一种通道光谱型全偏振拉曼光谱测量方法及系统

技术领域

本发明属于一种拉曼光谱测量方法，具体涉及一种通道光谱型全偏振拉曼光谱测量方法及系统。

背景技术

拉曼效应早在1928年就由C.V.Raman和K.S.Krishnan提出，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。

拉曼光谱技术应用于检测时，由于具有高特异性、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具有非常广泛的应用，且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，入射激光016首先被保偏光纤耦合进入系统，耦合光纤012靠近系统的一端处在准直镜011的焦点处，然后经过准直镜011的准直，变为更大半径的平行激光束，随后激光进入高数值孔径的显微物镜014，最后被聚焦在样品015平面上。其中，高数值孔径的显微物镜014使聚焦的光斑更小，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014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08之前还放置了一个超窄带通滤光片09，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015平面的激光纯净度。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015平面的点扫描，样品015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。

激光和样品015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显微物镜014收集，该模式下收集的光被称为后向散射光，后向散射光被第二反射镜013反射后打到陷波二向分束器08平面上，陷波二向分束器08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08进入信号收集光路。值得一提的是，陷波二向分束器08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08透过的散射光再通过一个二向的分束器05，该分束器05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07成像在一个面阵探测器06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04进一步滤除瑞利散射背景后，被透镜03聚焦在光纤02的端口，然后经由光纤02传输到光谱仪01中，实现拉曼光谱信号的记录。这里光纤02的端口与激光聚焦在样品平面的光斑呈共轭关系，满足共聚焦的条件。若要获取全偏振拉曼光谱信号，只要在陷波滤光片04和透镜03之间增加偏振片，通过至少旋转四次偏振片，获得全部的线偏振拉曼光谱。这种方法需要为偏振片配置运动部件，还要多次操作旋转偏振片，对应进行多次探测，结构和操作都较为繁琐。

发明内容

本发明针对当前获取全偏振拉曼光谱信号的系统，结构和操作都较为繁琐的技术问题，提供一种通道光谱型全偏振拉曼光谱测量方法及系统。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

第一方面，本发明提出一种通道光谱型全偏振拉曼光谱测量方法，包括：

将在待测样品平面产生的拉曼散射光经偏振调制组件的调制，形成偏振调制拉曼光谱；所述偏振调制组件包括依次设置的第一高阶延迟器、第二高阶延迟器和偏振片；

将所述偏振调制拉曼光谱从时域转换为频域，并在频域形成多个分立的通道；

通过傅里叶变换方法从频域中解调出拉曼光谱的全偏振信息。

进一步地，所述分立通道的数量为五；

五个所述分立通道包括一个低频通道、两个对称的中频通道和两个对称的高频通道，且相邻分立通道的中心距离为2/5的拉曼散射光截止频率；

所述低频通道为频率小于1/3拉曼散射光截止频率的通道；

所述中频通道为频率大于等于1/3拉曼散射光截止频率，且小于等于2/3拉曼散射光截止频率的通道；

所述高频通道为频率大于2/3拉曼散射光截止频率的通道。

进一步地，所述第一高阶延迟器的快轴方向为0°，所述第二高阶延迟器的快轴方向为45°，所述偏振片的透过轴方向为0°。

进一步地，所述第一高阶延迟器和第二高阶延迟器的材料均为YVO4，厚度均为5.4mm。

进一步地，所述偏振调制拉曼光谱表示如下：

其中，S

进一步地，所述通过傅里叶变换方法从频域中解调出拉曼光谱的全偏振信息，包括：

将中频通道从频域变换至时域，经过相位校正，提取得到全偏振信息中的第二个全偏振分量S

将高频通道从频域变换至时域，经过相位校正，取实部作为全偏振信息中的第三全偏振分量S

将低频通道从频域变换至时域，再剔除第三全偏振分量S

第二方面，本发明提出一种通道光谱型全偏振拉曼光谱测量系统，包括拉曼显微系统；还包括转换模块和解调模块；

所述拉曼显微系统中的偏振片替换为偏振调制组件，所述偏振调制组件包括沿拉曼散射光光路依次设置的第一高阶延迟器、第二高阶延迟器和偏振片，用于使在待测样品平面产生的拉曼散射光经调制形成偏振调制拉曼光谱；

