CN109405971A - 一种显微偏振光谱分析系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种显微偏振光谱分析系统，包括白光光源、起偏系统、偏振分析系统和显微成像系统，在所述起偏系统与偏振分析系统之间设置有样品；所述起偏系统包括一个可绕中心轴旋转的光学起偏器；所述偏振分析系统包括偏振分束器以及第一光谱仪和第二光谱仪，所述偏振分束器分别通过光纤与第一光谱仪和第二光谱仪连接；所述显微成像系统包括放置于样品前的物镜和放置于相机前的成像透镜。本发明的系统适用于从紫外到红外的整个光谱区域，构造简单，能够测量整个光谱的磁光特性。
Description
技术领域
本发明涉及一种可用于材料的结构分析和光学吸收及偏振光谱测量技术，具体的说是一种显微偏振光谱分析系统及方法，属于光偏振分析技术领域。
背景技术
1845年，法拉第发现线性偏振光在磁场中通过玻璃传播时，其偏振面发生了旋转；随后克尔在反射式装置中也发现了类似的结果。这种现象被叫做磁光（magneto-optical,MO）效应，现如今已被广泛应用于磁化成像、磁光碟、电信和电流传感器等领域。
通常，MO活性是非常小的，一般表现为法拉第旋转角小于1°，由于调制幅度依赖于波长的大小，传统的系统采用一种基于单色光的调制方法，为了获得MO活性的光谱信息，需要通过单色仪来改变光波长。因此，这些系统为了提高很小的MO活性的高灵敏度花费了大量的时间。MO活性的快速光谱表征一直被人们期待着。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，克服现有技术的不足而提供一种显微偏振光谱分析系统，同时给出了显微偏振光谱分析方法，能够快速、灵活地对UV（紫外线）到IR（红外线）的全光谱范围进行MO谱评定。
本发明提供一种显微偏振光谱分析系统，包括白光光源、起偏系统、偏振分析系统和显微成像系统，在所述起偏系统与偏振分析系统之间设置有样品S；所述起偏系统包括一个可绕中心轴旋转的光学起偏器P；所述偏振分析系统包括一个偏振分束器PBS（polarization beam splitter）以及两个相同的光谱仪，分别为第一光谱仪和第二光谱仪，所述偏振分束器PBS分别通过光纤与第一光谱仪和第二光谱仪连接；所述显微成像系统包括放置于样品S前的物镜L3和放置于相机CCD前的成像透镜L2。
据了解，自然光通过偏振器后就变为线偏振光。这一事实性结论已被作为一项基础技术广泛应用于偏振层析成像中。线偏振光可由琼斯矢量表示，线性光学元件可由琼斯矩阵表示。当光穿过光学元件，通过获取光学元件的琼斯矩阵和入射光的琼斯矢量的乘积，可以得到出射光的所得偏振。本发明基于这个简单的想法设计了一种偏振分析光谱仪系统和方法，采用白光光源并对其波长进行平行测量，大大节省了测量整个光谱MO活性的时间。本发明的起偏系统用于改变光束的偏振方向，偏振分析系统用于产生偏振光和分析接收的偏振光，显微成像系统用于准直光束和成像。
作为本发明的进一步技术方案，进一步的，将光束在该起偏系统中的传播方向（横向）定义为z轴，与光束传播方向相垂直的竖向定义为y轴，与光速传播方向相垂直的纵向定义为x轴；所述光学起偏器P设置于电动平台上，所述光学起偏器P的偏振方向与x轴之间的夹角为45°。
进一步的，所述白光光源朝向第一光纤的入光口布置，所述第一光纤的出光口朝向第一准直透镜L1布置，所述第一准直透镜L1下方设置有分光镜BS（beam splitter），所述分光镜BS前方设置有光学起偏器P，所述分光镜BS后方设置有相机，在所述光学起偏器P与偏振分束器PBS之间的连接光路上依次设置有成像透镜L2、样品S和物镜L3。
