一种偏振拉曼光谱的测定仪器及其测定方法与流程

本发明属于化学光谱分析及测试技术领域，具体地讲，涉及一种偏振拉曼光谱的测定仪器及其测定方法。

背景技术：

拉曼光谱测试因其无接触、无损伤的特性，在研究物质的组分、结构、应力、结晶度等方面有着十分广泛的应用。分子振动光谱理论分析表明，分子振动模式在拉曼光谱中出现的几率是受选择定则严格限制的，拉曼选择定则限定的拉曼活性条件是：极化率在平衡位置的一阶导数不为零。而该导数值是由晶体的对称性来决定的。对于各向异性的六方gan等晶体来说，几何配置不同的拉曼光谱测试就会探测到对称性不同的拉曼振动模式，即使是相同的振动模式其强度也会有很大的差别。因此，在某一种固定的几何配置下既不能观察到所有的振动模，也不能够获得振动模强度或频率随晶体取向的变化趋势。若要获得实验所需要的声子振动模式，以及研究该模式与晶体取向之间的关系，必须要根据选择定则来改变几何配置从而进行测试。

在进行六方gan等晶体的偏振拉曼实验时，由于拉曼光谱仪的构造，入射光和散射光只能采用反平行或互相垂直中的一种，而两者的偏振方向可以采用平行或垂直任意组合的方式。传统情况下，对于特定取向的晶体来说，改变光路偏振性的方法是，在入射光路上插入格兰棱镜，调节入射光为严格的线偏振光，纯化入射光光路，并使用斯托斯克偏振态测量仪测量出纯化入射光的偏振方向；在格兰棱镜后插入角度可以任意调节的偏振旋转器(也叫补偿器)，以改变入射光的偏振方向；在收集光路中插入角度可调的检偏器，以确定收集光的偏振方向；此外，由于光栅对不同偏振方向的光的响应程度不同，使得偏振不同的光产生的光谱强度差别很大，这就需要在检偏器和光谱仪狭缝之间插入扰偏器(如λ/4波片)，使收集光退偏振，以消除光栅对偏振响应的差别。这种方法的缺点是：在改变几何配置时，需要频繁变动光路中的光学元件，操作过程较复杂；此外，增加光学元件，将会对入射光的强度和信噪比带来影响。因此，寻找一种简单有效的测量偏振拉曼光谱的方法对于深入研究如gan等六方晶体中的声子振动模式十分重要。

技术实现要素：

为解决上述现有技术存在的问题，本发明提供了一种偏振拉曼光谱的测定仪器及其测定方法，该测定方法无需频繁变动入射光路和/或收集光路中的光学元件，即可简单方便地获得强度较强、信噪比较好的偏振拉曼光谱。

为了达到上述发明目的，本发明采用了如下的技术方案：

一种偏振拉曼光谱的测定仪器，用于测定六方晶体的偏振拉曼光谱，所述测定仪器包括依次排列的线激光器、瑞利滤波片和光栅，以及设置于所述瑞利滤波片下方的用于承载六方晶体的样品台；其中，以所述线激光器发射的激光为入射光，所述入射光经由所述瑞利滤波片照射至所述样品台上的六方晶体，以形成入射光路；所述六方晶体经由所述入射光照射产生散射光，所述散射光经由所述瑞利滤波片到达所述光栅，以形成收集光路；所述测定仪器还包括：插设于所述入射光路中的双折射偏光元件和插设于所述收集光路中的检偏器；其中，所述入射光经过所述双折射偏光元件后的偏振方向与所述散射光经过所述检偏器后的偏振方向相互平行或垂直。

进一步地，所述双折射偏光元件为格兰棱镜，所述瑞利滤波片为陷波滤波器。

进一步地，所述测定仪器还包括夹设于所述线激光器和所述瑞利滤波片之间的依次排列的干涉滤光片、功率衰减片以及若干第一反射片；其中，所述双折射偏光元件插设于所述干涉滤光片和所述功率衰减片之间。

