偏振片控制激光鑷子光功率穩(wěn)定的理論應(yīng)用

摘要：拉曼光譜可以提供細(xì)胞分子水平信息，是分子機(jī)制研究中強(qiáng)有力的工具，因此，運(yùn)用光學(xué)新技術(shù)從單細(xì)胞分子水平上提取動(dòng)植物信息的新方法已成為生命科學(xué)等領(lǐng)域中相當(dāng)重要的方法。實(shí)際應(yīng)用中，為光譜的進(jìn)一步分析提供真實(shí)的光譜數(shù)據(jù)尤為重要，因此拉曼光譜系統(tǒng)的穩(wěn)定性就顯得尤為重要。本文將馬呂斯定律理論應(yīng)用于拉曼光譜系統(tǒng)，利用偏振片控制光功率的穩(wěn)定性，旨在提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，獲取更加真實(shí)、準(zhǔn)確的光譜信息。

關(guān)鍵詞：拉曼光譜系統(tǒng)；穩(wěn)定性；馬呂斯定律

中圖分類(lèi)號(hào)：Q631 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2017）41-0108-03

激光鑷子拉曼光譜技術(shù)（Laser tweezers Raman spectroscopy，LTRS）優(yōu)點(diǎn)突出，如樣品制備簡(jiǎn)單、用量少、可對(duì)活體進(jìn)行二、三維的點(diǎn)掃描和線掃獲取分子組成和結(jié)構(gòu)等信息[1]，還可以跟蹤監(jiān)測(cè)和分析樣品等特點(diǎn)[2]。實(shí)際應(yīng)用中，由于實(shí)驗(yàn)的需要，有時(shí)需要長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行拉曼光譜系統(tǒng)，因此系統(tǒng)的光功率不可避免地出現(xiàn)波動(dòng)，通過(guò)儀器改良和數(shù)據(jù)分析方法等可以減少系統(tǒng)的漲落所帶來(lái)的誤差[3]。激光是偏振光，本文嘗試將馬呂斯定律應(yīng)用于拉曼光譜系統(tǒng)，試圖提高輸入到倒置生物顯微鏡的光功率和提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和提高實(shí)驗(yàn)精度。

一、理論應(yīng)用前提分析

（一）自然光

自然光的光振動(dòng)的振幅在垂直于光波的傳播方向上，既有時(shí)間分布的均勻性，又有空間分布的均勻性。一束自然光還可分解為兩束振動(dòng)方向相互垂直的、等幅的、不相干的線偏振光，因?yàn)楣獾恼駝?dòng)在各個(gè)方向是均勻的，所以自然光通過(guò)偏振片以后，光功率不會(huì)改變，從這個(gè)角度來(lái)講，偏振片無(wú)法改變自然光的功率。

（二）線偏振光

光波的光矢量方向始終不變，只沿一個(gè)固定方向振動(dòng)，線偏振光的表示法可用圖2（a）表示；橫波的振動(dòng)方向相對(duì)傳播方向不對(duì)稱(chēng)，橫波的偏振如圖2（b）所示。

（三）激光

1809年，馬呂斯在試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)了光的偏振現(xiàn)象。只有橫波才有偏振現(xiàn)象。激光束是由激光器內(nèi)發(fā)光介質(zhì)粒子的受激輻射形成的[4]。受激輻射有鮮明的特點(diǎn)：外來(lái)光子照射激光上能級(jí)粒子時(shí)，粒子輻射出一個(gè)光子并躍遷到下能級(jí)，受激輻射所產(chǎn)生的光子與外來(lái)光子具有相同的相位、相同的傳播方向和相同的偏振狀態(tài)，這意味著一個(gè)激光縱模一定是偏振的。正因?yàn)榧す馐瞧窆猓瑸轳R呂斯定律在拉曼光譜系統(tǒng)中的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

二、馬呂斯定律理論

馬呂斯指出：強(qiáng)度為Io的線偏振光，透過(guò)檢偏片后，透射光的強(qiáng)度（不考慮吸收）為I=I0（cosa）2。α--線偏振光的振動(dòng)方向與偏振片的透光軸方向之間的夾角，其中N1為偏振片的透光軸方向，N2光的偏振方向。因此，只要控制合適的振動(dòng)方向與偏振片的透光軸方向之間的夾角，就可以達(dá)到控制光功率的目的，它為我們提供了理論應(yīng)用依據(jù)。

三、控制理論應(yīng)用依據(jù)

（一）理論應(yīng)用可行性測(cè)試和依據(jù)

在本實(shí)驗(yàn)研究中，我們應(yīng)用激光器（波長(zhǎng)780 nm，TEC300，Sacher Lasertechnik Group）和偏振片做實(shí)驗(yàn)，啟動(dòng)激光，分別記錄1h、24h、48h、72h、96h激光功率的大小，應(yīng)用偏振片之前，連續(xù)重復(fù)實(shí)驗(yàn)三次，應(yīng)用偏振片之后，同樣連續(xù)重復(fù)實(shí)驗(yàn)三次。我們檢測(cè)到的光功率數(shù)據(jù)如表一和表二所示：

