图中，为了清楚，层和区的尺寸以及相对尺寸可能被夸大，自始至终相同附图标记表示相同元件。
[0068]
以下，将参照附图来描述本公开的实施例。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本公开的范围。在下面的详细描述中，为便于解释，阐述了许多具体的细节以提供对本公开实施例的全面理解。然而，明显地，一个或多个实施例在没有这些具体细节的情况下也可以被实施。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本公开的概念。
[0069]
在此使用的术语仅仅是为了描述具体实施例，而并非意在限制本公开。在此使用的术语“包括”、“包含”等表明了所述特征、步骤、操作和/或部件的存在，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、步骤、操作或部件。
[0070]
在此使用的所有术语(包括技术和科学术语)具有本领域技术人员通常所理解的含义，除非另外定义。应注意，这里使用的术语应解释为具有与本说明书的上下文相一致的含义，而不应以理想化或过于刻板的方式来解释。
[0071]
为便于本领域技术人员理解本公开技术方案，现对如下技术术语进行解释说明。
[0072]
在使用类似于“a、b和c等中至少一个”这样的表述的情况下，一般来说应该按照本领域技术人员通常理解该表述的含义来予以解释(例如，“具有a、b和c中至少一个的系统”应包括但不限于单独具有a、单独具有b、单独具有c、具有a和b、具有a和c、具有b和c、和/或具有a、b、c的系统等)。在使用类似于“a、b或c等中至少一个”这样的表述的情况下，一般来说应该按照本领域技术人员通常理解该表述的含义来予以解释(例如，“具有a、b或c中至少一个的系统”应包括但不限于单独具有a、单独具有b、单独具有c、具有a和b、具有a和c、具有b和c、和/或具有a、b、c的系统等)。
[0073]
本公开提供了一种偏振光学元件的装卡装置，如图1所述，包括：偏振光学元件1、至少一个可旋转支架2、底座和连接固定板6，其中底座在本实施例中选择倒t型底座3。偏振光学元件1可为线偏振片、二分之一波片或四分之一波片。可旋转支架2适用于固定所述偏振光学元件1，带动偏振光学元件1绕偏振光学元件1的轴线进行连续旋转；倒t型底座3第一端即凸起端与可旋转支架2对应设置，倒t型底座3适用于固定可旋转支架2；连接固定板6适用于固定连接倒t型底座3第二端即平面端。
[0074]
可旋转支架2包括：旋转刻度盘26和固定底座27。旋转刻度盘26为圆环状，旋转刻度盘26的中心圆孔适用于固定偏振光学元件1，旋转刻度盘26与偏振光学元件1同轴设置，旋转刻度盘26旋转固定于固定底座27上，旋转刻度盘26的旋转角度范围为0
°
～360
°
，旋转刻度盘26带动偏振光学元件1可沿入射光光轴同轴360
°
连续旋转。
[0075]
装配过程中，可将偏振光学元件1放置于可旋转支架2内，并将偏振光学元件1锁
定。当使用二分之一波片或四分之一波片时，旋转刻度盘26的外缘上标有将旋转刻度盘26的圆周等分的刻度，本实施例中的旋转刻度盘26的外缘上每45
°
标有一对应刻度，包括0、45、90......315，其中装配时应使其零刻度线对准波片的快轴方向。当使用线偏振片时，装配时应使旋转刻度盘26的零刻度线对准线偏振片的透振方向。
[0076]