进一步地，所述测定仪器还包括夹设于所述瑞利滤波片和所述光栅之间的依次排列的第二反射片和狭缝；其中，所述检偏器插设于所述第二反射片和所述狭缝之间。

进一步地，所述测定仪器还包括夹设于所述检偏器和所述狭缝之间的共聚焦孔。

本发明的另一目的还在于提供一种基于上述测定仪器的偏振拉曼光谱的测定方法，所述测定方法包括：调整所述检偏器的方向，以使所述散射光经过所述检偏器后的偏振方向与所述入射光经过所述双折射偏光元件后的偏振方向相互平行或垂直；选取所述六方晶体的一表面作为测试面，并确定所述测试面的表面法线；其中，所述表面法线是指垂直于所述测试面的垂线；旋转采样：将位于初始位置的所述六方晶体围绕所述表面法线沿预设方向旋转α1角度，并达到第一采样点；自所述初始位置至所述第一采样点时的旋转角记为γ1，采集所述六方晶体达到所述第一采样点时的偏振拉曼光谱；重复所述旋转采样步骤n次，即沿所述预设方向继续旋转α2、……、αn+1角度，所述六方晶体依次达到第二采样点、……、第n+1采样点；自所述初始位置至所述第二采样点、……、第n+1采样点时的旋转角分别记为γ2、……、γn+1；直至所述旋转角γn+1的角度不少于180°为止；所述n为自然数；分别提取所述六方晶体在第一采样点～第n+1采样点时的偏振拉曼光谱中的偏振散射强度，并绘制偏振散射强度-旋转角的趋势图。

进一步地，所述α1、……、αn+1角度的度数范围均为10°～20°。

进一步地，所述六方晶体为gan晶体。

本发明的有益效果：

(1)测试过程中所使用的光学元件数量较少，相比现有技术，减少了偏振旋转器和扰偏器的使用，从而降低了对入射光和/或散射光的强度以及偏振拉曼光谱的信噪比的不良影响；

(2)测试过程中仅需旋转待测试的六方晶体即可，而无需频繁变动入射光路和/或收集光路上的光学元件，即可简单方便地获得具有不同偏振方向的偏振拉曼光谱。

附图说明

通过结合附图进行的以下描述，本发明的实施例的上述和其它方面、特点和优点将变得更加清楚，附图中：

图1是根据本发明的实施例的实验配置示意图；其中，表示入射光路的方向，表示收集光路的方向；

图2是根据本发明的实施例的面的六方晶体在不同空间取向时的偏振拉曼光谱图；

图3是图2中e2(h)声子模的偏振散射强度-旋转角的趋势图；

图4是图2中面的六方晶体在旋转角为180°时的偏振拉曼光谱图及其对比例。

具体实施方式

以下，将参照附图来详细描述本发明的实施例。然而，可以以许多不同的形式来实施本发明，并且本发明不应该被解释为限制于这里阐述的具体实施例。相反，提供这些实施例是为了解释本发明的原理及其实际应用，从而使本领域的其他技术人员能够理解本发明的各种实施例和适合于特定预期应用的各种修改。在附图中，为了清楚起见，可以夸大元件的形状和尺寸，并且相同的标号将始终被用于表示相同或相似的元件。

将理解的是，尽管在这里可使用术语“第一”、“第二”等来描述各种元件，但是这些元件不应受这些术语的限制。这些术语仅用于将一个元件与另一个元件区分开来。

图1是根据本发明的实施例的实验配置示意图。

根据本发明的实施例的偏振拉曼光谱的测定方法是基于一种偏振拉曼光谱的测定仪器进行的，具体参照图1所示，所述测定仪器包括：依次排列的线激光器11、干涉滤光片12、双折射偏光元件41、功率衰减片13、两个第一反射片14、瑞利滤波片2、第二反射片33、检偏器42、共聚焦孔34、狭缝35、光栅36，以及设置于所述瑞利滤波片2下方的显微镜32和样品台31。其中，作为待测试样品的六方晶体5即放置于所述样品台31上。如此，所述线激光器11出射激光，以该激光作为入射光并依次经过干涉滤光片12、双折射偏光元件41、功率衰减片13、两个第一反射片14、瑞利滤波片2、显微镜32，照射至位于样品台31上的六方晶体5上，形成了入射光路；六方晶体5经所述入射光照射，产生散射光，所述散射光经显微镜32、瑞利滤波片2、第二反射片33、检偏器42、共聚焦孔34、狭缝35，到达光栅36处，形成了收集光路。