可以看出，使用偏振片之前，盡管激光的價(jià)錢(qián)不低，但是由于溫度，濕度等環(huán)境的影響，加上設(shè)備的折舊，其實(shí)光功率不穩(wěn)定。如此看來(lái)，如果不加以控制，勢(shì)必會(huì)給實(shí)驗(yàn)帶來(lái)很大誤差。而使用偏振片之后，光功率由于人為可調(diào)，每次測(cè)量時(shí)光功率的大小可以得到很好的控制，直接控制了光功率的穩(wěn)定，因此有理由相信，利用偏振片控制光功率的行之有效的方法。為了進(jìn)一步比較偏振片使用前后的效果，下面我們對(duì)所測(cè)光功率進(jìn)行了漲落和箱圖（Box-chart）統(tǒng)計(jì)。

（二）結(jié)果和討論

箱圖（Box-chart）統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖3所示，未使用偏振片進(jìn)行控制激光功率之前，光功率的數(shù)據(jù)和平均值偏差很大（圖3前三次實(shí)驗(yàn)），漲落也大，使用偏振片前，第1次實(shí)驗(yàn)的漲落為32.00%，第二次為4.66%，第三次為20.03%，光功率不穩(wěn)定，不利于實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行和研究。使用偏振片進(jìn)行激光功率控制之后，光功率的數(shù)據(jù)和平均值偏差明顯變小（圖3后三次實(shí)驗(yàn)），漲落也縮小數(shù)倍，三次實(shí)驗(yàn)漲落分別為0.67%、0.87%和0.26%，這說(shuō)明光功率較未用偏振片之前穩(wěn)定性好很多，多重?cái)?shù)據(jù)分析有力說(shuō)明利用偏振片可以控制激光功率的穩(wěn)定，為實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行和數(shù)據(jù)的進(jìn)一步分析提供更加有用、準(zhǔn)確的信息，意義重大而深遠(yuǎn)。下面是對(duì)具體系統(tǒng)的控制應(yīng)用。

四、激光鑷子拉曼光譜系統(tǒng)原理及控制理論應(yīng)用

（一）系統(tǒng)的工作原理

要對(duì)具體的系統(tǒng)進(jìn)行控制，需要清楚地認(rèn)識(shí)系統(tǒng)的工作原理，激光鑷子拉曼光譜系統(tǒng)（LTRS）的原理是將激光光束引入顯微鏡，在顯微鏡物鏡（倒置）的焦平面上形成光鑷用于囚禁細(xì)胞[5-6]，這束光同時(shí)也是拉曼散射的激發(fā)光，樣品的拉曼散射光被引入到光譜儀，光譜儀耦合到CCD，用CCD記錄拉曼散射信息。它的工作原理示意圖如圖4所示。

（二）馬呂斯定律的理論應(yīng)用

基于上述理論依據(jù)和系統(tǒng)的工作原理的認(rèn)識(shí)以及我們已經(jīng)進(jìn)行了一系列的光譜研究和實(shí)驗(yàn)[5-7]，我們意識(shí)到由于CCD特別是激光器受溫度濕度等環(huán)境因素的影響較大，長(zhǎng)時(shí)間進(jìn)行作業(yè)時(shí)，激光器的功率變化大，導(dǎo)致系統(tǒng)的穩(wěn)定性差，從而導(dǎo)致分析結(jié)果誤差大，雖然有聚苯乙烯或者其他內(nèi)標(biāo)物的校正，但對(duì)結(jié)果還是有較大影響，特別是對(duì)不方便引入內(nèi)標(biāo)物的樣品的測(cè)定，測(cè)定結(jié)果誤差更大[5].此經(jīng)驗(yàn)已被本次我們測(cè)試所證實(shí)，為此，在控制好系統(tǒng)運(yùn)行所需合適實(shí)驗(yàn)室環(huán)境的同時(shí)，在光路中加入鏡片反射一部分光至光功率計(jì)，實(shí)時(shí)監(jiān)視激光強(qiáng)度的變化，同時(shí)在靠近激光的光路中加入偏振片，一經(jīng)檢測(cè)到激光強(qiáng)度的變化，立即轉(zhuǎn)動(dòng)偏振片進(jìn)行調(diào)整，所以，經(jīng)測(cè)試研究、經(jīng)驗(yàn)和多種理論作為支撐，足以說(shuō)明偏振片可以控制輸入顯微鏡的激光功率的穩(wěn)定，在實(shí)驗(yàn)研究中為實(shí)驗(yàn)的成功提供了條件。

五、結(jié)論

本文介紹了光鑷技術(shù)和拉曼光譜技術(shù)相結(jié)合而產(chǎn)生的激光鑷子拉曼光譜技術(shù)的原理，從理論上分析了馬呂斯定律在系統(tǒng)中的應(yīng)用，理論、測(cè)試和分析說(shuō)明可以取得很好的效果，分析測(cè)試實(shí)驗(yàn)結(jié)論和理論、經(jīng)驗(yàn)的雙重驗(yàn)證，偏振片可應(yīng)用于控制系統(tǒng)的穩(wěn)定，從而優(yōu)化了實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和保持穩(wěn)定的信號(hào)強(qiáng)度，為實(shí)驗(yàn)的順利進(jìn)行準(zhǔn)備了條件，為科學(xué)研究提供了現(xiàn)實(shí)應(yīng)用和理論依據(jù)。

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