偏振片控制激光镊子光功率稳定的理论应用

摘要：拉曼光谱可以提供细胞分子水平信息，是分子机制研究中强有力的工具，因此，运用光学新技术从单细胞分子水平上提取动植物信息的新方法已成为生命科学等领域中相当重要的方法。实际应用中，为光谱的进一步分析提供真实的光谱数据尤为重要，因此拉曼光谱系统的稳定性就显得尤为重要。本文将马吕斯定律理论应用于拉曼光谱系统，利用偏振片控制光功率的稳定性，旨在提高系统的稳定性，获取更加真实、准确的光谱信息。

关键词：拉曼光谱系统；稳定性；马吕斯定律

中图分类号：Q631 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2017）41-0108-03

激光镊子拉曼光谱技术（Laser tweezers Raman spectroscopy，LTRS）优点突出，如样品制备简单、用量少、可对活体进行二、三维的点扫描和线扫获取分子组成和结构等信息[1]，还可以跟踪监测和分析样品等特点[2]。实际应用中，由于实验的需要，有时需要长时间运行拉曼光谱系统，因此系统的光功率不可避免地出现波动，通过仪器改良和数据分析方法等可以减少系统的涨落所带来的误差[3]。激光是偏振光，本文尝试将马吕斯定律应用于拉曼光谱系统，试图提高输入到倒置生物显微镜的光功率和提高系统的稳定性和提高实验精度。

一、理论应用前提分析

（一）自然光

自然光的光振动的振幅在垂直于光波的传播方向上，既有时间分布的均匀性，又有空间分布的均匀性。一束自然光还可分解为两束振动方向相互垂直的、等幅的、不相干的线偏振光，因为光的振动在各个方向是均匀的，所以自然光通过偏振片以后，光功率不会改变，从这个角度来讲，偏振片无法改变自然光的功率。

（二）线偏振光

光波的光矢量方向始终不变，只沿一个固定方向振动，线偏振光的表示法可用图2（a）表示；横波的振动方向相对传播方向不对称，横波的偏振如图2（b）所示。

（三）激光

1809年，马吕斯在试验中发现了光的偏振现象。只有横波才有偏振现象。激光束是由激光器内发光介质粒子的受激辐射形成的[4]。受激辐射有鲜明的特点：外来光子照射激光上能级粒子时，粒子辐射出一个光子并跃迁到下能级，受激辐射所产生的光子与外来光子具有相同的相位、相同的传播方向和相同的偏振状态，这意味着一个激光纵模一定是偏振的。正因为激光是偏振光，为马吕斯定律在拉曼光谱系统中的应用奠定了基础。

二、马吕斯定律理论

马吕斯指出：强度为Io的线偏振光，透过检偏片后，透射光的强度（不考虑吸收）为I=I0（cosa）2。α--线偏振光的振动方向与偏振片的透光轴方向之间的夹角，其中N1为偏振片的透光轴方向，N2光的偏振方向。因此，只要控制合适的振动方向与偏振片的透光轴方向之间的夹角，就可以達到控制光功率的目的，它为我们提供了理论应用依据。

三、控制理论应用依据

（一）理论应用可行性测试和依据

在本实验研究中，我们应用激光器（波长780 nm，TEC300，Sacher Lasertechnik Group）和偏振片做实验，启动激光，分别记录1h、24h、48h、72h、96h激光功率的大小，应用偏振片之前，连续重复实验三次，应用偏振片之后，同样连续重复实验三次。我们检测到的光功率数据如表一和表二所示：

可以看出，使用偏振片之前，尽管激光的价钱不低，但是由于温度，湿度等环境的影响，加上设备的折旧，其实光功率不稳定。如此看来，如果不加以控制，势必会给实验带来很大误差。而使用偏振片之后，光功率由于人为可调，每次测量时光功率的大小可以得到很好的控制，直接控制了光功率的稳定，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。为了进一步比较偏振片使用前后的效果，下面我们对所测光功率进行了涨落和箱图（Box-chart）统计。

