CN102735674A - 非线性拉曼光谱仪器、非线性拉曼光谱系统及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种非线性拉曼光谱仪器、非线性拉曼光谱系统及其方法。该非线性拉曼光谱仪器包括光源单元和单模光纤，光源单元发射的脉冲光束具有0.2ns到10ns的脉冲宽度、50W到5000W的脉冲峰值功率以及500nm到1200nm的波长，经由单模光纤从脉冲光束中产生连续白光。用脉冲光束所形成的泵浦光束兼探测光束以及连续白光所形成的斯托克斯光束照射待测的试样，以获得拉曼光谱。

Description

非线性拉曼光谱仪器、非线性拉曼光谱系统及其方法

技术领域

本发明涉及非线性拉曼光谱仪器以及使用该仪器的非线性拉曼光谱系统和非线性拉曼光谱方法。更详细地，本发明涉及对于使用宽带光源作为斯托克斯光束的多路相干反斯托克斯拉曼光谱的仪器、系统和方法。

背景技术

激光拉曼光谱是使用具有单一波长的激光作为泵浦光束来照射试样并获得该试样的散射光光谱的分析方法。观察斯托克斯光束或反斯托克斯光束(即上述散射光)的波数相对于泵浦光束的波数的位移量作为特定物质光谱，该光谱对应于试样物质独特的分子振动模式。因此，连同红外线光谱，拉曼光谱已经广泛用作分子指纹领域的光谱，从而分析和评估物质，执行医学诊断并且研发诸如新药物和食物的有机物。

非线性拉曼光谱与上述激光拉曼光谱的相似之处在于测量拉曼散射光，而不同之处在于使用三阶非线性光学处理(third-order non-linear opticalprocess)。三阶非线性光学处理要检测作为激发光束的三种入射光(即，泵浦光束、探测光束以及斯托克斯光束)中的散射光。实例包括CARS(相干反斯托克斯拉曼散射)、CSRS(相干斯托克斯拉曼散射)、受激拉曼损失光谱以及受激拉曼增益光谱。

在CARS光谱中，通常由泵浦光束以及波长比泵浦光束的波长更长的斯托克斯光束照射试样，从波长短于试样散射的泵浦光束的波长的非线性拉曼散射光中获得光谱(例如，参见日本未审查专利申请公开第5-288681号，日本未审查专利申请公开第2006-276667号以及日本未审查专利申请公开第2010-2256号)。同样，过去已经建议了使用白光作为光源用于生成斯托克斯光束的非线性拉曼光谱方法(参见日本未审查专利申请公开第2004-61411号(日本专利第3691813号))。

另一方面，在上述的CARS光谱中，数十飞秒到数十皮秒的超短脉冲光用作激光，用于生成泵浦光束和斯托克斯光束。在这种情况下，存在的问题是，用于CARS中的仪器昂贵且复杂。为了避免该问题，已经建议利用光子晶体光纤(PCF)使用由脉冲宽度为0.1ns到10ns的短脉冲所激发的超连续谱光的方法(参见日本未审查专利申请公开第2009-222531号)。

与过去的拉曼光谱相比，上述以CARS光谱作为代表的非线性拉曼光谱可避免荧光背景的影响，并且进一步提高检测灵敏度。为此，已经将非线性拉曼光谱尤其作为生物系统的分子成像技术进行积极研发。

发明内容

然而，在上述非线性拉曼光谱中，尤其是多路CARS光谱中，利用PCF、高度非线性光纤(HNLF)等生成宽带白光，因此导致较大的光学损耗(尤其是靠近入射端面的光学损耗)，从而限制最大的入射功率。

通常，当使用PCF或HNLF时，优点在于可确保其光谱的宽阔性。然而，在CARS光谱中，过度的宽阔性造成每单位波长的光功率密度下降。

同样，PCF的问题在于要进行特殊的端面处理。

而且，从PCF产生的超连续谱光(光束)的光束剖面通常不是理想的高斯光束剖面。具有该光束剖面的激光不是优选的，原因在于其可能造成显微光谱技术或显微光谱成像所获得的图像劣化。

因此，主要是期望提供高效、非常稳定并且小型的非线性拉曼光谱仪器、非线性拉曼光谱系统以及非线性拉曼光谱方法。

为了解决上述问题，通过不断的实验和研究，发明人得出下面的结果。尤其地，用于生物系统时，重要的是在称为分子指纹区域的300cm^-1到3600cm^-1的分子振动光谱区域内获得光谱。为此，在通过非线性拉曼光谱技术的显微光谱成像中，为了提高代表输入激光束质量的非线性光学效应，需要高峰值功率、高斯光束以及线性偏振状态。

另一方面，如果发射光的波长接近或长于单模光纤(SMF)的截止波长，那么从SMF中发射的光的空间强度分布为理想的高斯光束。因此，发明人已经研究使用廉价且容易得到的SMF来代替PCF或HNLF，用于生成针对斯托克斯光束的宽带白光。结果，发明人已发现使用SMF也可获得理想的高斯光束。

而且，在非线性拉曼光谱中，泵浦光束、探测光束以及斯托克斯光束的三个脉冲的偏振面(电场矢量的方向)彼此理想地匹配。关于这一点，发明人已发现使用特定的SMF，尤其是保偏单模光纤(PF-SMF)，可获得优越的线性偏振斯托克斯光束，从而实现本发明的实施方式。

即，根据本发明的实施方式的非线性拉曼光谱仪器，包括：光源单元，发射的脉冲光束具有0.2ns到10ns的脉冲宽度、50W到5000W的脉冲峰值功率以及500nm到1200nm的波长；以及单模光纤，从脉冲光束产生的连续白光通过该单模光纤，并且利用由脉冲光束所形成的泵浦光束兼探测光束(pump-cum-probe beam)以及由连续白光所形成的斯托克斯光束照射待测的试样，从而获得拉曼光谱。