上述结构中，成像透镜L2、物镜L3组成显微成像系统，通过该显微成像系统在样品上选定分析区域，对样品进行偏振显微分析；相机用于成像和检测成像透镜L2的聚焦条件；该显微成像系统还可用于对材料的形貌、尺寸进行观察并分析，同时对材料的各向异性进行测定分析等。
进一步的，在所述第一准直透镜L1与分光镜BS之间的连接光路上设置有滤光片ND（the neutral density filter）。
进一步的，所述第一准直透镜L1与分光镜BS之间的连接光路沿x轴方向布置，所述分光镜BS与偏振分束器PBS之间的连接光路沿z轴方向布置。
进一步的，所述偏振分束器PBS具有相垂直的光束透射输出端和光束反射输出端，所述偏振分束器PBS的光束透射输出端沿z轴方向布置，并且所述偏振分束器PBS的光束透射输出端设置有第四准直透镜L4，所述第四准直透镜L4通过第二光纤与第一光谱仪相连；所述偏振分束器PBS的光束反射输出端沿x轴方向布置，并且所述偏振分束器PBS的光束反射输出端设置有第五准直透镜L5，所述第五准直透镜L5通过第三光纤与第二光谱仪相连。
这样，入射光束经过偏振分束器PBS后分别透过准直透镜再经光纤耦合进光谱仪。
进一步的，所述分光镜BS具有布置在z轴方向上的光束反射输出端和光束透射输出端，所述分光镜BS的光束反射输出端设置有光学起偏器P，所述分光镜BS的光束透射输出端设置有相机。
进一步的,所述样品S设置于沿光传播方向（Z轴）施加的磁场中。
进一步的，所述白光光源、起偏系统、偏振分析系统和显微成像系统均安装在阻尼减震光学平台（该平台用于放置所有的光学元件）。
本发明还提供了一种显微偏振光谱分析方法，该方法包括以下步骤：
第一步、当光学起偏器P的偏振方向与x轴呈45°夹角时，分光镜BS反射出的入射光束经过光学起偏器P后变为线偏振光，该线偏振光采用琼斯矢量表示为；
第二步、线偏振光经过样品S后，其出射光的偏振面旋转一定角度，则该出射光采用琼斯矢量表示为
；
第三步、入射光束经过偏振系统后，继续传播，经过偏振分束器PBS被分成偏振态相互垂直的两束光束，其中一束沿z轴方向传播的光束透过第四准直透镜L4后经第二光纤耦合入第一光谱仪进行分析，得到该束光的光强度大小，记为；另一束沿x轴方向传播的光束透过第五准直透镜L5后经第三光纤耦合入第二光谱仪进行分析，得到该束光的光强度大小，记为；
第四步、根据下式计算法拉第转角，
。
本发明采用两个通用光谱仪差分检测抑制了共模噪声，增加了信噪比。
本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果 ：
（1）本发明的系统只需要一个稳定连续的光谱光源、一个偏振器、两个通用光谱仪以及一些光学元件组成，系统成本低；
（2）本发明的系统和方法灵活，适用于从紫外到红外，甚至在太赫兹应用中的全光谱范围；
（3）由于使用光谱仪和连续谱光源，本发明的分析方法使磁光谱的测试时间大大缩短，一次光谱分析，就可以获得全波段的磁光谱特性。
总之，本发明的系统适用于从紫外到红外的整个光谱区域，构造简单，能够测量整个光谱的磁光特性。本发明的显微偏振光谱分析系统广泛用于材料、化学、生物、医学等领域。
附图说明
图1为本发明系统的硬件框架及结构示意图。
图2为本发明中样品为单晶GaAs的法拉第旋转角和透射率图（插图显示带边缘附近的放大视图）。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：
本实施例提出了一种显微偏振光谱分析系统，如图1所示，包括白光光源、起偏系统、偏振分析系统和显微成像系统，白光光源、起偏系统、偏振分析系统和显微成像系统均安装在阻尼减震光学平台，在起偏系统与偏振分析系统之间设置有样品S，样品S设置于沿光传播方向（Z轴）施加的磁场中。起偏系统包括一个可绕中心轴旋转的光学起偏器P，将光束在该起偏系统中的传播方向（横向）定义为z轴，与光束传播方向相垂直的竖向定义为y轴，与光速传播方向相垂直的纵向定义为x轴，光学起偏器P设置于电动平台上，光学起偏器P的偏振方向与x轴之间的夹角为45°。偏振分析系统包括一个偏振分束器PBS以及两个相同的光谱仪，分别为第一光谱仪和第二光谱仪，偏振分束器PBS分别通过光纤与第一光谱仪和第二光谱仪连接。显微成像系统包括放置于样品S前的物镜L3和放置于相机CCD前的成像透镜L2。
