前 言

       對于某些分子或樣品，普通的拉曼光譜數據可以通過控制激發樣品的光的偏振和樣品的光散射來擴展。利用這種技術收集的拉曼光譜分析可以提供有關樣品分子結構的信息，包括其振動模式的對稱性，以及高度有序的樣品，如晶體、聚合物和碳材料。

       RM5共焦顯微拉曼光譜儀可以配置由電腦軟件自動控制的偏振片，能夠讓用戶更加輕松方便地獲取并分析拉曼光譜和偏振拉曼的Mapping譜圖。測試數據均可保證< 1μm的空間分辨率，這均歸功于RM5真正的共焦針孔。

       本應用將介紹關于光的偏振和偏振拉曼光譜的基本理論，以及RM5應用偏振拉曼的測試實例。

什么是光的偏振？

       在經典物理學中，光被認為是一種電磁波。每一種電磁波都是由相互垂直的電場和磁場組成的。為了簡化，只考慮電場(EF)分量：非偏振光由EFs朝向所有不同方向的波組成(圖1)。線性偏振光由EF沿光的傳播方向在一個平面上排列的波組成。圓偏振光由兩個相互垂直、振幅相等、相位差為π/2的EF分量的波組成。橢圓偏振光由兩個相互垂直但振幅和相位差不相等的EF分量的波組成。可以改變這些不同類型的光，以利于實驗使用。例如，有些材料只允許特定方向的電磁波通過。這些材料被稱為偏振器，它們可以用來產生不同類型的偏振光。在RM5中，半波片用于改變線性偏振光的偏振方向，四分之一波片用于將線性偏振光轉換為圓偏振光。

圖1.、偏振光的類型(注:線性偏振光和圓偏振光可被認為特殊情況的橢圓偏振光)

什么是偏振拉曼？

       拉曼光譜中峰的位置可以根據組成分析樣品分子內部的分子振動來確定。標準條件下的拉曼光譜可以告訴我們樣品的化學成分，而偏振的拉曼光譜可以提供更進一步的信息，比如振動模式的對稱性和樣品的方向。

利用偏振拉曼光譜獲得的信息眾多應用均有意義，例如：

‐   電子學和光學，確定元器件取向

‐   納米材料，測量單壁碳納米管的排列

‐   晶體學，評估晶體結構

‐   聚合物，揭示應力的位置

‐   生物學，描述非癌性和癌性人類乳腺組織的各向同性和各向異性振動反應

‐   理論研究，提供振動模式的實驗證據和數值為了幫助理解偏振拉曼光譜中使用的概念、硬件和符號，需要考慮兩種不同類型的樣品——各向同性和各向異性：

各向同性樣品(隨機取向的樣品，如液體、微晶粉末)

       拉曼散射光包括具有平行于激發光的偏振和與其垂直的偏振光的組合。在標準拉曼測量過程中，這兩種成分在同一光譜中測量。相反，在偏振拉曼光譜測量中，偏振濾光片被用來分別測量各個成分的拉曼光譜。

各向異性樣品(定向樣品，如晶格、聚合物)

       在這些樣品中，分子處于固定的位置，這意味著它們內部的化學鍵可以移動到特定的激發極化排列中。拉曼峰及其強度隨排列的不同而不同，從而產生了不同的光譜，為樣品提供了有用的信息。

去極化率

       對于一個特定的峰值，取其垂直強度與平行強度之比，得到去極化率（ρ）：

       去極化率能夠提供分子對稱性的信息，以及拉曼峰所代表的振動模式。眾所周知, 對于一個完全對稱的振動模式, ρ小于0.75，做極化帶。如果ρ大于或等于0.75, 叫去極化帶(即是不完全對稱的)。這些信息可以用來幫助識別振動模式以及樣品的結構和特性。