所述转换模块，用于将所述偏振调制拉曼光谱从时域转换为频域，并在频域形成多个分立的通道；

所述解调模块，用于通过傅里叶变换方法从频域中解调出拉曼光谱的全偏振信息。

进一步地，所述拉曼显微系统包括光谱仪、准直镜、超窄带通滤光片、分束器、陷波二向分束器、显微物镜、第一成像镜、面阵探测器、陷波滤波片和第二成像镜；

入射激光依次经准直镜、超窄带通滤光片和分束器，透过分束器的入射激光依次经陷波二向分束器和显微物镜后，汇聚至待测样品平面，与待测样品平面作用后产生瑞利散射光和拉曼散射光，所述瑞利散射光和拉曼散射光被显微物镜收集后，进入陷波二向分束器，拉曼散射光透射后依次经过陷波滤波片、第一高阶延迟器、第二高阶延迟器、偏振片和第一成像镜，再经过光纤导入光谱仪，瑞利散射光经陷波二向分束器反射后进入分束器，被分束器反射后，经第二成像镜汇聚至面阵探测器。

进一步地，所述第一高阶延迟器的快轴方向为0°，所述第二高阶延迟器的快轴方向为45°，所述偏振片的透过轴方向为0°。

进一步地，所述第一高阶延迟器和第二高阶延迟器的材料均为YVO4，厚度均为5.4mm。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1.本发明提出一种通道光谱型全偏振拉曼光谱测量方法，借助第一高阶延迟器、第二高阶延迟器和偏振片将全偏振信息调制到拉曼光谱上，在频域形成多个分立通道，第一高阶延迟器、第二高阶延迟器和偏振片整体作为偏振调制组件，获取全偏振信息时，不需要对其进行调整，相较当前采用偏振片的方法，操作更加简便，也省略了相应的运动部件。获取偏振调制拉曼光谱后，再通过傅里叶变换方法从频域中解调出全偏振信息。本发明仅需一次测量就可以将全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四次偏振片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时间变为了本发明的四倍，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，本发明的测量方法拥有更高的时间分辨率，且具有没有运动部件的优势。

2.本发明中相邻分立通道的中心距离为2/5的拉曼散射光截止频率，每个分立通道均拥有相同的通道宽度，使得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。

3.本发明中通过对第一高阶延迟器、第二高阶延迟器和偏振片的参数、材料进行优化设计，得到最优的参数组合，能够使本发明的测量方法效果达到最佳。

4.本发明还提出了一种通道光谱型全偏振拉曼光谱测量系统，能够实现上述测量方法，具备上述测量方法的全部优势。在现有拉曼显微系统的基础上进行改进，对于各种类的拉曼显微系统均适用，只需要进行简单改进即可实现，具有广泛的推广前景。

附图说明

为了更清楚的说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为典型的拉满限位系统工作原理示意图。

其中，01-光谱仪、02-光纤、03-透镜、04-陷波滤光片、05-分束器、06-面阵探测器、07-成像镜、08-陷波二向分束器、09-超窄带通滤光片、010-第一反射镜、011-准直镜、012-耦合光纤、013-第二反射镜、014-显微物镜、015-样品、016-入射激光。

图2为实施例一的流程示意图；

图3为本发明一种通道光谱型全偏振拉曼光谱测量系统实施例的示意图；

图4为实施例五中偏振调制拉曼光谱的傅里叶变换结果；其中，(a)为第一全偏振分量S

图5为实施例五中偏振调制拉曼光谱的解调结果；其中，(a)表示第一全偏振分量，(b)为第二全偏振分量，(c)为第三全偏振分量，(d)为第四全偏振分量。

其中：1-入射激光、2-准直镜、3-超窄带通滤光片、4-分束器、5-平面反射镜、6-第二成像镜、7-陷波二向分束器、8-陷波滤波片、9-第一高阶延迟器、10-第二高阶延迟器、11-偏振片、12-第一成像镜、13-面阵探测器、14-显微物镜、15-样品、16-光纤。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明实施例的描述中，需要说明的是，若出现术语“上”、“下”、“水平”、“内”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描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、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

此外，若出现术语“水平”，并不表示要求部件绝对水平，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。

在本发明实施例的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，若出现术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

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。诱导偶极矩中一部分辐射光的频率与入射光的频率一致，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。

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。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，这个频率差值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，用于识别和区分复合物中的分子。拉曼光谱对应特定分子的振动能级，具有高特异性的优点。