具体地，在本实施例中，所述双折射偏光元件41为格兰棱镜，其可将由所述线激光器11发射出的入射光调整为严格的第一线偏振光，同时，使用斯托克斯偏振态测量仪测定该第一线偏振光的偏振方向。检偏器42为一组偏振片，调整所述检偏器42的方向，以保证所述散射光在经过所述检偏器42后获得的第二线偏振光的偏振方向与所述第一线偏振光的偏振方向平行或垂直。所述瑞利滤波片2具体为陷波滤波器，其可以滤除由显微镜32方向传递过来的散射光中的瑞利散射线，而只允许其中的非弹性散射波透过。

值得说明的是，偏振拉曼光谱的几何配置为a1(a2a3)a4，其中a1和a4分别表示所述入射光和所述散射光的传播方向，而a2和a3分别表示所述入射光和所述散射光的偏振方向。根据拉曼选择定则，若上述四个方向中一个或几个方向发生改变，则在偏振拉曼光谱中出现的声子模式就有可能不同；因此，若需要研究某个特定的声子模式与空间取向之间的关系时，在垂直偏振(即第一线偏振光的偏振方向垂直于第二线偏振光的偏振方向)的状态下未必会出现这一模式，那么可以选择在平行偏振(即第一线偏振光的偏振方向平行于第二线偏振光的偏振方向)的状态下测量。若某一模式在两种偏振的状态下都可以出现，那么就可以在两种偏振的状态下更全面地研究声子振动模式与空间取向的关系。

在本实施例中，所述六方晶体5为gan晶体。

根据本实施例的基于上述测定仪器的偏振拉曼光谱的测定方法包括如下步骤：

在步骤一中，调整检偏器42的方向，使得散射光透过检偏器42所获得的第二线偏振光的偏振方向与光栅36的刻线方向垂直。

在本实施例中，由于所述入射光透过双折射偏光元件41所获得的第一线偏振光的偏振方向垂直于光栅36的刻线方向，因此，需调整所述检偏器42的方向，以使收集光路中偏振方向垂直于光栅36的刻线方向的散射光通过检偏器42，以获得第二线偏振光，从而保证了第一线偏振光的偏振方向与第二线偏振光的偏振方向相互平行。

在步骤二中，选取六方晶体5的一表面作为测试面，并确定一垂直于该测试面的垂线作为表面法线。

在本实施例中，目的在于测定面的gan晶体在不同空间取向时的偏振拉曼光谱，因此，表面面即作为测试面，而任意一垂直于该测试面的垂线均可作为表面法线。

在步骤三中，将所述六方晶体5按照逆时针方向围绕表面法线旋转，每旋转一次即采集所述六方晶体5在该位置的偏振拉曼光谱，直至所述六方晶体5旋转不少于180°。

在本实施例中，将六方晶体5未旋转时的初始位置记为0°，从0°开始按照10°/次的频率围绕表面法线旋转18次至180°，因此，共获取偏振拉曼光谱19条，分别记为1^#偏振拉曼光谱～19^#偏振拉曼光谱。

也就是说，首先采集该六方晶体5未旋转时在初始位置的偏振拉曼光谱；然后保持该六方晶体5围绕表面法线沿预定方向旋转α1角度并达到旋转后的第一采样点，采集其在第一采样点时的偏振拉曼光谱；再重复上述步骤n次，即沿所述预设方向继续旋转α2、……、αn+1角度，所述六方晶体5依次到达第二采样点、……、第n+1采样点，自所述初始位置至第二采样点、……、第n+1采样点的旋转角分别记为γ2、……、γn+1；直至γn+1的度数为180°；其中n为自然数，在本实施例中，n为17。

当然，一般六方晶体5每次围绕表面法线旋转的α1、……、αn+1角度的度数控制在10°～20°即可，在本实施例中，α1、……、α18角度的度数均为10°；且一般地，控制旋转角γn+1不少于180°即可。