在该仪器中，例如，保偏单模光纤可用作单模光纤。

在这种情况下，可设置半波板，该半波板旋转从光源单元引入的脉冲光束的偏振面，并且偏振面被半波板旋转为与单模光纤的快轴或慢轴平行的脉冲光束进入单模光纤。

同样，可设置将泵浦光束兼探测光束的偏振面的方向与斯托克斯光束的偏振面一致的半波板。

另一方面，单模光纤的纤维长度(例如)可以是1m到20m。

而且，可进一步设置光学纤维，通过该光学纤维调整泵浦光束兼探测光束的光路长度，从而用泵浦光束兼探测光束以及斯托克斯光束同时照射试样。

在这种情况下，当通过光纤输入等于或低于数mW的低激励功率时，可使用单模光纤或保偏单模光纤作为光学纤维。当输入的激励功率等于或大于数mW时，酌情增大纤芯，并且可使用纤径等于或大于8μm的保偏单模光纤、芯径等于或小于100μm的多模光纤、大模场光纤或光子晶体大模场光纤。

根据本申请的另一实施方式的非线性拉曼光谱系统包括上述非线性拉曼光谱仪器以及将非线性拉曼光谱仪器中测量到的拉曼分光光谱归一化的计算单元。

在该系统中，在计算单元中，当ω和ω′均表示波数(cm^-1)时，根据下面的表达式1，从泵浦光束的功率P_P和斯托克斯光束的强度光谱分布S_S(ω)中可计算归一化因子R_N(ω)，并且根据下面的表达式2，使用归一化因子R_N(ω)来归一化测量光谱S_C(ω)，以得出归一化光谱S_N(ω)。

表达式1

$R_N\left(\mathrm{\ω}\right)={\left(\frac{P_P}{2}\right)}^2{S}_S\left(\mathrm{\ω}\right)+P_P{\∫S}_S\left({\mathrm{\ω}}^{\′}\right)S_S(\mathrm{\ω}+{\mathrm{\ω}}^{\′})d{\mathrm{\ω}}^{\′}$

表达式2

$S_N\left(\mathrm{\ω}\right)=\frac{S_C\left(\mathrm{\ω}\right)}{R_N\left(\mathrm{\ω}\right)}$

在这种情况下，在非线性拉曼光谱仪器中，在所述单模光纤的出射侧设置有当所述泵浦光束的波长为λ_p(nm)并且测量最大波数为ω_m(cm^-1)时在短波长侧所具有的边缘波长λ_e(nm)在下面的表达式3所表示的范围内的长通滤光片或带通滤光片。注意，在下面的表达式3中，λ_p为泵浦光束的波长(nm)，λ_f为下面的表达式4中得出的值。同样，在表达式4中，ω_m为测量最大波数(cm^-1)。

表达式3

${\mathrm{\λ}}_p\≤{\mathrm{\λ}}_e\≤\frac{2{\mathrm{\λ}}_p{\mathrm{\λ}}_f}{{\mathrm{\λ}}_p+{\mathrm{\λ}}_f}$

表达式4

${\mathrm{\λ}}_f=\frac{1\×{10}^7\·{\mathrm{\λ}}_p}{1\×{10}^7-{\mathrm{\ω}}_m\·{\mathrm{\λ}}_p}$

根据本申请的又一实施方式的非线性拉曼光谱方法包括从光源单元发射脉冲光束，该脉冲光束所具有的脉冲宽度为0.2ns到10ns、脉冲峰值功率为50W到5000W以及波长为500nm到1200nm，经由单模光纤从脉冲光束中产生连续的白光，以及用脉冲光束所形成的泵浦光束兼探测光束以及连续的白光所形成的斯托克斯光束照射待测的试样，以便获得拉曼光谱。

根据本申请的实施方式，利用单模光纤产生连续的白光所形成的斯托克斯光束。因此，可提供高效、非常稳定并且小型的非线性拉曼光谱仪器以及非线性拉曼光谱方法。

附图说明

图1为根据本申请的一个实施方式的非线性拉曼光谱仪器的结构的示意图；

图2是示出了通过使用长度为6m的单模光纤产生的斯托克斯光束的光谱的曲线图，其中，水平轴表示波长，垂直轴表示强度；

图3是示出了当入射激发光束的偏振面与保偏单模光纤的快轴或慢轴匹配时，从单模光纤中发射的光的波长分布的曲线图，其中水平轴表示波长，垂直轴表示强度；

图4是示出了通过使用长度为6m的单模光纤产生的斯托克斯光束和泵浦光束的光谱的曲线图，其中水平轴表示波长，垂直轴表示强度；

图5是厚度为2mm的聚甲基丙烯酸甲酯板的CARS光谱的曲线图，其中水平轴表示波长，垂直轴表示强度；

图6是根据本申请的另一实施方式的非线性拉曼光谱仪器的结构的示意图；

图7是根据本申请的又一实施方式的非线性拉曼光谱系统的结构的概念图；

图8是示出了斯托克斯光束强度分布的自相关函数的曲线图，其中，水平轴表示波长，垂直轴表示强度；

图9是示出了斯托克斯光束强度分布的曲线图，其中，水平轴表示波长，垂直轴表示强度；

图10是示出了根据表达式10通过将厚度为1mm的聚对苯二甲酸乙二醇酯板的CARS光谱归一化而获得的结果的曲线图；

图11是示出了得出由表达式11所表示的条件表达式的方法的曲线图；

图12是示出了短波长分量由LPF切割的斯托克斯光束的强度分布的曲线图，其中，水平轴表示波长，垂直轴表示强度；

图13是示出了基于图12中所示的斯托克斯光束的强度分布所测量的厚度为1mm的聚对苯二甲酸乙二醇酯板的CARS光谱的曲线图；以及

图14是示出了基于图12中所示的斯托克斯光束的强度分布所测量的厚度为1mm的聚苯乙烯板的CARS光谱的曲线图。

具体实施方式

下面参看附图具体描述本申请的实施方式。注意，本申请并不旨在限于下面所示的各个实施方式。按照下列顺序进行描述。

1.实施方式

(使用单模光纤用于产生斯托克斯光束的仪器的实例)

2.另一实施方式

(光纤放置在泵浦光束兼探测光束的光路上的仪器的实例)

