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CN111351576B - 共聚焦光路系统、共聚焦偏振测量方法及其应用 - Google Patents

共聚焦光路系统、共聚焦偏振测量方法及其应用 Download PDF

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CN111351576B CN202010211959.5A CN202010211959A CN111351576B CN 111351576 B CN111351576 B CN 111351576B CN 202010211959 A CN202010211959 A CN 202010211959A CN 111351576 B CN111351576 B CN 111351576B
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Abstract

本发明提供了一种共聚焦光路系统，所述共聚焦光路系统包括：激光器、平面反射镜、偏振片、二分之一波片、产生圆偏振光的光学元件和分束镜；其中，所述入射到分束镜的光的入射角的大小由分束镜的折射率、分束镜厚度和入射光波段共同决定；优选地，所述入射角为6°以内。相比于45°角入射，其圆偏振光的圆偏振度可以由50％提高到99％以上，其线偏振光的偏振面的旋转角度由30°减小到1°以内。这种光路设计可以应用在圆、线偏振分辨的光致荧光光谱和圆、线偏振分辨的拉曼光谱等偏振光谱的探测中，对提高实验的准确性有重要意义。

Description

共聚焦光路系统、共聚焦偏振测量方法及其应用
技术领域
本发明属于光学领域，具体涉及一种共聚焦光路系统、共聚焦偏振测量方法及其应用。
背景技术
偏振光谱如偏振荧光光谱、偏振拉曼光谱等，是通过选择性地测量与激发光偏振方向相同或不同的荧光、拉曼散射光等信号来实现的。与常规光谱测量相比，偏振光谱测量能提供更为丰富的信息，如材料的能带结构对称性、分子取向和化学键振动对称性等，因而这种技术在发光材料、生物蛋白、信息显示存储、电子学等领域具有广泛的应用前景。
共聚焦偏振光谱测量是偏振光谱测量的一种基本测量方式。一般而言，共聚焦光路要求入射到样品的光和从样品出射的光在同一条光路上。目前，在共聚焦圆偏振光谱测量的光路中，通常是激发光先经过偏振片和四分之一波片变为圆偏振度为99.9％圆偏振光，之后以45°的入射角经过分束镜反射到样品上。以圆偏振光经过厚度为1mm、折射率为1.5的分束镜为例，此时，圆偏振光变为偏振度约为50％的椭圆偏振光。在共聚焦线偏振光谱测量的光路中，激光先经过偏振片变为线偏振光，之后以45°的入射角经过分束镜反射到样品上。以偏振面与入射面成45°角的线偏振光经过厚度为1mm、折射率为1.5的分束镜为例，此时，线偏振光的偏振面发生约30°角的旋转。同样地，从样品出来的信号光在以45°的入射角经过分束镜后圆偏振度和线偏振面也会发生相应变化，从而影响实验结果的准确性。
当前的光路设计限制了共聚焦偏振光谱在高精度测量的应用，因此需要一种新的光路设计，既要保证入射到样品的圆偏振激发光的圆偏振度高或线偏振激发光的偏振面旋转角度小，又能减少光路对样品发出的信号光偏振的影响。
发明内容
因此，本发明的目的是针对现有共聚焦偏振光谱测量光路中激发光和被探测信号的圆偏振度降低和线偏振面发生旋转的问题，提供了一种共聚焦光路中提高圆偏振光的圆偏振度和减少线偏振光的偏振面旋转角度的光路设计。
在阐述本发明的技术方案之前，定义本文中所使用的术语如下：
术语“偏振片”是指：可以使自然光变成线偏振光的光学元件。一个偏振片只允许在一个特定平面内振动的光通过，这个平面称为偏振面，这个偏振方向称为偏振器的透光轴。
术语“四分之一波片”是指：一种相位延迟片，可以使光束分解成的寻常光(o光)和非常光(e光)之间的相位相差±π/2。
术语“二分之一波片”是指：一种相位延迟片，可以使光束分解成的寻常光(o光)和非常光(e光)之间的相位相差±π。
为实现上述目的，本发明的第一方面提供了一种共聚焦光路系统，所述共聚焦光路系统包括：激光器、平面反射镜、偏振片、二分之一波片、产生圆偏振光的光学元件和分束镜；
其中，所述入射到分束镜的光的入射角的大小由分束镜的折射率、分束镜厚度和入射光波段共同决定；优选地，所述入射角为6°以内。
根据本发明第一方面的共聚焦光路系统，其中，所述激光器发射的光线依次经过第一平面反射镜、第二平面反射镜、第一偏振片、二分之一波片、第三平面反射镜、第二偏振片、产生圆偏振光的光学元件和分束镜。
