《多色宽带相干反斯托克斯拉曼散射过程的理论与实验研究》由会员分享，可在线阅读，更多相关《多色宽带相干反斯托克斯拉曼散射过程的理论与实验研究（8页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、物理学报Acta PhysSinVo163，No7r(2014)073301 多色宽带相干反斯托克斯拉曼散射过程的理论与 实验研究冰 尹君 余锋 侯国辉 梁闰富 田宇亮 林子扬十 牛憨笨 (深圳大学光电工程学院，深圳市 518060) (光电子器件与系统(教育部广东省)重点实验室，深圳市 518060) (2013年1O月15日收到；2013年12月29日收到修改稿) 宽带相干反斯托克斯拉曼散射(coherent antiStokes Raman scattering，CARS)光谱技术能够同时获取 完整的分子CARS光谱信息，以准确识别和定量分析混合物中的不同成分或未知成分在宽带CARS光谱
2、技 术中，由于超连续谱激光有效光谱范围内各光谱成分的作用不同，分别会产生双色和三色CARS过程这里 我们在理论上分析了宽带激发条件下两种CARS过程的产生条件，以及不同CARS光谱信号强度与各激发光 功率之间的关系在此基础上，搭建了基于SC激光的宽带CARS光谱系统，分别实现了双色和三色CARS过 程通过对获得的苯甲腈样品的CARS光谱信号进行函数拟合分析，实验验证了上述两个过程中CARS信号 的强度与各激发光强度之间的函数关系理论和实验研究结果为进一步优化宽带时间分辨CARS光谱探测和 显微系统，实现同时获取物质分子完整的CARS光谱信号提供了指导 关键词：相干反斯托克斯拉曼散射，超连续谱，
3、时间分辨，光子晶体光纤 PACS：3320Fb，4265Dr DOh 107498aps63073301 1引 言 相干反斯托克斯拉曼散射(coherent anti Stokes Raman scattering，CARS1光谱和显微成 像技术是一种具有高化学选择性、高时间和空间 分辨能力的非侵入光谱分析和显微成像技术，在 化学、材料科学、生命科学和生物学等众多研究领 域中得到了广泛的应用1-6近年来，利用超短激 光脉冲抽运光子晶体光纤(photonic crystal fiber， PCF)产生超连续谱(supercontinuum，SC)激光作 为光源，实现了具有宽的可同时探测光谱范围的
4、宽 带CARS光谱和显微技术7-12】宽带CARS技术 与传统的单频CARS技术相比具有宽的可同时探 测光谱范围，能够同时获取样品中拉曼活性分子 的完整CARS光谱信息以准确识别不同组分早 期基于SC激光实现的宽带CARS技术中，超短脉 冲激光器输出的激光脉冲被分为两束，其中一束 用于抽运PCF产生SC激光作为斯托克斯光( 1， 中心频率为 s；另一束激光脉冲同时做为抽运光 (Ee)和探测光(Ep，)1中心频率为Zp=03p，两束 激光同时激发待测样品产生CARS信号，称为双 色宽带CARS技术 ，81利用该技术虽然可同时获 取宽光谱范围内的CARS光谱信号，但由于在宽带 激发条件下无法消除伴
5、随CARS信号同时存在的 非共振背景(nonresonant background，NRB)噪声， 系统的信噪比、探测灵敏度和光谱分辨率大大降 低为了有效降低NRB噪声的影响，使用具有足 够宽的光谱范围的SC激光中不同的光谱成分同时 国家重点基础研究发展计划(973计划)(批准号：2012CB825802)、国家重大科学仪器设备开发专项(批准号：2012YQ150092)、国家 自然科学基金重点项目(批准号：61235012)和国家自然科学基金青年科学基金(批准号：11204226)资助的课题 十通讯作者E-marl：Izyszueducn 通讯作者E-mail：hbniuszueducri