3.又一实施方式

(包括将所测量的光谱归一化的计算单元的系统的实例)

1.实施方式

仪器的整体结构

首先，描述根据本申请的实施方式的非线性拉曼光谱仪器。图1是该实施方式的非线性拉曼光谱仪器的结构的示意图。该实施方式的非线性拉曼光谱仪器1为CARS光谱仪器，并且如图1所示，设置有光源单元10、泵浦光束兼探测光束发生单元20、斯托克斯光束发生单元30、光束照射单元40以及测量单元50。

光源单元10

光源单元10至少包括发射脉冲光束的激光器11以及偏振光束分离器13，该分离器将脉冲光束划分至泵浦光束兼探测光束发生单元20以及斯托克斯光束发生单元30。光源单元10朝着泵浦光束兼探测光束发生单元20以及斯托克斯光束发生单元30发射预定的脉冲光束。

此处，只要可生成脉冲宽度为0.2ns到10ns、脉冲峰值功率为50W到5kW以及波长为500nm到1200nm的脉冲光束，激光器11可为任何激光器。例如，可使用便宜且小型的Nd:YAG激光器，该激光器生成在1064nm处振荡的调Q的亚纳秒重复脉冲。除了调Q型，例如还可使用锁模类型的Nd:YAG，Nd:YVO₄或Nd:YLF皮秒激光器以及Yb基掺杂光纤皮秒激光器。

而且，当具有短波长的光束用于测量时，使用来自上述的各个激光器的光束作为激发光束，二次谐波发生(SHG)光学晶体(诸如KTP或LBO)可用于生成SHG光束。在这种情况下，激发光束的波长为1064nm时，在二次谐波发生引起波长转换之后的波长为532nm。同样，在该实施方式的非线性拉曼光谱仪器1中，可适当地使用发射波长为532nm或1064nm光束的部件。

注意，从光源单元10中发射的脉冲光束的波长并非受限于这些。例如，在Nd:YAG激光器的情况下，除了波长为1064nm的光束，还可振荡波长为1319nm，1122nm或946nm的光束。同样，在Nd:YVO₄激光器的情况下，除了波长为1064nm的光束，还可振荡波长为1342nm或914nm的光束。而且，在Nd:YLF激光器的情况下，可振荡波长为1053nm或1047nm的光束。在Yb:YAG激光器的情况下，可振荡波长为1030nm的光束。

在使用这些波长作为基波而产生二次谐波时，可获得波长除了为532nm，还可以是660nm，561nm，473nm，671nm，457nm，527nm，523nm以及515nm的SHG光束。

然而，如果脉冲宽度短于0.2ns，那么激光器机构复杂且昂贵。另一方面，如果脉冲宽度超过10ns，那么每次出射的脉冲能量过大。具体而言，激光光束的脉冲能量等于或大于5μJ，可能对光纤端面造成损害，并且使得斯托克斯光束的特性不稳定。同样，操作激光器时的功率消耗必然增大。注意，从激光器11中发射的脉冲光束的脉冲宽度优选地为0.4ns到5ns。

为了获得三阶非线性光学效应，以便在长度较短的光纤中获得连续白光，脉冲光束的峰值功率优选为高。因此，在该实施方式的非线性拉曼光谱仪器1中，为了增大脉冲能量，而增加峰值功率，但是相应地减小脉冲宽度，从而减少每次出射的脉冲能量，以便防止平均功率随着重复率而增大。例如，如果脉冲宽度在上述范围内，并且重复率为10kHz到50kHz，那么平均功率被设定为等于或小于250mW。

由于光源单元10满足上述规格，所以(例如)可考虑的结构为，设置有二次谐波发生KTP晶体SHG单元的无源调Q型Nd:YAG固体激光器(由ALPHALAS GmbH生产的PLUSELAS P-1064-300)。在该结构中，可发射(例如)波长为532nm、平均功率为100mW、脉冲宽度为600ps、以及重复率为30kHz的光束。

同样，在光源单元10中，半波板12可位于激光器11和偏振光束分离器13之间。半波板12为偏振元件，其旋转从激光器11中发射的光束的偏振面。当半波板12的光轴旋转了θ时，激光束的偏振面在通过后旋转了2θ。据此，将从激光器11中发射的光束分为垂直偏振和水平偏振。因此，在偏振光束分离器13内可适当地分为激励脉冲光束4以及泵浦光束兼探测光束(后文中简称为泵浦光束)3。

泵浦光束兼探测光束发生单元20

泵浦光束兼探测光束发生单元20设置有光路长度调整机构，以便使用从光源单元10中进入的脉冲光束(泵浦光束3)以及斯托克斯光束5(下面会进一步描述)。具体地说，通过从多个镜22a到22d、23a、23b、24、25a以及25b反射泵浦光束3，调整泵浦光束的光路长度，从而适时地与斯托克斯光束5匹配。

注意，光路长度调整机构并非受限于图1中所示的结构。例如，如果利用镜22a至22d、23a以及23b的光学布置就可以将泵浦光束3的光路长度与斯托克斯光束5的光路长度匹配，那么可除去镜24、25a以及25b。

同样，当下面进一步描述的保偏单模光纤用作单模光纤32时，半波板21放置在第一镜22a之前，以便将泵浦光束3的偏振面的方向与斯托克斯光束5的偏振面的方向匹配。注意，当使用普通的单模光纤时，可不使用半波板21。

斯托克斯光束发生单元30

斯托克斯光束发生单元30在从光源单元10中进入的脉冲光束4中生成斯托克斯光束5(即，连续白光)，并且至少包括单模光纤32。此处，斯托克斯光束5的波长范围是对应于分子指纹区域(拉曼位移量为300cm^-1到3600cm^-1)的斯托克斯光束的波长范围，并且由下面的表达式5表示。注意，在下面的表达式5中，λ表示斯托克斯光束的波长(nm)，λ_p表示泵浦光束的波长(nm)，波数ω(cm^-1)和波长λ(nm)之间的关系可由下面的表达式6表示。