详细地，白光光源朝向第一光纤的入光口布置，第一光纤的出光口朝向第一准直透镜L1布置，第一准直透镜L1下方设置有分光镜BS，在第一准直透镜L1与分光镜BS之间的连接光路上设置有中性密度滤光片ND，第一准直透镜L1与分光镜BS之间的连接光路沿x轴方向布置。分光镜BS前方设置有光学起偏器P，分光镜BS后方设置有相机CCD，在光学起偏器P与偏振分束器PBS之间的连接光路上依次设置有成像透镜L2、样品S和物镜L3，分光镜BS与偏振分束器PBS之间的连接光路沿z轴方向布置。
另外，偏振分束器PBS具有相垂直的光束透射输出端和光束反射输出端，偏振分束器PBS的光束透射输出端沿z轴方向布置，并且偏振分束器PBS的光束透射输出端设置有第四准直透镜L4，第四准直透镜L4通过第二光纤与第一光谱仪相连；偏振分束器PBS的光束反射输出端沿x轴方向布置，并且偏振分束器PBS的光束反射输出端设置有第五准直透镜L5，第五准直透镜L5通过第三光纤与第二光谱仪相连。分光镜BS具有布置在z轴方向上的光束反射输出端和光束透射输出端，分光镜BS的光束反射输出端设置有光学起偏器P，分光镜BS的光束透射输出端设置有相机。
本实施例的系统将测量可见光到近红外波段单晶GaAs的光学和磁光谱特性。白光光源采用卤钨灯光源（Halogen），卤钨灯光源选取来自海洋光学（O.O.）的HL-2000，其功率为7 W，稳定性为0.5％，漂移小于0.3％/小时；将两个光谱仪（Spectrometer）平滑宽度设定为5，积分时间设置为100毫秒；第一准直透镜L1选取来自于 Mitutoyo的Mplan Apo 2×，其焦距为100mm，数值孔径为0.055；第二准直透镜（成像透镜）L2和第三准直透镜（物镜）L3选取来自于M Plan Apo NIR 20×，其焦距为10mm,数值孔径为0.40；第四准直透镜L4使用O.O.的UV-74准直透镜。将所有光学元件均安装在阻尼减震光学平台上。将光学起偏器P安装在电动载物平台上，其偏振方向与x轴成45°。调整第一准直透镜L1 和第二准直透镜L2，直到CCD相机上出现一个直径为40微米的圆。调整物镜L3和其他准直透镜，并通过两个光谱仪测量两束光的光强度和，直至两束光的光强度相等。
首先，将单晶GaAs样品S放置在物镜L3与光学起偏器P之间，样品S的厚度为0.625mm。然后，采用具有通孔的双轭电磁铁沿z轴施加高达1T的磁场。最后，通过两个光谱仪测量经过PBS后的两束光的光强度和，采用（1）式计算出法拉第转角。如图2为其波长从880nm到1600 nm的法拉第转角和透射率。插图为带边缘附近的放大视图。
一种显微偏振光谱分析方法，该方法包括以下步骤：
第一步、当光学起偏器P的偏振方向与x轴呈45°夹角时，分光镜BS反射出的入射光束经过光学起偏器P后变为线偏振光，该线偏振光采用琼斯矢量表示为；
第二步、线偏振光经过样品S后，其出射光的偏振面旋转一定角度，则该出射光采用琼斯矢量表示为
；
第三步、入射光束经过偏振系统后，继续传播，经过偏振分束器PBS被分成偏振态相互垂直的两束光束，其中一束沿z轴方向传播的光束透过第四准直透镜L4后经第二光纤耦合入第一光谱仪进行分析，得到该束光的光强度大小，记为；另一束沿x轴方向传播的光束透过第五准直透镜L5后经第三光纤耦合入第二光谱仪进行分析，得到该束光的光强度大小，记为；
第四步、根据下式计算法拉第转角，
（1）。