6、2014中国物理学会Chinese Physical Society 0733011 Mtp：wulixb劫hyacc竹 物理学报Acta PhysSinVo163，No7(2014)073301 作为 和 ，具有一定时间延迟的飞秒激光脉冲 作为 ，实现了宽带时间分辨CARS技术(time- resolved CARS，TCARS)912 这一技术称为三 色宽带CARS技术该技术可以在时间上有效分离 具有不同振动退相时间特性的共振CARS信号和 NRB噪声，具有同时获取样品中拉曼活性分子的 高光谱分辨的完整CARS光谱信号的能力13,14 利用超短脉冲激光抽运PCF可以产生具有宽 光谱覆盖范围
7、的SC激光15-19】，SC激光的光谱覆 盖范围，各光谱成分的光谱连续性和时间一致性对 宽带TCARS光谱和显微系统的同时可探测的光 谱范围有着重要的影响14此外，为了利用所获 得的CARS光谱信号进行物质成分的定量分析，就 要求分析包括SC激光在内的各激发光与激发产生 的CARS光谱信号的强度关系本文首先对宽带 CARS技术中双色和三色CARS过程的产生进行 了理论分析，说明了不同CARS过程中实现同时获 取物质分子在300-4000 am 范围内的CARS光 谱信号的条件，以及不同CARS过程中CARS光谱 信号强度与激发光功率之间的关系在理论分析 的基础上，我们使用一台锁模钛宝石飞秒激光
8、器作 为光源，搭建了基于SC激光的宽带CARS光谱探 测系统利用该系统分别实现了双色和三色CARS 过程，得到了不同过程中纯的液态苯甲腈样品不同 分子振动模式的CARS光谱信号提取不同CARS 过程产生的不同分子振动模式对应的CARS光谱 信号进行函数拟合，分析了在不同CARS过程中各 CARS光谱信号的强度与各激发光平均功率之间 的关系理论分析和实验研究结果为进一步优化 同时获取物质分子的完整CARS光谱信息的宽带 TCARS光谱探测和显微技术奠定了基础 ：a) L P - _ 、 r l妒 I I P l ， 1 巴 、 ， 、 r 、 2理论分析 CARS光谱信号的产生源于具有不同中心波
9、 长的激发光与样品的三阶非线性极化率(x(0)(包 含共振(x )和非共振()( )两部分)相互作用的 三阶非线性光学过程在基于SC激光的宽带 CARS技术中，根据入射激发光(包括SC激光和窄 线宽激光脉冲)所起的作用，CARS光谱信号的产 生过程可分为双色和三色CARS过程，其能级示意 图如图1所示，其中f 0)和l )分别表示物质分子 的振动基态和第i个振动激发态为能够同时获取 振动波数为300-4000 cm 的生物分子的CARS 光谱，在宽带激发条件下的双色CARS过程中，当 使用中心波长为782 nm的窄线宽激光脉冲同时做 为Ee和E P，1要求做为 的SC激光的光谱覆盖 范围至少应
10、为338 nm，能级示意图如图1(a)所示 当抽运光、探测光和斯托克斯光同时到达样品时， 抽运光和斯托克斯光的频差与物质分子第i个振 动模式振动频率 一致时，J2i=03pa)Si，产生 频率为反斯托克斯 Asi的共振增强拉曼光谱信号， k)ASi=2Wpa)Si双色宽带CARS过程中，CARS 光谱信号与各激发光的强度关系可以表示为 I I2 CARS。(I)( +)( l Is， (1) 其中， ARs表示中心频率为a；AS的CARS光谱信 号的强度；Ip表示中心频率为 P的抽运光和探测 光的强度；Is表示中心频率为 s的斯托克斯光的 强度由(1)式可知，CARS光谱信号的强度与做 为 的
11、SC激光的强度成正比，与同时做为 和 ，的窄线宽激光的强度的平方成正比 图1 (a)双色宽带CARS过程的能级结构示意图；(b)三色宽带TCARS过程的能级结构示意图 0733012 物理学报Acta PhysSinVo163，No7(2014)073301 在宽带激发条件下的三色CARS过程中，当 选取SC激光中波长大于810 nm的光谱成分同时 做为EP和 时，为了获取振动波数为300-4000 cm一1的生物分子的CARS光谱，则要求SC激光的 光谱覆盖范围至少为368 nm通过控制中心波长 为782 nm的EP，与SC激光脉冲之间的时间延迟 7-，能够在时间上有效分离共振CARS信号和