表达式5

$\frac{1\×{10}^7}{\frac{1\×{10}^7}{{\mathrm{\λ}}_p}-300}\≤\mathrm{\λ}\≤\frac{1\×{10}^7}{\frac{1\×{10}^7}{{\mathrm{\λ}}_p}-3600}$

表达式6

ω·λ＝1×10⁷

当泵浦光束3的波长λ_p为532nm时，斯托克斯光束发生单元30中所产生的斯托克斯光束5的波长λ为540nm到660nm，当泵浦光束3的波长λ_p为1064nm时，斯托克斯光束的波长为1100nm到1725nm。

斯托克斯光束发生单元30中所设置的单模光纤32可为任何光纤，只要光纤长度为1m到20m即可。如果单模光纤32的长度短于1m，那么在某些情况下不能获得平坦的连续白光。如果光纤长度超过20m，那么整个光谱的发生效率降低，并且在测量目标外的波段中的光束增大。注意，单模光纤32的长度优选地为3m到10m，这使得稳定且高效地产生在测量波段内的连续白光。

而且，期望将单模光纤32的截止波长选择为约等于激励脉冲波束4的波长。如果截止波长比激励脉冲波束4的波长短，那么耦合到光纤的输入效率降低，从而可能降低发生效率和斯托克斯光束5的带宽。如果截止波长比激励脉冲波束4的波长要长，那么斯托克斯光束5的光束模式不是TEM00，而是与更高阶模混合，从而阻碍获得单一高斯光束。注意，可用于该实施方式的非线性拉曼光谱仪器1中的单模光纤32的实例包括Nufern生产的460HP和630HP。

而且，期望使用具有上述特性的保偏单模光纤作为单模光纤32。据此，可获得线性偏振的斯托克斯光束5，该光束的偏振面通常与泵浦光束3的偏振面匹配，用作线性偏振光束，从而允许CARS信号增大将近一倍。注意，可用于该实施方式的非线性拉曼光谱仪器1的保偏单模光纤的实例包括Nufern生产的PM-460-HP和PM-630-HP以及Fibercore Ltd生产的HB8600。

注意，在将激励脉冲光束4引入单模光纤32时，期望使用数值孔径NA在0.1到0.25的范围内的物镜，以便孔径系数与光纤的光接收NA匹配。另一方面，在单模光纤32的出射侧，期望使用数值孔径NA在0.2到0.6的物镜，以便斯托克斯光束5的光束直径与泵浦光束3的光束直径匹配。

当保偏单模光纤用作单模光纤32时，使用半波板31，以便激励脉冲光束4的偏振面的方向与保偏单模光纤的光轴(快轴或慢轴)匹配。注意，当使用普通的单模光纤时，省略半波板31。

同样，在该斯托克斯光束发生单元30中，长通滤光片33位于单模光纤32的出射侧。长通滤光片33反射单模光纤32中产生的、在短波长侧的白光光束，并且仅通过在长波长侧的光束。据此，可从产生的斯托克斯光束5中去除不需要的波段光束。市场上可买到光学密度为6到7的、具有选择比的高性能长通滤光片。例如，在该实施方式的非线性拉曼光谱仪器1中，可使用Semrock，Inc.生产的LP03-532RU-25。

而且，在斯托克斯光束发生单元30中，用于将光束引入光束照射单元40的镜34可设置在斯托克斯光束5的光路中。

光束照射单元40

光束照射单元40使用彼此同轴叠置的、从泵浦光束兼探测光束发生单元20中发射的泵浦光束3以及从斯托克斯光束发生单元30中发射的斯托克斯光束5照射试样2。该光束照射单元40的结构没有特别的限制，而是可以由(例如)陷波滤光片41、光束扩展器42和43、镜44、物镜45等构成。

此处，光束扩展器42和43使得光束直径与物镜45的入瞳直径相匹配。例如，当光束直径大约为2mm时，允许光束穿过三重光束扩展器，以便进入物镜45时具有大约6mm的光束直径。同样，作为陷波滤光片41，例如可使用Semrock，Inc.生产的NF-532U-25。

测量单元50

测量单元50测量试样2中发射的CARS光束，并且设置有(例如)物镜51、短通滤光片52、分光镜53等。短通滤光片52拦截泵浦光束3和斯托克斯光束5，并且仅允许CARS光束通过。同时，由于试样处发生的荧光的波长比泵浦光束3的波长更长，所以同泵浦光束3和斯托克斯光束5一样，荧光被有效地拦截。

市场上可买到光学密度为6到7的、具有选择比的高性能短通滤光片。例如，在该实施方式的非线性拉曼光谱仪器1中，可使用Semrock，Inc.生产的SP01-532RU-25。

作为分光镜53，例如可使用多色器、单色器、或其上安装有CCD(电荷耦合器件图像传感器)或包括冷却功能以便减少热噪音的CMOS(互补金属氧化物半导体)阵列检测器的PMT(光电倍增管)。作为多色器，例如可使用Andor Technology plc.生产的Shamrock SR-303i。在这种情况下，使用每毫米1200衍射光栅。同样，作为CCD检测器，可使用AndorTechnology plc.生产的Newton DU970N BV。

此处，由于CARS光束为微弱的光束，所以期望尽量抑制损耗。同样，期望将测量单元50配置为充分地遮挡外部周围的光。而且，通过使用透镜系统可将CARS光束引入分光镜53的入射缝隙。可替换地，如图1中所示，通过使用多模光纤54引入CARS光束。

非线性拉曼光谱仪器1的操作

接下来，描述本实施方式的非线性拉曼光谱仪器1的操作，即，使用非线性拉曼光谱仪器1测量试样2的CARS光谱的方法。在该实施方式的非线性拉曼光谱仪器1中，首先，在光源单元10处，从激光器11发射的脉冲光束被偏振光束分离器13分成两部分，然后，将这两部分引入泵浦光束兼探测光束发生单元20和斯托克斯光束发生单元30。