根据本发明第一方面的共聚焦光路系统，其中，所述共聚焦光路系统中经过分束镜的反射光的圆偏振度为90％以上，优选为95％以上，更优选为99％以上。
根据本发明第一方面的共聚焦光路系统，其中，所述产生圆偏振光的光学元件选自以下一种或多种：四分之一波片、巴比涅补偿器，液晶延迟器。
本发明的第二方面提供了一种共聚焦光路系统，所述共聚焦光路系统包括：激光器、平面反射镜、偏振片、二分之一波片和分束镜；
其中，所述入射到分束镜的光的入射角为的大小由分束镜的折射率、分束镜厚度和入射光波段共同决定；优选地，所述入射角为6°以内。
根据本发明第二方面的共聚焦光路系统，其中，所述激光器发射的光线依次经过第一平面反射镜、第二平面反射镜、第一偏振片、二分之一波片、第三平面反射镜、第二偏振片和分束镜。
根据本发明第二方面的共聚焦光路系统，其中，所述共聚焦光路系统中反射光的线偏振面的旋转角度为10°以内，优选为5°以内，更优选为1°以内。
根据本发明第一方面或第二方面的共聚焦光路系统，其中，所述分束镜为不镀膜分束镜和/或镀增反膜分束镜，优选为镀增反膜分束镜；
更优选地，所述增反膜选自以下一种或多种：红光增反膜、蓝光增反膜。
本发明的第三方面提供了一种共聚焦偏振测量方法，所述共聚焦偏振测量方法使用本发明第一方面或第二方面的共聚焦光路系统进行测量。
本发明的第四方面提供了第一方面或第二方面的共聚焦光路系统在研制偏振分辨测量仪器中的应用；
优选地，偏振分辨测量仪器为光致荧光探测仪器和/或拉曼光谱探测仪器。
本发明涉及偏振光学测试领域，具体涉及一种共聚焦光路系统、共聚焦偏振测量方法及其应用。
为实现上述目的，本发明提供了一种共聚焦光路中提高圆偏振光的圆偏振度和减少线偏振光的偏振面旋转角度的光路设计，所述光路设计包括激光器、反射镜、二分之一波片、偏振片、四分之一波片、分束镜：
根据本发明的光路设计，其中，所述反射镜为各个波段范围内的平面反射镜，适用波长根据所用激光器波长确定；
根据本发明的光路设计，其中，所述四分之一波片可以用任何能够产生圆偏振光的光学元件代替(如巴比涅补偿器，液晶延迟器等)。
根据本发明的光路设计，其中，所述分束镜为不镀膜分束镜、镀增反膜分束镜，优选为镀增反膜分束镜，其适用波长由所用激光器的波长决定；
本发明提供了一种共聚焦光路中提高圆偏振光的圆偏振度和减少线偏振光的偏振面旋转角度的光路设计，其具体内容如下：
1，共聚焦光路中提高圆偏振光的圆偏振度的光路设计。
激光经过偏振片变为线偏振光，之后经过四分之一波片，四分之一波片的光轴方向与偏振片的透光轴方向成45°夹角。在四分之一波片后面放置一个偏振片，偏振片后放置功率计。转动偏振片一周，通过功率计的示数变化检验从四分之一波片出射的光的圆偏振度，此时光的圆偏振度可以达到99.9％。拿掉后面的偏振片和功率计，使圆偏振光以6°以内的小角度入射到厚度为1mm、折射率为1.5的分束镜，从分束镜反射出来的光处于共聚焦光路中。此时检验从分束镜反射出来的光的圆偏振度为99％以上。所述入射到分束镜的入射角不限于6°以内，入射角的大小由分束镜的折射率、分束镜厚度以及入射光波段共同决定。
圆偏振度的计算方法如下：
Figure BDA0002423135440000041
其中，pc为圆偏振度，Pmax为功率计显示的最大功率，Pmin为功率计显示的最小功率，最大功率时偏振片对应的透光轴方向和最小功率时偏振片对应的透光轴方向应成90°夹角。
2，共聚焦光路中减少线偏振光的偏振面旋转角度的光路设计。
在内容1的光路中去掉四分之一波片即是共聚焦光路中减少线偏振光的偏振面旋转角度的光路设计。从偏振片出来的线偏振光以6°以内的小角度入射到厚度为1mm、折射率为1.5的分束镜，其反射光的线偏振面的旋转角小于1°。所述入射到分束镜的入射角不限于6°以内，入射角的大小由分束镜的折射率、分束镜厚度以及入射光波段共同决定。
本发明的原理：当光线从空气入射到分束镜时，其反射光线包括两个方面，一方面是分束镜前表面的反射光；一方面是进入分束镜的光经分束镜后表面反射再经过分束镜前表面折射进入空气中的光，并且光在分束镜表面有多次反射和折射。假设分束镜是均匀的平板分束镜，这个总反射率可以用传输矩阵的方法具体算出来。方法如下：
对于电矢量垂直于入射平面的入射光，分束镜的传输矩阵为：
Figure BDA0002423135440000042
此时竖直偏振光的反射率为：
Figure BDA0002423135440000043
其中，p1＝n1cosθ1，p2＝n2cosθ2，p3＝n1cosθ3。
