偏振片控制激光鑷子光功率穩定的理論應用

摘要：拉曼光譜可以提供細胞分子水平信息，是分子機制研究中強有力的工具，因此，運用光學新技術從單細胞分子水平上提取動植物信息的新方法已成為生命科學等領域中相當重要的方法。實際應用中，為光譜的進一步分析提供真實的光譜數據尤為重要，因此拉曼光譜系統的穩定性就顯得尤為重要。本文將馬呂斯定律理論應用于拉曼光譜系統，利用偏振片控制光功率的穩定性，旨在提高系統的穩定性，獲取更加真實、準確的光譜信息。

關鍵詞：拉曼光譜系統；穩定性；馬呂斯定律

中圖分類號：Q631 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2017）41-0108-03

激光鑷子拉曼光譜技術（Laser tweezers Raman spectroscopy，LTRS）優點突出，如樣品制備簡單、用量少、可對活體進行二、三維的點掃描和線掃獲取分子組成和結構等信息[1]，還可以跟蹤監測和分析樣品等特點[2]。實際應用中，由于實驗的需要，有時需要長時間運行拉曼光譜系統，因此系統的光功率不可避免地出現波動，通過儀器改良和數據分析方法等可以減少系統的漲落所帶來的誤差[3]。激光是偏振光，本文嘗試將馬呂斯定律應用于拉曼光譜系統，試圖提高輸入到倒置生物顯微鏡的光功率和提高系統的穩定性和提高實驗精度。

一、理論應用前提分析

（一）自然光

自然光的光振動的振幅在垂直于光波的傳播方向上，既有時間分布的均勻性，又有空間分布的均勻性。一束自然光還可分解為兩束振動方向相互垂直的、等幅的、不相干的線偏振光，因為光的振動在各個方向是均勻的，所以自然光通過偏振片以后，光功率不會改變，從這個角度來講，偏振片無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，只沿一個固定方向振動，線偏振光的表示法可用圖2（a）表示；橫波的振動方向相對傳播方向不對稱，橫波的偏振如圖2（b）所示。

（三）激光

1809年，馬呂斯在試驗中發現了光的偏振現象。只有橫波才有偏振現象。激光束是由激光器內發光介質粒子的受激輻射形成的[4]。受激輻射有鮮明的特點：外來光子照射激光上能級粒子時，粒子輻射出一個光子并躍遷到下能級，受激輻射所產生的光子與外來光子具有相同的相位、相同的傳播方向和相同的偏振狀態，這意味著一個激光縱模一定是偏振的。正因為激光是偏振光，為馬呂斯定律在拉曼光譜系統中的應用奠定了基礎。

二、馬呂斯定律理論

馬呂斯指出：強度為Io的線偏振光，透過檢偏片后，透射光的強度（不考慮吸收）為I=I0（cosa）2。α--線偏振光的振動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方向與偏振片的透光軸方向之間的夾角，就可以達到控制光功率的目的，它為我們提供了理論應用依據。

三、控制理論應用依據

（一）理論應用可行性測試和依據

在本實驗研究中，我們應用激光器（波長780 nm，TEC300，Sacher Lasertechnik Group）和偏振片做實驗，啟動激光，分別記錄1h、24h、48h、72h、96h激光功率的大小，應用偏振片之前，連續重復實驗三次，應用偏振片之后，同樣連續重復實驗三次。我們檢測到的光功率數據如表一和表二所示：

可以看出，使用偏振片之前，盡管激光的價錢不低，但是由于溫度，濕度等環境的影響，加上設備的折舊，其實光功率不穩定。如此看來，如果不加以控制，勢必會給實驗帶來很大誤差。而使用偏振片之后，光功率由于人為可調，每次測量時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。為了進一步比較偏振片使用前后的效果，下面我們對所測光功率進行了漲落和箱圖（Box-chart）統計。

（二）結果和討論

箱圖（Box-chart）統計結果如圖3所示，未使用偏振片進行控制激光功率之前，光功率的數據和平均值偏差很大（圖3前三次實驗），漲落也大，使用偏振片前，第1次實驗的漲落為32.00%，第二次為4.66%，第三次為20.03%，光功率不穩定，不利于實驗的進行和研究。使用偏振片進行激光功率控制之后，光功率的數據和平均值偏差明顯變小（圖3后三次實驗），漲落也縮小數倍，三次實驗漲落分別為0.67%、0.87%和0.26%，這說明光功率較未用偏振片之前穩定性好很多，多重數據分析有力說明利用偏振片可以控制激光功率的穩定，為實驗的進行和數據的進一步分析提供更加有用、準確的信息，意義重大而深遠。下面是對具體系統的控制應用。

四、激光鑷子拉曼光譜系統原理及控制理論應用

（一）系統的工作原理

要對具體的系統進行控制，需要清楚地認識系統的工作原理，激光鑷子拉曼光譜系統（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胞[5-6]，這束光同時也是拉曼散射的激發光，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用

基于上述理論依據和系統的工作原理的認識以及我們已經進行了一系列的光譜研究和實驗[5-7]，我們意識到由于CCD特別是激光器受溫度濕度等環境因素的影響較大，長時間進行作業時，激光器的功率變化大，導致系統的穩定性差，從而導致分析結果誤差大，雖然有聚苯乙烯或者其他內標物的校正，但對結果還是有較大影響，特別是對不方便引入內標物的樣品的測定，測定結果誤差更大[5].此經驗已被本次我們測試所證實，為此，在控制好系統運行所需合適實驗室環境的同時，在光路中加入鏡片反射一部分光至光功率計，實時監視激光強度的變化，同時在靠近激光的光路中加入偏振片，一經檢測到激光強度的變化，立即轉動偏振片進行調整，所以，經測試研究、經驗和多種理論作為支撐，足以說明偏振片可以控制輸入顯微鏡的激光功率的穩定，在實驗研究中為實驗的成功提供了條件。

五、結論

本文介紹了光鑷技術和拉曼光譜技術相結合而產生的激光鑷子拉曼光譜技術的原理，從理論上分析了馬呂斯定律在系統中的應用，理論、測試和分析說明可以取得很好的效果，分析測試實驗結論和理論、經驗的雙重驗證，偏振片可應用于控制系統的穩定，從而優化了實驗系統，提高了系統的穩定性和保持穩定的信號強度，為實驗的順利進行準備了條件，為科學研究提供了現實應用和理論依據。

參考文獻：

[1]覃趙軍，陶站華，黎永青，王桂文.氮源影響PHB合成代謝的拉曼光譜分析[J].光學學報，2016，（4）：225-233.

[2]覃趙軍，陶站華，劉軍賢.分段式線性擬合校正拉曼光譜基線漂移[J].光譜學與光譜分析，2013，（2）：383-386.

[3]黃仙山，吳建光.光電子技術[D].合肥工業大學出版社，2016.

[4]覃趙軍.微生物發酵的光鑷拉曼光譜法監測與分析[D].廣西師范大學，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]覃趙軍，彭立新，王桂文.碳源濃度影響微生物PHB 合成代謝的單細胞拉曼光譜分析[J].中國激光2015，（03）：332-340.

[7]覃趙軍，彭立新，彭立新，王桂文.拉曼光譜分析有機氮源促進乙醇發酵的機制[J].分析化學2014，（10）：1471-1477.endprint