此处，在从激光器11中发射的脉冲光束的偏振面被半波板12旋转之后，脉冲光束可由偏振光束分离器13分割。然后，调整分配比。

然后，进入斯托克斯光束发生单元30的脉冲光束4进入单模光纤32，在此处将脉冲光束4转换成斯托克斯光束5(该光束为连续白光)。图2是示出了使用长度为6m的单模光纤产生的斯托克斯光束的光谱的曲线图，其中水平轴表示波长，垂直轴表示强度。注意，图2中所示的光谱为波长为532nm以及入射功率为40mW的脉冲光束4中所产生的连续白光的光谱。

此处，当保偏单模光纤用作单模光纤32时，允许从光源单元10中引入的脉冲光束4经由半波板31进入单模光纤32。具体而言，脉冲光束4的偏振面被半波板31旋转为使得该偏振面与单模光纤32的快轴或慢轴平行。然后，确保在保偏单模光纤中的偏振保持。

图3是示出了当入射激发光束的偏振面与保偏单模光纤的快轴或慢轴匹配时，从单模光纤中发射的光的波长分布的曲线图，其中，水平轴表示波长，垂直轴表示强度。如图3中所示，分析器的定向与快轴或慢轴匹配以便测量发射光束的光谱强度分布时，几乎所有波长中的任一个被消光，然后可产生具有单一线性偏振特性的斯托克斯光束5。注意，关于图3中所示的表示快轴或慢轴的分布线，未作详细说明。

同样，在引入光束照射单元40之前，允许从单模光纤32中发射的斯托克斯光束5通过长通滤光片33，以便去除短波长侧的分量。具体而言，例如，当激励脉冲光束4为532nm时，去除波长短于540nm的分量，以便包括该激励脉冲光束4。然后，拦截包含在从单模光纤32中发射的光束中的不需要的短波长分量，并且可提高待测的CARS光谱的信噪(背景)比。

另一方面，进入泵浦光束兼探测光束发生单元20的脉冲光束(泵浦光束3)的光路长度由多个镜22a到22d、23a、23b、24、25a以及25b调整，所以将脉冲光束和斯托克斯光束5同时引入光束照射单元40。此处，使用半波板21，泵浦光束3的偏振面的方向与斯托克斯光束5的偏振面的方向匹配。据此，可以高效的方式使用三阶非线性光学处理，从而提高CARS光谱的信噪(背景)比。

关于引入光束照射单元40中的泵浦光束3和斯托克斯光束5，由陷波滤光片41反射泵浦光束3，并且斯托克斯光束5通过该滤波片。注意，可使用长通滤光片代替陷波滤光片41。然后，泵浦光束3和斯托克斯光束5在光束扩展器42和43处扩大其光束直径以便与物镜45的入瞳直径匹配之后，经由物镜45利用这些光束照射试样2。图4是示出了使用长度为6m的单模光纤产生的斯托克斯光束和泵浦光束的光谱的曲线图，其中，水平轴表示波长，垂直轴表示强度。

然后，在测量单元50中，检测从试样2中发射的CARS光束，以便获得拉曼光谱。具体地说，从试样2中发射的CARS光束由物镜51汇聚，该光束中不需要的光束(诸如泵浦光束3和斯托克斯光束5)被短通滤光片52拦截，然后由分光镜53检测。

图5是厚度为2mm的聚甲基丙烯酸甲酯板的CARS光谱的曲线图，其中，水平轴表示波长，垂直轴表示强度。注意，使用NA为0.45的物镜45和NA为0.3的物镜51测量图5中所示的光谱，其中，激光器11的波长为532nm，重复率为30kHz，脉冲宽度约为600ps。同样，从物镜45中发射的泵浦光束3的入射平均功率为4mW，斯托克斯光束5的平均功率为6mW，并且CCD检测器的曝光时间为500ms。

如图5中所示，根据该实施方式的非线性拉曼光谱仪器1，在涵盖500cm^-1到3000cm^-1的分子指纹区域的大范围内获得卓越的CARS光谱。在该实施方式的非线性拉曼光谱仪器1中，不需要调节时间延迟等操作，并且在该频带内可共同获得光谱。

如上具体所述，在该实施方式的非线性拉曼光谱仪器1中，使用单模光纤32生成斯托克斯光束5。因此，可简化结构，并且可减小仪器的尺寸和成本。同样，由于单模光纤32的输出为高斯光束，更少损坏其入射端面。因此，通过简单的耦合方法和对准可获得高度稳定的斯托克斯光束5。

注意，尽管过去已经建议在级联受激拉曼散射中使用普通SMF作为连续的白光源的实例，但尚未有报道将其应用于非线性拉曼光谱。原因在于，可认为在SMF级联受激拉曼散射中出现多个峰值。

同样，在日本未审查专利申请公开第2009-222531号中所描述的非线性光谱测量系统中，尽管未特别描述超连续谱光(光束)的偏振状态，以便有效使用相干三阶非线性光学处理，但重要的是，使用泵浦光束、探测光束以及斯托克斯光束(宽带光束)的匹配偏振建立线性偏振。在该实施方式的非线性拉曼光谱仪器1中，泵浦光束3的偏振面的方向与斯托克斯光束5的偏振面的方向匹配。因此，可有效地使用三阶非线性光学处理。

尤其地，使用保偏单模光纤的仪器可容易地进行泵浦光束和斯托克斯光束的光束调整(光束直径彼此相等并且方向相同的对准)，因此其适用于显微光谱技术和成像。

2.另一实施方式

仪器的整体结构

接下来，描述根据本申请的另一实施方式的非线性拉曼光谱仪器。图6为根据该实施方式的非线性拉曼光谱仪器的结构的示意图。注意，与图1中所示的、最初描述的实施方式的非线性拉曼光谱仪器1的结构相同的结构设有相同的参考标号，此处不进行具体描述。

如图6中所示，在该实施方式的非线性拉曼光谱仪器61中，泵浦光束兼探测光束生成装置70具有光路长度调节机构，其未被配置为由镜子反射光束，而是允许光束通过具有预定长度的光纤73。具体而言，从光源单元10中引入的脉冲光束进入光纤73，其中光束的光路由镜71a改变。然后，光束通过光纤73，其光路长度被调整，然后光路由镜71b改变，并且光束发射到光束照射单元40。