（二）结果和讨论

箱图（Box-chart）统计结果如图3所示，未使用偏振片进行控制激光功率之前，光功率的数据和平均值偏差很大（图3前三次实验），涨落也大，使用偏振片前，第1次实验的涨落为32.00%，第二次为4.66%，第三次为20.03%，光功率不稳定，不利于实验的进行和研究。使用偏振片进行激光功率控制之后，光功率的数据和平均值偏差明显变小（图3后三次实验），涨落也缩小数倍，三次实验涨落分别为0.67%、0.87%和0.26%，这说明光功率较未用偏振片之前稳定性好很多，多重数据分析有力说明利用偏振片可以控制激光功率的稳定，为实验的进行和数据的进一步分析提供更加有用、准确的信息，意义重大而深远。下面是对具体系统的控制应用。

四、激光镊子拉曼光谱系统原理及控制理论应用

（一）系统的工作原理

要对具体的系统进行控制，需要清楚地认识系统的工作原理，激光镊子拉曼光谱系统（LTRS）的原理是将激光光束引入显微镜，在显微镜物镜（倒置）的焦平面上形成光镊用于囚禁细胞[5-6]，这束光同时也是拉曼散射的激发光，样品的拉曼散射光被引入到光谱仪，光谱仪耦合到CCD，用CCD记录拉曼散射信息。它的工作原理示意图如图4所示。

（二）马吕斯定律的理论应用

基于上述理论依据和系统的工作原理的认识以及我们已经进行了一系列的光谱研究和实验[5-7]，我们意识到由于CCD特别是激光器受温度湿度等环境因素的影响较大，长时间进行作业时，激光器的功率变化大，导致系统的稳定性差，从而导致分析结果误差大，虽然有聚苯乙烯或者其他内标物的校正，但对结果还是有较大影响，特别是对不方便引入内标物的样品的测定，测定结果误差更大[5].此经验已被本次我们测试所证实，为此，在控制好系统运行所需合适实验室环境的同时，在光路中加入镜片反射一部分光至光功率计，实时监视激光强度的变化，同时在靠近激光的光路中加入偏振片，一经检测到激光强度的变化，立即转动偏振片进行调整，所以，经测试研究、经验和多种理论作为支撑，足以说明偏振片可以控制输入显微镜的激光功率的稳定，在实验研究中为实验的成功提供了条件。

五、结论

本文介绍了光镊技术和拉曼光谱技术相结合而产生的激光镊子拉曼光谱技术的原理，从理论上分析了马吕斯定律在系统中的应用，理论、测试和分析说明可以取得很好的效果，分析测试实验结论和理论、经验的双重验证，偏振片可应用于控制系统的稳定，从而优化了实验系统，提高了系统的稳定性和保持稳定的信号强度，为实验的顺利进行准备了条件，为科学研究提供了现实应用和理论依据。

参考文献：

[1]覃赵军，陶站华，黎永青，王桂文.氮源影响PHB合成代谢的拉曼光谱分析[J].光学学报，2016，（4）：225-233.

[2]覃赵军，陶站华，刘军贤.分段式线性拟合校正拉曼光谱基线漂移[J].光谱学与光谱分析，2013，（2）：383-386.

[3]黄仙山，吴建光.光电子技术[D].合肥工业大学出版社，2016.

[4]覃赵军.微生物发酵的光镊拉曼光谱法监测与分析[D].广西师范大学，2013.

[5]Xie C，Dinno MA，Li Y-q.Near-infrared Raman spectroscopy of single optically trapped biological cells[J].Optics letters，2002，27（4）：249-251.

[6]覃赵军，彭立新，王桂文.碳源浓度影响微生物PHB 合成代谢的单细胞拉曼光谱分析[J].中国激光2015，（03）：332-340.

[7]覃赵军，彭立新，彭立新，王桂文.拉曼光谱分析有机氮源促进乙醇发酵的机制[J].分析化学2014，（10）：1471-1477.endprint