倒t型底座3与可旋转支架2的固定底座27对应设置螺纹连接孔，通过螺钉将倒t型底座3与固定底座27固连。倒t型底座3的第一侧(即图1所示的后侧)边缘处设有限位凸起4，限位凸起4与可旋转支架2的固定底座27抵靠，限位凸起4适用于防止可旋转支架2相对于倒t型底座3转动。倒t型底座3的第二侧(即图1所示的前侧)设有对准参考位5，该对准参考位5适用于作为旋转刻度盘26的转动参考，确定旋转刻度盘26的旋转角度。该倒t型底座3可通过螺纹连接的方式固定于连接固定板6上。
[0077]
连接固定板6底部还设有第一连接部7，该第一连接部7适用于与外部光谱仪固定连接，进而使整个偏振光学元件的装卡装置与外部光谱仪配合使用。如图2所示，该第一连接部7可为多组不同规格的孔位，分别用于与多组倒t型底座3固定连接，以及与外接设备(例如：光谱仪)固定连接。如图2所示，连接固定板6上第一连接部7为沉孔，该沉孔与外接光谱仪连接，连接固定板6上的通孔28与倒t型底座3连接。
[0078]
本公开还提供了一种光谱仪，包括：显微调焦装置、显微物镜和上文所述的偏振光学元件的装卡装置。该装卡装置固定于限位调焦装置上，装卡装置位于显微物镜上方的入射激光光路与散射信号光路的共同光路中。其中，显微物镜12适用于收集来自样品13的散射信号和经样品13放射的激光。
[0079]
以下列举本公开的偏振光学元件的装卡装置的应用实施例。
[0080]
实施例一：
[0081]
如图3表示将搭载四分之一波片的装卡装置10装配于常规商业显微共焦光谱仪(又为拉曼光谱仪)的显微调焦装置上的纵剖示意图。该光谱仪可用于圆偏振拉曼光谱的测量。进入拉曼光谱仪的显微模块8的入射激光经45
°
向平面反射镜9反射后竖直向下传播，经过安装在显微调焦装置上的搭载四分之一波片装卡装置10后进入显微物镜12。显微调焦装置一般包括但不限于物镜转换器11、垂直滑轨15及调焦旋钮14。通过旋转调焦旋钮14，可带动物镜转换器11和显微物镜12在垂直滑轨15沿竖直方向(z轴方向)移动，从而实现将入射激光在样品13上的聚焦。入射激光光路16如图3中的实线所示。而后显微物镜12收集来自样品13的散射信号和经样品13反射的激光，再次经过搭载四分之一波片装卡装置10后经45
°
向平面反射镜9反射出拉曼光谱仪的显微模块8。散射信号光路17如图3中的虚线所示。本公开提供的搭载四分之一波片装卡装置10置于显微物镜12上方的入射激光光路16和散射信号光路17的共同光路上。
[0082]
实施例二：
[0083]
如图4表示将搭载二分之一波片的装卡装置24装配于常规商业显微共焦光谱仪的显微调焦装置后，该装卡装置在光谱仪中的设置位置及实现线偏振拉曼光谱实验配置的光路图。该光谱仪内的激光器18发射的激光依次经过第一线偏振片19，由平面反射镜20反射至光学滤光片21，入射激光经过本发明提供的搭载二分之一波片的装卡装置24进入显微物镜12，经显微物镜12聚焦照射到样品13并进行激发。入射激光光路16如图4中的实线所示。而后显微物镜12收集来自样品13的散射信号和经样品13反射的激光，经过光学滤光片21时
激光被衰减到只有原来的1/106至1/10
12
后滤除，而使得绝大部分的散射信号光透过光学滤光片21，经过第二线偏振片22，经单色仪与探测器收集并检测。散射信号光路17如图4虚线所示。本公开提供的搭载二分之一波片的装卡装置24置于显微物镜12上方的入射激光光路16和散射信号光路17的共同光路上。第一线偏振片19、搭载二分之一波片的装卡装置24、第二线偏振片22均垂直于光轴设置。第一线偏振片19、平面反射镜20、光学滤光片21、显微物镜12、第二线偏振片22和单色仪与探测器的组合结构23应选取合适的规格型号以保证足够的光谱透射范围和收集效果。二分之一波片优选消色差二分之一波片，对于单波长情况下或者在较小的带宽情况下可使用零级二分之一波片。光学滤光片21为陷波拉曼滤光片、边带高通拉曼滤光片或边带低通拉曼滤光片。