泵浦光束兼探测光束生成装置70

由于光纤73位于泵浦光束兼探测光束生成装置70中，所以当输入等于或低于数mW的低激励功率时，可使用单模光纤或保偏单模光纤。这是因为，当激励功率低时，在光纤中不以级联的方式发生受激拉曼散射，进而光纤可仅仅用于光传输。这种情况下可使用的单模光纤的实例是由Nufern生产的630HP。保偏光纤的实例包括Nufern生产的PM-460-HP以及Fibercore Ltd生产的HB8600。

另一方面，当激励功率逐渐增大时，发生受激拉曼散射光，从而阻碍发送单波长泵浦探测脉冲。根据发明人的实验，能够避免受激拉曼散射的激励输入功率的阈值高达近5mW。因此，当输入等于或大于数mW的激励功率时，酌情增大光纤的直径，并且(例如)期望使用纤芯径等于或大于8μm的保偏单模光纤、芯径等于或小于100μm的多模光纤、或者所谓的大模场光纤或光子晶体大模场光纤。

此处，在单模光纤的情况下，例如可使用Nufern生产的SMF-28-J9。在保偏单模光纤的情况下，例如可使用Nufern生产的PM1550-HP。在大模场光纤的情况下，例如可使用Thorlabs生产的P-10/125DC或P-25/240DC，P-40/140DC。在大模场光子晶体光纤的情况下，例如可使用NKT PhotonicsA/S生产的LMA-20。在无尽单模光子晶体光纤的情况下，例如可使用NKT Photonics A/S生产的ESM-12-01。

此处，当使用保偏单模光纤作为单模光纤32时，将半波板72置于光纤73之前，以便将泵浦光束3的偏振面的方向与斯托克斯光束5的偏振面的方向匹配。注意，当使用普通的单模光纤时，可不使用半波板72。

光源单元10

在该实施方式的非线性拉曼光谱仪器61中，二次谐波产生光学晶体14位于光源单元10中。利用该二次谐波产生光学晶体14，将激光器11中发射的激发光束波长转换成泵浦光束。具体而言，例如，当激发光束为1064nm时，通过波长转换获得532nm的绿光。

在该实施方式的非线性拉曼光谱仪器61中，通过使用光纤73调节泵浦光束3的光路长度。因此，使用斯托克斯光束5易于调节时间，并且仪器的尺寸可小型化。在CARS光谱中，泵浦光束3和斯托克斯光束5要同时到达试样上的测量点。通过使用光纤73，易于使泵浦光束3的光路长度和斯托克斯光束5的光路长度彼此相等。

注意，除了上述的那些结构和效果，该实施方式的结构和效果与最先描述的实施方式的结构和效果相同。

3.又一实施方式

系统的整体结构

接下来，描述根据本申请的又一实施方式的非线性拉曼光谱系统。图7为根据该实施方式的非线性拉曼光谱系统的结构的示意图。注意，与图1中所示的、最先描述的实施方式的非线性拉曼光谱仪器1的结构相同的结构设有相同的参考标号，此处不进行具体的描述。

如图7中所示，非线性拉曼光谱系统81为以下系统，其包括：根据最先描述的实施方式的非线性拉曼光谱仪器1，以及连接到非线性拉曼光谱仪器1的测量单元50的计算单元80。

计算单元80

在计算单元80中，设置作为计算装置的电子计算器、显示装置等。将测量单元50的分光镜所检测的CARS光谱的分布归一化，然后显示其结果等。下面描述进行归一化的具体计算方法。

多路CARS光谱包括简并四波混频(2色CARS)分量以及非简并四波混频(3色CARS)分量(参见Young Jong Lee and Marcus T.Cicerone：″Single-shot interferometric approach to background free broadband coherentanti-Stokes Raman scattering spectroscopy″，5 January 2009/Vol.17，No.1/OPTICS EXPRESS 123)。

此处，在CARS光谱中，简并四波混频(2色CARS)分量具有相同的泵浦光束和探测光束以及与其不同的斯托克斯光束，并且狭义地大体上通常称为CARS光谱。另一方面，在多路CARS中，非简并四波混频(3色CARS)分量具有所有波长不同的泵浦光束、探测光束以及斯托克斯光束，可成为具有相同的简并四波混频(2色CARS)分量的反斯托克斯拉曼散射光。

另一方面，在该实施方式的非线性拉曼光谱系统81中所使用的非线性拉曼光谱仪器1中，与斯托克斯光束(连续白光)相比，泵浦光束和探测光束在充分窄的频带内可视为线状光谱。因此，简并四波混频(2色CARS)分量I_2-color(ω)与泵浦光束的功率P_P的平方和斯托克斯光束的强度分布S_S(ω)的乘积成比例，并且由下面的表达式7表示，其中下面的表达式7中的ω表示波数(cm^-1)。

表达式7

$I_{2-\mathrm{color}}\left(\mathrm{\ω}\right)\∝{\left(\frac{P_P}{2}\right)}^2{S}_S\left(\mathrm{\ω}\right)$

同样，对于非简并四波混频(3色CARS)分量I_3-color(ω)，连续宽频光束的频谱内的两个波长分量(波数分量)用作泵浦光束和斯托克斯光束。因此，CARS光谱可大体上视为与波数ω和ω′相关的斯托克斯光束的强度分布的自相关函数和泵浦光束功率的乘积成比例，并且由下面的表达式8表示。

表达式8

I_3-color(ω)∝P_P∫S_S(ω′)S_S(ω+ω′)dω′

上面的表达式7和表达式8之和由下面的表达式9表示。

表达式9

$R_N\left(\mathrm{\ω}\right)=I_{2-\mathrm{color}}+I_{3-\mathrm{color}}={\left(\frac{P_P}{2}\right)}^2{S}_S\left(\mathrm{\ω}\right)+P_P{\∫S}_S\left({\mathrm{\ω}}^{\′}\right)S_S(\mathrm{\ω}+{\mathrm{\ω}}^{\′})d{\mathrm{\ω}}^{\′}$

