基于纵向偏振光场检测纵向分子取向的拉曼散射技术的研究

Molecular orientation is highly related to properties of materials, which is important in many research and application areas, such as materials and biomedical sciences. Raman scattering, as one of the techniques for detecting molecular orientation, has many advantages, such as label-free and high chemical sensitivity. But most Raman applications use linearly polarized excitation light, which is transversely polarized; therefore, only transversely orientated molecules can be easily detected but not those longitudinally orientated ones. Focusing of radially polarized light can create longitudinally polarized light, but the co-existence of transversely polarized component reduces the sensitivity for detecting longitudinally orientated molecules. To tackle this challenge, we aim in this project to create longitudinally polarized light with ultra-low transversely polarized component by focusing phase-modulated radially polarized light and apply it as the excitation source for Raman scattering; then study the relationship between Raman signal and molecular orientation under the excitation of longitudinally polarized light; eventually realize the detection of longitudinally orientated molecules by Raman scattering and explore the possible applications in different areas.

材料中的分子取向与材料性质紧密相关，因此对分子取向的研究在材料、生物医药等众多领域具有重要意义。作为检测分子取向手段之一的拉曼散射技术具有化学灵敏度高、样品无需标记等优点，但问题在于，目前拉曼技术一般使用线偏振光作为激发源，其偏振方向垂直于光束传播方向，因此仅适用于检测取向与光束传播方向垂直的分子，不利于检测取向沿着光束传播方向（纵向）的分子。聚焦后的径向偏振光虽然在焦点处具有平行于光束传播方向的纵向电场分量，但是同时也存在很强的垂直于光束传播方向的横向电场分量，两个偏振分量的同时存在使得对于取向为纵向的分子检测灵敏度不高。为了解决这个问题，本项目拟通过聚焦经位相调制的径向偏振光，在焦点处产生横向分量极低的纵向偏振光场，作为拉曼散射的激发光源，研究在纵向偏振场激发下，拉曼散射信号与分子取向的关系，从而实现使用拉曼散射技术检测取向为纵向的分子，并探索此方法在多个领域的应用潜力。

材料中的分子取向与材料性质紧密相关，因此对分子取向的研究在材料、生物医药等众多领域具有重要意义。作为检测分子取向手段之一的拉曼显微技术具有化学灵敏度高、样品无需标记等优点，但问题在于，目前拉曼技术一般使用线偏振光作为激发源，其偏振方向垂直于光束传播方向，因此仅适用于检测取向与光束传播方向垂直的分子，不利于检测取向沿着光束传播方向（纵向）的分子。聚焦后的径向偏振光虽然在焦点处具有平行于光束传播方向的纵向电场分量，但是同时也存在很强的垂直于光束传播方向的横向电场分量，两个偏振分量的同时存在使得对于取向为纵向的分子检测灵敏度不高。因此，本项目通过一定的实验设计，在实验中产生并测量了高质量的纵向偏振光，并提出了使用介质和金属纳米结构增强纵向偏振光的方法，可以弥补拉曼散射缺少纵向偏振光源的问题。项目还通过结合角向偏振光和径向偏振光，证明了可以测量由纯纵向偏振光激发的拉曼信号。研究结果为实现三维偏振拉曼奠定了基础，有望在无需旋转样品的条件下实现对分子三位取向的检测。