[0084]
图4左下角给出空间笛卡尔直角坐标系，入射光传输的方向为z轴负方向。该搭载二分之一波片的装卡装置24中二分之一波片的快轴方向、光谱仪中的第一线偏振片19的透振方向和第二线偏振片22的透振方向与y轴正方向的夹角规定如下：沿顺时针方向旋转生成的角则规定为正角，沿逆时针方向旋转生成的角规定为负角。
[0085]
当本公开提供的装卡装置搭载二分之一波片且与光谱仪配合时，可用于线偏振拉曼光谱的测量，其具体实现方法及测量步骤为：
[0086]
激光器18发射的沿竖直方向偏振(与y轴正方向夹角0
°
)的激光射入第一线偏振片19。作为起偏器的第一线偏振片19的透振方向与x轴正方向夹角为90
°
，用于进一步提高入射激光的偏振度。作为检偏器的第二线偏振片22的透振方向与x轴正方向夹角也为90
°
。搭载二分之一波片的装卡装置24置于入射激光光路16和散射信号光路17的共同光路上，二分之一波片25的快轴方向与x轴正方向夹角为θ。
[0087]
当二分之一波片25的快轴沿竖直方向(与y轴正方向夹角0
°
)时，相当于入射激光光路16中第一线偏振片19投射到样品13上的起偏方向和散射信号光路17中第二线偏振片22投射到样品13上的检偏方向均沿竖直方向，即常见的平行偏振配置(vv)。当二分之一波片25的快轴沿竖直方向(与y轴正方向夹角90
°
)时，相当于入射激光光路16中第一线偏振片19投射到样品13上的起偏方向和散射信号光路17中第二线偏振片22投射到样品13上的检偏方向均沿竖直方向，即常见的交叉偏振配置(vh)。当二分之一波片25的快轴旋转到与y轴正方向夹角θ/2时，相当于同时改变入射激光光路16中第一线偏振片19投射到样品13上的起偏方向和散射信号光路17中第二线偏振片22投射到样品13上的检偏方向转动θ，等效于线偏振片固定时样品13旋转的偏振配置。使用此装置可以克服因旋转微米级样品13导致样品13点的移动而很难实现原位测量的困难，可简便操作，提高相关实验的效率。
[0088]
实施例三：
[0089]
如图5表示实施例一中装卡装置在光谱仪中的设置位置及实现圆偏振拉曼光谱实验配置的光路示意图。激光器18发射的激光依次经过第一线偏振片19，由平面反射镜20反射至光学滤光片21，入射激光经过本公开提供的搭载四分之一波片的装卡装置10进入显微物镜12，经显微物镜12聚焦照射到样品13并进行激发。入射激光光路16如图5中的实线所示。而后显微物镜12收集来自样品13的散射信号和经样品13反射的激光，经过光学滤光片21时激光被衰减到只有原来的1/106至1/10
12
后滤除，而使得绝大部分的散射信号光透过光学滤光片21、二分之一波片25和第二线偏振片22，经单色仪与探测器收集并检测。散射信号光路17如图5中的虚线所示。
[0090]
本公开提供的搭载四分之一波片的装卡装置10置于显微物镜12上方的入射激光光路16和散射信号光路17的共同光路上。第一线偏振片19、搭载四分之一波片的可旋转偏振光学元件组合装置、二分之一波片25、第二线偏振片22均垂直于光轴设置。第一线偏振片19，平面反射镜20、光学滤光片21、显微物镜12、二分之一波片25、第二线偏振片22和单色仪与探测器的组合结构23应选取合适的规格型号以保证足够的光谱透射范围和收集效果。四分之一波片优选消色差四分之一波片，对于单波长情况下或者在较小的带宽情况下可使用零级四分之一波片。光学滤光片21为陷波拉曼滤光片、边带高通拉曼滤光片或边带低通拉曼滤光片。
[0091]
图5左下角给出空间笛卡尔直角坐标系，入射光传输的方向为
‑