拉曼光谱技术可作为一种无损检测技术，几乎不需要样品制备，也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检测，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，但是，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。若要获取全偏振拉曼光谱信号，需要通过多次旋转偏振片才能完成，结构和操作都较为繁琐。针对该问题，本发明提出一种通道光谱型全偏振拉曼光谱测量方法及系统，下面将结合实施例和附图对本发明做进一步详细描述：

实施例一

如图2所示，一种通道光谱型全偏振拉曼光谱测量方法，具体包括以下步骤：

S101，将在待测样品15平面产生的拉曼散射光经偏振调制组件的调制，形成偏振调制拉曼光谱；其中，偏振是通过依次设置的第一高阶延迟器9、第二高阶延迟器10和偏振片11实现的。

对待测样品15平面进行检测时，将经过处理的入射激光1汇聚至待测样品15平面上，在待测样品15平面发生拉曼效应，产生拉曼散射光。关于分立通道的数量，优选为五个分立通道，在本发明的其他实施例中，也可以根据需要或测量方法对应的测量系统结构进行调整。第一高阶延迟器9、第二高阶延迟器10和偏振片11整体组成偏振调制模块，通过偏振调制模块中各部件的组合，实现调制，形成偏振调制拉曼光谱。

S102，将所述偏振调制拉曼光谱从时域转换为频域，并在频域形成多个分立的通道；

S103，通过傅里叶变换方法从频域中解调出拉曼光谱的全偏振信息。

实施例二

作为本发明一种通道光谱型全偏振拉曼光谱测量方法的第一个优选实施例，具体的：

分立通道的具体数量为五。五个分立通道包括一个低频通道、两个对称的中频通道和两个对称的高频通道，且相邻分立通道的中心距离为2/5的拉曼散射光截止频率。此时，每个分立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。

实施例三

作为本发明一种通道光谱型全偏振拉曼光谱测量方法的第二个优选实施例，具体的：

拉曼散射光依次通过第一高阶延迟器9、第二高阶延迟器10及偏振片11，分立通道的具体数量为五，五个分立通道包括一个低频通道、两个对称的中频通道和两个对称的高频通道。相邻分立通道的中心距离为2/5的拉曼散射光截止频率，第一高阶延迟器9和第二高阶延迟器10的延迟量为拉曼光谱信号截止频率的五分之二。第一高阶延迟器9的快轴方向为0°，第二高阶延迟器10的快轴方向为45°，偏振片11的透过轴方向为0°。第一高阶延迟器9和第二高阶延迟器10的材料均为YVO4，厚度均为5.4mm。形成第一高阶延迟器9、第二高阶延迟器10及偏振片11的最优参数组合。

关于低频通道、中频通道和高频通道的划分，低频通道为频率小于1/3拉曼散射光截止频率的通道，中频通道为频率大于等于1/3拉曼散射光截止频率，且小于等于2/3拉曼散射光截止频率的通道，高频通道为频率大于2/3拉曼散射光截止频率的通道。

实施例四

对本发明一种通道光谱型全偏振拉曼光谱测量方法的调制和解调方法进行说明，具体如下：

经偏振调制组件的调制，在频域形成多个分立通道，具体使用以下方法，偏振调制拉曼光谱I

其中，σ是波数，单位为cm

对偏振调制拉曼光谱I

其中，i为复数的虚部。

相应的，从偏振调制拉曼光谱中提取拉曼光谱全偏振信息的具体过程为：

分别通过以下方式从五个分立通道中提取全偏振信息中的各偏振分量：

取出中频通道，从频域变换回时域，经过相位校正，提取出第二全偏振分量S

取出高频通道，从频域变换回时域，经过相位校正，取实部提取出第三全偏振分量S

取出低频通道，从频域变换回时域，从中剔除第三全偏振分量S

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，偏振调制拉曼光谱I

FT{I

其中，FT{}代表示傅里叶变换操作；C

IFT{C

其中，IFT{}代表了逆傅里叶变换操作，上式中的指数项经过准确定标后，全偏振信息的解调能通过下式得出：

S

其中，Re为取实部操作；Im为取虚部操作。

为了实现上述通道光谱型全偏振拉曼光谱测量方法，本发明还提出了一种通道光谱型全偏振拉曼光谱测量系统，可基于现有拉曼显微系统进行改进，还包括转换模块和解调模块。拉曼显微系统中的偏振片11替换为沿拉曼散射光光路依次设置的第一高阶延迟器9、第二高阶延迟器10和偏振片11，第一高阶延迟器9、第二高阶延迟器10和偏振片11共同组成偏振调制组件，用于对在待测样品15平面产生的拉曼散射光进行调制，形成偏振调制拉曼光谱。转换模块将偏振调制拉曼光谱从时域转换为频域，该偏振调制拉曼光谱在频域形成五个分立通道。而解调模块，用于通过傅里叶变换方法从频域中解调出拉曼光谱的全偏振信息。