当上面的表达式9中的R_N(ω)视为归一化因子以便将CARS测量光谱S_C(ω)归一化时，下面的表达式10给出归一化的CARS光谱S_N(ω)。

表达式10

$S_N\left(\mathrm{\ω}\right)=\frac{S_C\left(\mathrm{\ω}\right)}{R_N\left(\mathrm{\ω}\right)}$

图8是示出了斯托克斯光束强度分布的自相关函数的曲线图，其中水平轴表示波长，垂直轴表示强度。图9是示出了斯托克斯光束强度分布的曲线图，其中，水平轴表示波长，垂直轴表示强度。注意，也示出了表达式9中的归一化因子R_N(ω)。而且，图10是示出了根据上面的表达式10通过将厚度为1mm的聚对苯二甲酸乙二醇酯板的CARS光谱归一化而获得的结果的曲线图。

如图8到图10所示，已确认使用该实施方式的方法进行归一化，500cm^-1到1000cm^-1的伪峰值消失，以便缓解光谱噪音。注意，在物镜45发出的泵浦光束3的入射平均功率为4mW，斯托克斯光束5的平均功率为3mW，以及CCD检测器的曝光时间为300ms条件下，测量图8到图10中所示的光谱。

这样，在计算单元80中进行归一化，即使存在非平坦的斯托克斯光束强度分布，也可获得正确的CARS光谱强度分布，而没有将待测CARS光谱中不对应分子振动的伪光谱峰值与正确的光谱峰值混淆。

同样，在从该实施方式的非线性拉曼光谱系统81中获得的斯托克斯光束强度分布中，根据单模光纤中的级联受激拉曼散射产生连续白光。因此，在低波范围上(在短波长侧)，大约每440cm^-1产生一个峰值，其为单模光纤内的二氧化硅芯(SiO₂)造成的拉曼位移，因此该光谱不平坦。

通常，用于去除从发生斯托克斯光束的单模光纤中发射的不需要的光束分量的长通滤光片的边缘波长设为比泵浦光束的波长略长。据此，将波长移动到长波长侧，直到利用该波长使得光谱相对变平。在次情况下，减少或去除低波数侧的简并四波混频(2色CARS)分量，但是保留非简并四波混频(3色CARS)分量。这是因为，在非简并四波混频(3色CARS)分量中，表示斯托克斯光束的强度分布中两个光学分量之间的差异的波数包括低波数分量。

因此，设置从斯托克斯光束发生单模光纤中发射后所设置的长通滤光片的边缘波长。据此，仅通过使用具有相对平坦的斯托克斯光束的强度分布特性的部分，就可获得卓越的CARS光谱，而不损害测量波数区域。可如下给出设定长通滤光片的边缘波长的设定条件。

例如，当长通滤光片的短波长侧的边缘波长为λ_e(nm)、泵浦光束的波长为λ_p(nm)，测量最大波数为ω_m(cm^-1)时，λ_e(nm)的条件由下面的表达式11表示。注意，下面的表达式11中的λ_f为下面的等式12中得出的值，并且波数ω(cm^-1)和波长λ(nm)之间的关系由上面的等式6表示。图11为得出上面的表达式11所表示的条件表达式的方法。

表达式11

${\mathrm{\λ}}_p\≤{\mathrm{\λ}}_e\≤\frac{2{\mathrm{\λ}}_p{\mathrm{\λ}}_f}{{\mathrm{\λ}}_p+{\mathrm{\λ}}_f}$

表达式12

${\mathrm{\λ}}_f=\frac{1\×{10}^7\·{\mathrm{\λ}}_p}{1\×{10}^7-{\mathrm{\ω}}_m\·{\mathrm{\λ}}_p}$

在带通滤光片的情况下，带通区域可以是λ_e＜λ＜λ_f。此处，关于图8到图10中所示的CARS光谱，通过使用上述的方法，长通滤光片进行边缘波长设定。例如，如果λ_p＝532nm且ω_m＝3000cm^-1，那么在上面的表达式12中的λ_f＝633nm。因此，从上面的表达式11中得到λ_e的范围可为λ_p(＝532nm)＜λ_e＜578nm。

因此，当λ_e＝575nm时，从上面的表达式6中，得出Δω＝{(1×10⁷)/λ_e}-{(1×10⁷)/λ_f}＝1594cm^-1以及δω＝{(1×10⁷)/λ_p}-{(1×10⁷)/λ_e}＝1406cm^-1。并且如图11中所示，如果Δω和δω满足下面的表达式13中所示的不等式，那么在所有的波数范围内(0到ω_m)可得出CARS光谱。

表达式13

δω＜Δω

注意，使用Edmund Optics生产的边缘波长为575nm的长通滤光片。在这种情况下，非简并四波混频(3色CARS)分量的范围为4cm^-1到1406cm^-1，并且简并四波混频(2色CARS)分量的范围为1406cm^-1到3000cm^-1。

这样，使用长通滤光片或带通滤光片去除非平坦的斯托克斯光束区域。据此，尽管仅使用具有平坦的斯托克斯光束强度分布的这部分，但是可容易地获得卓越的CARS光谱，而不损害所测量的波数(波长)区域。

图12是示出了短波长分量由LPF切割的斯托克斯光束强度分布的曲线图，其中水平轴表示波长，垂直轴表示强度。图13是示出了基于图12中所示的斯托克斯光束强度分布所测量的厚度为1mm的聚对苯二甲酸乙二醇酯板的CARS光谱的曲线图。图14是示出了厚度为1mm的聚苯乙烯板的CARS光谱的曲线图。

如图13中所示，尽管在不使用长通滤光片的聚对苯二甲酸乙二醇酯板的CARS光谱中在接近900cm^-1和接近1400cm^-1中观察到伪光谱峰值，但在使用长通滤光片测量的CARS光谱中不产生这种伪光谱，并且获得良好的结果。

同样，如图14中所示，在聚苯乙烯板的CARS光谱中也可确认相似的效果。注意，在图14中所示的光谱中，由于非简并四波混频(3色CARS)，光谱峰值接近1000cm^-1。