对于电矢量平行于入射平面的入射光，分束镜的传输矩阵为：
Figure BDA0002423135440000051
此时水平偏振光的反射率为
Figure BDA0002423135440000052
其中，
Figure BDA0002423135440000053
其中，
Figure BDA0002423135440000054
(以λ0＝671nm为例)，n1＝1为空气的折射率，n2＝1.5为分束镜的折射率，z＝1mm为分束镜的厚度，θ为波法线与分束镜法线的夹角：θ1为光线进入分束镜时的入射角，θ2为光线从空气入射到分束镜时的折射角，θ3为光线从分束镜出来进入到空气时的折射角。根据折射定律可知，θ1，θ2和θ3之间的关系为：
Figure BDA0002423135440000055
Figure BDA0002423135440000056
本发明的共聚焦光路系统中提高圆偏振光的圆偏振度和减少线偏振光的偏振面旋转角度的光路设计可以具有但不限于以下有益效果：
本发明的光路设计应用于圆、线偏振分辨的荧光光谱和圆、线偏振分辨的拉曼光谱等偏振光谱的测量中，可以将圆偏振光的圆偏振度由50％提高到99％以上，线偏振光的偏振面旋转角由30°降低为1°以下。这能有效提高偏振分辨光谱的准确性，对于科学研究有重大意义。
附图说明
以下，结合附图来详细说明本发明的实施方案，其中：
图1示出了本发明的实施例1中的光路图。
图2示出了本发明的实施例2中的光路图。
附图标记说明：
1、激光器；2、第一平面反射镜；3、第二平面反射镜；4、第一偏振片；5第一二分之一波片；6、第三平面反射镜；7、第二偏振片；8、第一四分之一波片；9、分束镜；10、样品；11、第二四分之一波片；12、第二二分之一波片。
具体实施方式
下面通过具体的实施例进一步说明本发明，但是，应当理解为，这些实施例仅仅是用于更详细具体地说明之用，而不应理解为用于以任何形式限制本发明。
本部分对本发明试验中所使用到的材料以及试验方法进行一般性的描述。虽然为实现本发明目的所使用的许多材料和操作方法是本领域公知的，但是本发明仍然在此作尽可能详细描述。本领域技术人员清楚，在上下文中，如果未特别说明，本发明所用材料和操作方法是本领域公知的。
以下实施例中使用的光学元件和仪器如下：
光学元件列表：
光学元件 参数 购自
平面反射镜 波长：450-20000nm Thorlabs
偏振片 波长：300-700nm Foctek
二分之一波片 波长：300-700nm Foctek
四分之一波片 波长：300-700nm Foctek
镀增反膜分束镜 波长：350-1100nm,分束比5：5，厚度1mm Thorlabs
仪器列表：
仪器 参数 购自
半导体激光器 波长：671nm 长春新产业光电技术有限公司
实施例1
本实施例用于说明本发明共聚焦光路中提高圆偏振光的圆偏振度的光路设计。
图1示出了共聚焦光路中提高圆偏振光的圆偏振度的光路图。激光器1出射的激光经过平面反射镜2、3、6，偏振片4、7，二分之一波片5，四分之一波片8和分束镜9，入射到样品10，然后样品发出的信号光经过分束镜9和第二四分之一波片11被收集。其中，光线从第二平面反射镜6到分束镜9的入射角为6°。在光学元件光轴的设置中，第一偏振片4的偏振方向和第一二分之一波片5的光轴方向不做特殊规定，第二偏振片7的偏振方向为竖直方向。这里偏振片4和7的偏振方向不变，通过旋转第一二分之一波片5的光轴方向可以改变激光的强度。激光通过第二偏振片7后偏振方向变为竖直方向，第一四分之一波片8的光轴方向成45°放置，此时得出出射光为99.9％的圆偏振光。在光线以6°以内的小入射角入射到分束镜9时，它的反射光的圆偏振度为99.9％。
另外，在实验中使用的分束镜为镀增反膜分束镜，在入射光以45°入射角入射时，其透过率与反射率之比为5:5，在以6°的小角度入射时其透过率与反射率之比为4.5:5.5，因此，使用这种镀增反膜的分束镜并不会使得激发光的功率降低很多。
实施例2
本实施例用于说明本发明共聚焦光路中减小线偏振光的偏振面旋转角的光路设计。
将实施例1中的第一四分之一波片8和第二四分之一波片11拿掉并在第二四分之一波片11处放置第二二分之一波片12，调节第二偏振片7的偏振方向为45°，其他条件不变，实验中测得的线偏振光经过分束镜后偏振面基本不变。
尽管本发明已进行了一定程度的描述，明显地，在不脱离本发明的精神和范围的条件下，可进行各个条件的适当变化。可以理解，本发明不限于所述实施方案，而归于权利要求的范围，其包括所述每个因素的等同替换。