如图3所示，以一种典型的拉曼显微系统为例，通道光谱型全偏振拉曼光谱测量系统的具体结构如下：

拉曼显微系统包括光谱仪、准直镜2、超窄带通滤光片3、分束器4、陷波二向分束器7、显微物镜14、第一成像镜12、面阵探测器13、陷波滤波片8和第二成像镜6。入射激光1依次经准直镜2、超窄带通滤光片3和分束器4，透过分束器4的入射激光1依次经陷波二向分束器7和显微物镜14后，汇聚至待测样品15平面，与待测样品15平面作用后产生瑞利散射光和拉曼散射光，所述瑞利散射光和拉曼散射光被显微物镜14收集后，进入陷波二向分束器7，拉曼散射光透射后依次经过陷波滤波片8、第一高阶延迟器9、第二高阶延迟器10、偏振片11和第一成像镜12，再经过光纤16导入光谱仪，瑞利散射光经陷波二向分束器7反射后进入分束器4，被分束器4反射后，经第二成像镜6汇聚至面阵探测器13，分束器4为拉曼光生成系统和亮场成像系统共有，其中，亮场成像系统包括显微物镜14、平面反射镜5、陷波二向分束器7、分束器4、第二成像镜6及面阵探测器13，拉曼光生成系统包括分束器4、陷波二向分束器7、平面反射镜5及显微物镜14。

第一高阶延迟器9及第二高阶延迟器10的延迟量为拉曼光谱信号截止频率的五分之二。第一高阶延迟器9的快轴方向为0°，第二高阶延迟器10的快轴方向为45°，偏振片11的透过轴方向为0°。

入射激光1经过准直镜2准直后调整为平行光束，通过超窄带通滤光片3滤除入射激光1波长以外的杂散光，再透过分束器4透射至陷波二向分束器7后再反射至平面反射镜5，平面反射镜5再反射至显微物镜14后，经显微物镜14汇聚聚焦在样品15平面上，样品15位于显微物镜14的焦点，与样品15平面作用后产生瑞利散射光及拉曼散射光，经显微物镜14收集后再通过平面反射镜5反射至陷波二向分束器7。拉曼散射光透过陷波二向分束器7，再通过陷波滤波片8滤除残余激光，然后经第一高阶延迟器9、第二高阶延迟器10及偏振片11调制在频域形成五个分立通道，形成偏振调制拉曼光谱，经第一成像镜12汇聚至光纤16入口处，最后由光纤16导入光谱仪。瑞利散射光被陷波二向分束器7反射至分束器4，随后被第二成像镜6反射至面阵探测器13，实现样品15平面的亮场成像。显微物镜14、平面反射镜5及陷波二向分束器7为拉曼光生成系统、拉曼光收集系统和亮场成像系统共有，其中，拉曼光收集系统包括显微物镜14、平面反射镜5、陷波二向分束器7、陷波滤波片8、偏振调制模块和收集模块。

实施例五

作为本发明一种通道光谱型全偏振拉曼光谱测量方法的示例，具体为：

入射激光1采用波长为785nm的入射激光1，由中心波长为785nm的二极管激光器产生。对聚丙烯纤维的拉曼光谱进行验证。

通过计算机模拟对通道光谱型全偏振拉曼光谱测量方法的原理做模拟验证，并由此确定第一高阶延迟器9和第二高阶延迟器10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S

计算得出偏振调制光谱，分别计算S

聚丙烯纤维的拉曼光谱FFT变换结果表明，S

图5展示了通过傅里叶变换方法解调偏振调制光谱的结果，聚丙烯纤维的全偏振分量的复原误差很小，表明全偏振分量成功的从模拟调制光谱中解调了出来，证明了FPRM原理及第一高阶延迟器9和第二高阶延迟器10参数设计的正确性。

以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。