12、NR- B噪声201，能级示意图如图1(b)所示三色宽带 CARS过程中，激发产生的CARS光谱信号与各激 发光的强度关系可以表示为 IcARs o(1)( +)( 1IpIsIp， (2) 其中， ， ，和 分别表示中心频率为02p， P，和 s的抽运光、探测光和斯托克斯光的强度由(2) 式可知，宽带激发的三色CARS过程产生的CARS 信号的强度与同时做为EP和Es的SC激光的强度 的平方成正比，与做为 ，的窄线宽激光的强度成 正比 3实验系统 为了实验验证宽带激发的双色和三色CARS 过程中CARS信号与各激发光之间的强度关系，我 们搭建了一套基于SC激光的宽带CARS光谱探测 系统，其
13、结构示意图如图2所示系统中使用一台 平均功率12 W、重复频率76 MHz的锁模钛宝石 飞秒脉冲激光器(Coherent，Mira 900)做为光源 激光器输出的中心波长782 nm，脉宽120 fs的飞秒 脉冲激光经分束镜分成两束一束飞秒脉冲激光 经光隔离器后，由非球面镜(NA 065)耦合进几何 长度220 ram的具有双零色散波长的PCF(零色散 波长分别为750 nm和1210 nm1，产生的SC激光由 显微物镜1(40NA 065)收集、准直系统中分别 使用截止波长为800 nm和900 nm的长波通滤光 片选取具有不同光谱覆盖范围的SC激光以实现不 同的CARS过程另一束飞秒脉冲激
14、光经中心波长 782 nm、带宽07 nm的窄带通滤光片后作为另一 束激发光由单步位移精度1 m(067 fs)的微位 移平台和一组全反镜所组成的精密光学时间延迟 系统精确调节两束激光脉冲之间的时间延迟两束 激光脉冲经合束镜合成一束后共线耦合进消色差 显微物镜2(40NA 065)激发样品产生的前向 CARS信号由光学参数相同的显微物镜3收集，使 用光谱分辨率为027 nm的高灵敏热电制冷CCD 光纤光谱仪1探测接收光谱仪的光纤探头前安装 604772 nm范围具有高透过率的带通滤光片，消 除激发光及激发样品可能产生的荧光信号的影响 为实时监测SC激光的光谱展宽及其强度波动，在 合束镜前放置一
15、片反射率为4的取样镜，经取样 镜反射的SC激光由宽带光谱仪2探测接收 4实验结果与讨论 图2 宽带CARS光谱探测系统结构示意图 根据理论分析可知，在基于SC激光的宽带 CARS技术中，共线输入的激光脉冲和具有不同光 谱覆盖范围的SC激光激发样品会分别产生双色和 三色CARS过程在双色CARS过程中，CARS光 谱信号的强度与做为斯托克斯光的SC激光的强 度成正比，与同时做为抽运光和探测光的激光脉 冲的强度的平方成正比而在三色CARS过程中， CARS光谱信号的强度与同时做为抽运光和斯托 克斯光的SC激光的强度的平方成正比，而与做为 探测光的激光脉冲的强度成正比为实验研究宽 带激发条件下的双色
16、和三色CARS过程中CARS 0733013 n。 物理学报Acta PhysSinVo163，No7(2014)073301 信号与各激发光之间的强度关系，我们选取纯的 液态苯甲腈做为待测样品，其典型的分子振动模 式对应的CARS光谱信号的波数分别为463 cm_。， 1016 cm一 ，1190 cm一 ，1608 cm一 ，2248 cm一 口 3090 cm一1飞秒脉冲激光抽运PCF产生的平均 昌 醴 吕 骥 功率为Ii0 mW的SC激光的有效光谱覆盖范围为 500-1200 nm，如图3(a)所示系统中使用截至波 长分别为800 nm和900 nm的长波通滤光片分别 获得了具有不同光谱覆盖范围的SC激光，其有效 光谱分布如图3(b)和(C)所示 鲁