Claims (16)

1.一种共聚焦光路系统，其特征在于，所述共聚焦光路系统包括：激光器、平面反射镜、偏振片、二分之一波片、产生圆偏振光的光学元件和分束镜；所述激光器发射的光线依次经过第一平面反射镜、第二平面反射镜、第一偏振片、二分之一波片、第三平面反射镜、第二偏振片、产生圆偏振光的光学元件和分束镜；其中，入射到分束镜的光的入射角的大小由分束镜的折射率、分束镜厚度和入射光波段共同决定，所述入射角为6°以内。
2.根据权利要求1所述的共聚焦光路系统，其特征在于，所述共聚焦光路系统中经过分束镜的反射光的圆偏振度为90％以上。
3.根据权利要求2所述的共聚焦光路系统，其特征在于，所述共聚焦光路系统中经过分束镜的反射光的圆偏振度为95％以上。
4.根据权利要求3所述的共聚焦光路系统，其特征在于，所述共聚焦光路系统中经过分束镜的反射光的圆偏振度为99％以上。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的共聚焦光路系统，其特征在于，所述产生圆偏振光的光学元件选自以下一种或多种：四分之一波片、巴比涅补偿器，液晶延迟器。
6.一种共聚焦光路系统，其特征在于，所述共聚焦光路系统包括：激光器、平面反射镜、偏振片、二分之一波片和分束镜；
其中，入射到分束镜的光的入射角为的大小由分束镜的折射率、分束镜厚度和入射光波段共同决定；所述激光器发射的光线依次经过第一平面反射镜、第二平面反射镜、第一偏振片、二分之一波片、第三平面反射镜、第二偏振片和分束镜，所述入射角为6°以内。
7.根据权利要求6所述的共聚焦光路系统，其特征在于，所述共聚焦光路系统中从偏振片出来的线偏振光入射到分束镜的反射光的线偏振面的旋转角度为10°以内。
8.根据权利要求7所述的共聚焦光路系统，其特征在于，所述共聚焦光路系统中从偏振片出来的线偏振光入射到分束镜的反射光的线偏振面的旋转角度为5°以内。
9.根据权利要求8所述的共聚焦光路系统，其特征在于，所述共聚焦光路系统中从偏振片出来的线偏振光入射到分束镜的反射光的线偏振面的旋转角度为1°以内。
10.根据权利要求1至4、6至9中任一项所述的共聚焦光路系统，其特征在于，所述分束镜为不镀膜分束镜和/或镀增反膜分束镜。
11.根据权利要求5所述的共聚焦光路系统，其特征在于，所述分束镜为不镀膜分束镜和/或镀增反膜分束镜。
12.根据权利要求10所述的共聚焦光路系统，其特征在于，所述增反膜选自以下一种或多种：红光增反膜、蓝光增反膜。
13.根据权利要求11所述的共聚焦光路系统，其特征在于，所述增反膜选自以下一种或多种：红光增反膜、蓝光增反膜。
14.一种共聚焦偏振测量方法，其特征在于，所述共聚焦偏振测量方法使用如权利要求1至13中任一项所述的共聚焦光路系统进行测量。
15.权利要求1至13中任一项所述的共聚焦光路系统在偏振分辨测量仪器中的应用。
16.根据权利要求15所述的应用，其特征在于，偏振分辨测量仪器为光致荧光探测仪器和/或拉曼光谱探测仪器。
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