Porto符號

      “Porto符號”用于標準化的方式記錄極化條件，以便能夠準確地比較多組數據。波爾圖符號采用以下形式：A (B C) D。這里，A是激發（激光）傳播方向；B是激發（激光）偏振方向；C是散射（拉曼）偏振方向；D是散射（拉曼）傳播方向。圖2顯示了實驗設置和相應的Porto符號的示例，其中`z 散射傳播方向表示180°后散射配置（如RM5中使用的）。

       由于各向同性樣品的拉曼光譜不依賴于樣品的方向，因此可以進行兩種不同的極化測量，激發極化方向和散射極化方向之間的關系如下:

水平，例如：

豎直，例如：如圖2所示，

圖2. Porto 符號實例

       當使用各向異性樣品時，有必要記錄樣品相對于臺/顯微鏡的取向。例如，這可以通過使用臺或樣品（例如晶體結構）的坐標系來完成，或者如果未知，則捕獲樣品的白光圖像。從圖2中的實驗裝置來看，可能有四種不同的激發和散射極化組合：

實驗及測試結果

       為了說明這些技術在實際中的應用，對各向同性和各向異性樣品的測量如下。所示的所有實驗數據都是使用RM5拉曼顯微鏡（圖3）收集的，該顯微鏡配備了自動偏振器，可由RM5軟件Ramacle軟件輕松控制。532nm激發激光與20x物鏡和1800 gr/mm光柵一起使用。用半波片改變線性偏振光的偏振方向。將400微升環己烷添加到96孔板孔中，并將鈮酸鋰放置在顯微鏡載玻片上。

圖3. RM5顯微拉曼共焦光譜儀

各向同性樣品-環己烷

在下面的光譜中可以觀察到，完全對稱的振動模式在平行和垂直構型之間表現出Z 大的強度變化。

圖4. 環己烷的偏振拉曼譜圖(532 nm, 1800 gr/mm)

       環己烷的拉曼光譜（圖4）包含極化和去極化的拉曼峰。在383、801和1157cm-1處可以看到極化峰（ρ<0.75），它們來自完全對稱模式。例如，在801cm-1處，光譜中Z 強的峰來自CH2變形振動和環振動。 在425、1028、1266、1345和1444 cm-1處可以看到去極化峰（ρ≥0.75），并且來自非完全對稱的模式。例如，1444cm-1處的峰值來自CH2剪切振動。各向異性樣品-鈮酸鋰在下面的光譜中，我們將觀察到晶體和拉曼光譜儀之間的方向是重要的考慮因素，并使用Porto符號進行詳細說明。鈮酸鋰是一種單軸鐵電材料。它具有非線性光學系數大等特點，使得它在技術上具有重要意義，特別是在（非線性）光學應用中。本應用使用的樣品被切割成晶體X軸面，這個面垂直于入射激光的方向（平行于樣品臺表面），以及Y軸和Z軸的方向均如圖5所示。

       利用圖5我們還可以獲得用于每次光譜測量的拉曼儀器配置的Porto符號。

圖5. 鈮酸鋰樣品取向實例

       圖6顯示了使用四種不同的偏振配置獲得的鈮酸鋰光譜。可以看出，在不同的光譜中，存在的模式以及它們的強度和位置都有很大的變化。與之前的各向同性液體樣品相比，在不同的極化結構中，峰值強度是主要變量。

       比較各向異性樣品的極化光譜信息有助于識別材料及其晶體結構和取向。

圖6. 鈮酸鋰偏振光光譜 (532 nm, 1800 gr/mm)

結 論

       本應用意在說明光的偏振如何提供標準拉曼光譜研究中無法提供的有用信息。我們討論了去極化率以及它如何提供振動模式對稱性的信息，我們還討論了波爾圖符號及其在記錄光譜、樣品、儀器和光的方向之間的關系中的應用。對于各向同性(液體環己烷)和各向異性(晶體鈮酸鋰)樣品，我們演示了如何在RM5拉曼顯微鏡下建立極化拉曼實驗，并分析合成光譜。