z轴方向。该装卡装置中四分之一波片的快轴方向、光谱仪中的第一线偏振片19的透振方向和第二线偏振片22的透振方向与y轴正方向的夹角规定如下：沿顺时针方向旋转生成的角则规定为正角，沿逆时针方向旋转生成的角规定为负角。右旋圆偏振光(σ
+
)为观察者迎着光传播方向看，电矢量顺时针旋转的光。左旋圆偏振光(σ
‑
)为观察者迎着光传播方向看，电矢量逆时针旋转的光。
[0092]
当本公开提供的一种装卡装置搭载四分之一波片且与光谱仪配合时，可用于圆偏振拉曼光谱的测量，其具体实现方法及测量步骤为：
[0093]
激光器18发射的沿竖直方向偏振(与y轴正方向夹角0
°
)的激光射入第一线偏振片19。作为起偏器的第一线偏振片19沿竖直方向偏振，用于进一步提高入射激光的偏振度。搭载四分之一波片的装卡装置10置于入射激光光路16和散射信号光路17的共同光路上。
[0094]
当四分之一波片的快轴方向与y轴正方向夹角为45
°
时，入射激光转变为右旋偏振光(σ
+
)，经显微物镜12聚焦照射到样品13并进行激发。来自样品13的散射光中的左旋偏振光(σ
‑
)分量经过显微物镜12收集后经同一四分之一波片后转变为沿竖直方向偏振的光，此时散射信号光路17中的二分之一波片25的快轴方向沿竖直方向，沿竖直方向偏振的散射信号光经第二线偏振片22将进一步提高偏振度后被单色仪与探测器收集并检测。此时对于样品13来说为右旋偏振光(σ
+
)激发，左旋偏振光(σ
‑
)。而来自样品13的散射光中的右旋偏振光(σ
+
)分量经过显微物镜12收集后经同一四分之一波片后转变为沿水平方向偏振的光，此时散射信号光路17中的二分之一波片25的快轴方向旋转到与y轴正方向夹角为45
°
或者
‑
45
°
时，将水平方向偏振的散射光转变为沿水平方向偏振的散射光，再经第二线偏振片22进一步提高偏振度后被单色仪与探测器收集并检测。此时对于样品13来说为右旋偏振光(σ
+
)激发，右旋偏振光(σ
+
)收集。使用此装置可以避免激发和收集的圆偏振光因四分之一波片与样品13之间的光程过长，以及因光学元件的反射而影响其圆偏振度，提高相关实验的准确性。
[0095]
还需要说明的是，实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本公开的保护范围。贯穿附图，相同的元素由相同或相近的附图标记来表示。在可能导致对本公开的理解造成混淆时，将省略常规结构或构造，并且图中各部件的形状和尺寸不反映真实大小和比例，而仅示意本公开实施例的内容。
[0096]
除非有所知名为相反之意，本说明书及所附权利要求中的数值参数是近似值，能够根据通过本公开的内容所得的所需特性改变。具体而言，所有使用于说明书及权利要求
中表示组成的含量、反应条件等等的数字，应理解为在所有情况中是受到“约”的用语所修饰。一般情况下，其表达的含义是指包含由特定数量在一些实施例中
±
10％的变化、在一些实施例中
±
5％的变化、在一些实施例中
±
1％的变化、在一些实施例中
±
0.5％的变化。
[0097]
说明书与权利要求中所使用的序数例如“第一”、“第二”、“第三”等的用词，以修饰相应的元件，其本身并不意味着该元件有任何的序数，也不代表某一元件与另一元件的顺序、或是制造方法上的顺序，该些序数的使用仅用来使具有某命名的一元件得以和另一具有相同命名的元件能做出清楚区分。
[0098]
此外，除非特别描述或必须依序发生的步骤，上述步骤的顺序并无限制于以上所列，且可根据所需设计而变化或重新安排。并且上述实施例可基于设计及可靠度的考虑，彼此混合搭配使用或与其他实施例混合搭配使用，即不同实施例中的技术特征可以自由组合形成更多的实施例。
[0099]
以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。