值得说明的是，在上述步骤三的过程中，在二维方向上旋转六方晶体5，也即改变了该六方晶体5的空间取向，使得入射光和/或散射光的偏振方向与该六方晶体5的空间取向发生了相对的改变，其效果等同于现有技术中转动双折射偏光元件41、检偏器42等光学元件，以改变第一线偏振光和/或第二线偏振光的偏振方向；但根据本实施例中的测试方法，仅需要旋转待测试的六方晶体5，而无需频繁变动入射光路和/或收集光路中的光学元件，即能简单方便地获得强度较强、信噪比较好的偏振拉曼光谱。与此同时，在上述步骤三的过程中，收集光路中的检偏器42不动，透过检偏器42的散射光的偏振方向不变，导致光栅36的响应没有差别，不会造成光谱强度上的误差，因此不需要加入扰偏器(如λ/4波片)等用于消除光栅36对不同偏振方向的散射光产生不同响应的光学元件，也就是说，在测试过程中，所需的光学元件数量较少，从而降低了对入射光和/或散射光的强度以及偏振拉曼光谱的信噪比的不良影响。

在步骤四中，分别绘制六方晶体5的1^#偏振拉曼光谱～19^#偏振拉曼光谱的图形，提取其中的偏振散射强度，并绘制偏振散射强度-旋转角的趋势图。

在本实施例中，分别绘制出所述六方晶体5在0°、10°、20°、……、180°的共19个偏振拉曼光谱图，如图2所示。选取图2中每个偏振拉曼光谱图中的e2(h)声子模，作出其偏振散射强度-旋转角的散点图并拟合，获得偏振散射强度-旋转角的趋势图，如图3所示；所述e2(h)声子模是指e2(h)峰的声子模，即所述六方晶体5中两个相邻的相同原子间反向振动、不同原子间同向振动的峰，本实施例中即指两个相邻的n-n原子/ga-ga原子反向振动、ga-n原子同向振动所产生的峰。结合图2和图3可以看出，当所述六方晶体5在不同的空间取向下，即该六方晶体5处于不同的旋转角下，位于同一拉曼频移下的晶格振动声子模(如本实施例中的e2(h)声子模)呈正弦式的周期性的变化规律。

另外，选取图2中的所述六方晶体5在180°时的偏振拉曼光谱图，并采用现有技术中的测试方法获取同一空间取向下的偏振拉曼光谱图，即同时使用双折射偏光元件(格兰棱镜)、起偏器、检偏器、扰偏器的测试方法，如图4所示。在图4中，1^#线表示根据本实施例的测试方法所获得的偏振拉曼光谱图，2^#线表示采用现有技术中的测试方法所获得的偏振拉曼光谱图；从图4中可以明显看出根据本实施例的测试方法所获得偏振拉曼光谱图的信噪比较好、光谱强度更高(即峰强更强)，且光谱的形状尖锐、半高宽较窄。

当然，根据本实施例的六方晶体5中的测试面并不限于面，而是任意可用于测定偏振拉曼光谱的六方晶体5中的晶体表面，相应地，旋转时所围绕的表面法线则对应于选定的具体的测试面。

根据本实施例的偏振拉曼光谱的测定方法，仅需通过在二维方向上旋转六方晶体5，测试所述六方晶体5在不同旋转角下的偏振拉曼光谱，并提取其中的偏振散射强度，即可绘制得到该六方晶体5的偏振散射强度-旋转角的趋势图，而该六方晶体5在不同的旋转角下旋转至不同的位置即代表了其具有不同的空间取向，从而上述测试方法可用于研究声子振动模式与所述六方晶体5的空间取向之间的关系，或用于验证拉曼选择定则。另外，在测试的过程中，所需的光学元件数量较少，降低了对入射光和/或散射光的强度以及偏振拉曼光谱的信噪比的不良影响；与此同时，光路中的光学元件不需要变动，减少了对入射光路和/或收集光路的操作，实施较为简便，采集的偏振拉曼光谱的峰强较强、信噪比较好。

虽然已经参照特定实施例示出并描述了本发明，但是本领域的技术人员将理解：在不脱离由权利要求及其等同物限定的本发明的精神和范围的情况下，可在此进行形式和细节上的各种变化。