以上所述，仅为本发明中的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可理解想到的变换或替换，都应涵盖在本发明的包含范围之内，因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。值得一提的是，本发明提到的偏振分析系统，不仅适用于样品磁性引起的磁光效应，也适用于由任何其他外场比如温度、电场、压强等产生的样品偏振状态的变化，这些变化也可应用该系统进行显微偏振谱分布。
Claims (10)
1.一种显微偏振光谱分析系统，其特征在于：包括白光光源、起偏系统、偏振分析系统和显微成像系统，在所述起偏系统与偏振分析系统之间设置有样品；所述起偏系统包括一个可绕中心轴旋转的光学起偏器；所述偏振分析系统包括偏振分束器以及第一光谱仪和第二光谱仪，所述偏振分束器分别通过光纤与第一光谱仪和第二光谱仪连接；所述显微成像系统包括放置于样品前的物镜和放置于相机前的成像透镜。
2.根据权利要求1所述一种显微偏振光谱分析系统，其特征在于：将光束在起偏系统中的传播方向定义为z轴，与光束传播方向相垂直的竖向定义为y轴，与光速传播方向相垂直的纵向定义为x轴；所述光学起偏器设置于电动平台上，所述光学起偏器的偏振方向与x轴之间的夹角为45°。
3.根据权利要求2所述一种显微偏振光谱分析系统，其特征在于：所述白光光源朝向第一光纤的入光口，所述第一光纤的出光口朝向第一准直透镜，所述第一准直透镜下方设置有分光镜，所述分光镜前方设置有光学起偏器，所述分光镜后方设置有相机，在所述光学起偏器与偏振分束器之间的连接光路上依次设置有成像透镜、样品和物镜。
4.根据权利要求3所述一种显微偏振光谱分析系统，其特征在于：在所述第一准直透镜与分光镜之间的连接光路上设置有滤光片。
5.根据权利要求4所述一种显微偏振光谱分析系统，其特征在于：所述第一准直透镜与分光镜之间的连接光路沿x轴方向布置，所述分光镜与偏振分束器之间的连接光路沿z轴方向布置。
6.根据权利要求5所述一种显微偏振光谱分析系统，其特征在于：所述偏振分束器具有相垂直的光束透射输出端和光束反射输出端，所述偏振分束器的光束透射输出端沿z轴方向布置，并且所述偏振分束器的光束透射输出端设置有第四准直透镜，所述第四准直透镜通过第二光纤与第一光谱仪相连；所述偏振分束器的光束反射输出端沿x轴方向布置，并且所述偏振分束器的光束反射输出端设置有第五准直透镜，所述第五准直透镜通过第三光纤与第二光谱仪相连。
7.根据权利要求6所述一种显微偏振光谱分析系统，其特征在于：所述分光镜具有布置在z轴方向上的光束反射输出端和光束透射输出端，所述分光镜的光束反射输出端设置有光学起偏器，所述分光镜的光束透射输出端设置有相机。
8.根据权利要求7所述一种显微偏振光谱分析系统，其特征在于：所述样品设置于沿光传播方向施加的磁场中。
9.根据权利要求8所述一种显微偏振光谱分析系统，其特征在于：所述白光光源、起偏系统、偏振分析系统和显微成像系统均安装在阻尼减震光学平台。
10.一种显微偏振光谱分析方法，其特征在于，包括以下步骤：
第一步、当光学起偏器的偏振方向与x轴呈45°夹角时，分光镜反射出的入射光束经过光学起偏器后变为线偏振光，该线偏振光采用琼斯矢量表示为；
第二步、线偏振光经过样品后，其出射光的偏振面旋转一定角度，则该出射光采用琼斯矢量表示为
；
第三步、入射光束继续传播，经过偏振分束器被分成偏振态相互垂直的两束光束，其中一束沿z轴方向传播的光束透过第四准直透镜后经第二光纤耦合入第一光谱仪进行分析，得到该束光的光强度大小，记为；另一束沿x轴方向传播的光束透过第五准直透镜后经第三光纤耦合入第二光谱仪进行分析，得到该束光的光强度大小，记为；
第四步、根据下式计算法拉第转角，
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