本申请可采取下面的结构。

(1)一种非线性拉曼光谱仪器，包括：

光源单元，发射脉冲宽度为0.2ns至10ns、脉冲峰值功率为50W至5000W以及波长为500nm到1200nm的脉冲光束，以及

单模光纤，经由该单模光纤从该脉冲光束中产生连续白光，其中

利用由脉冲光束所形成的泵浦光束兼探测光束以及由连续白光所形成的斯托克斯光束照射待测的试样，以便获得拉曼光谱。

(2)根据(1)所述的非线性拉曼光谱仪器，其中，单模光纤为保偏单模光纤。

(3)根据(2)所述的非线性拉曼光谱仪器，进一步包括：半波板，旋转从光源单元引入的脉冲光束的偏振面，其中，偏振面被半波板旋转为与单模光纤的快轴或慢轴平行的脉冲光束进入单模光纤。

(4)根据(2)或(3)所述的非线性拉曼光谱仪器，进一步包括：半波板，将泵浦光束兼探测光束的偏振面的方向与斯托克斯光束的偏振面的方向一致。

(5)根据(1)到(4)中任一项所述的非线性拉曼光谱仪器，其中单模光纤的纤维长度为1m到20m。

(6)根据(1)到(5)中任一项所述的非线性拉曼光谱仪器，进一步包括：光学纤维，通过该光学纤维调整泵浦光束兼探测光束的光路长度，使得泵浦光束兼探测光束以及斯托克斯光束同时照射试样。

(7)根据(6)所述的非线性拉曼光谱仪器，其中，光学纤维为纤芯径等于或大于8μm的保偏单模光纤、芯径等于或小于100μm的多模光纤、或大模场光纤或光子晶体大模场光纤。

(8)一种非线性拉曼光谱系统，包括：

根据(1)到(7)中任一项所述的非线性拉曼光谱仪器，以及

计算装置，将非线性拉曼光谱仪器中所测量的拉曼分光光谱归一化。

(9)根据(8)所述的非线性拉曼光谱系统，其中，在计算装置中，当ω和ω′均表示波数(cm^-1)时，根据上面的表达式1，从泵浦光束的功率P_P和斯托克斯光束的强度光谱分布S_S(ω)中计算归一化因子R_N(ω)，并且根据上面的表达式2，使用归一化因子R_N(ω)将测量光谱S_C(ω)归一化，以得出归一化的光谱S_N(ω)。

(10)根据(9)所述的非线性拉曼光谱系统，其中，在所述单模光纤的出射侧设置有当所述泵浦光束的波长为λ_p(nm)并且测量最大波数为ω_m(cm^-1)时在短波长侧的边缘波长λ_e(nm)在上面的表达式3和表达式4所表示的范围内的长通滤光片或带通滤光片。

(11)一种非线性拉曼光谱方法，包括：

从光源单元中发射脉冲光束，脉冲光束所具有的脉冲宽度为0.2ns到10ns、脉冲峰值功率为50W到5000W以及波长为500nm到1200nm；

经由单模光纤从脉冲光束中产生连续白光，以及

利用由脉冲光束形成的泵浦光束兼探测光束以及由连续白光形成的斯托克斯光束照射待测的试样，以便获得拉曼光谱。

本申请包含的主题涉及于2011年3月31日向日本专利局提交的日本在先专利申请JP 2011-079473中所公开的主题，其全部内容通过引用结合于此。

本技术领域中的那些技术人员应理解的是，只要在所附权利要求书或其等同物的范围内，根据设计要求和其他因素可进行各种变更、组合、次组合以及修改。

Claims (12)

1.一种非线性拉曼光谱仪器，包括：

光源单元，发射脉冲宽度为0.2ns至10ns、脉冲峰值功率为50W至5000W并且波长为500nm到1200nm的脉冲光束；以及

单模光纤，经由所述单模光纤从所述脉冲光束中产生连续白光；其中，

利用由所述脉冲光束形成的泵浦光束兼探测光束以及由所述连续白光形成的斯托克斯光束照射待测的试样，从而获得拉曼光谱。

2.根据权利要求1所述的非线性拉曼光谱仪器，其中，所述单模光纤是保偏单模光纤。

3.根据权利要求2所述的非线性拉曼光谱仪器，进一步包括：

半波板，旋转从所述光源单元引入的所述脉冲光束的偏振面；其中

偏振面被所述半波板旋转为与所述单模光纤的快轴或慢轴平行的所述脉冲光束进入所述单模光纤。

4.根据权利要求2所述的非线性拉曼光谱仪器，进一步包括：半波板，将所述泵浦光束兼探测光束的偏振面的方向与所述斯托克斯光束的偏振面的方向一致。

5.根据权利要求1所述的非线性拉曼光谱仪器，其中，所述单模光纤的纤维长度为1m到20m。

6.根据权利要求1所述的非线性拉曼光谱仪器，进一步包括：光学纤维，通过所述光学纤维调整所述泵浦光束兼探测光束的光路长度，使得利用所述泵浦光束兼探测光束以及所述斯托克斯光束同时照射所述试样。

7.根据权利要求6所述的非线性拉曼光谱仪器，其中，所述光学纤维为纤芯径等于或大于8μm的保偏单模光纤、芯径等于或小于100μm的多模光纤、或大模场光纤或光子晶体大模场光纤。

8.根据权利要求1所述的非线性拉曼光谱仪器，进一步包括：

长通滤波片，设置在所述单模光纤的出射侧。

9.一种非线性拉曼光谱系统，包括：

根据权利要求1所述的非线性拉曼光谱仪器；以及

计算装置，将所述非线性拉曼光谱仪器中所测量的拉曼分光光谱归一化。

10.根据权利要求9所述的非线性拉曼光谱系统，其中，在所述计算装置中，当ω和ω′均表示波数(cm^-1)时，根据下面的表达式(A)从所述泵浦光束的功率P_P和所述斯托克斯光束的强度光谱分布S_S(ω)计算归一化因子R_N(ω)，并且根据下面的表达式(B)，使用所述归一化因子R_N(ω)将测量光谱S_C(ω)归一化，以得出归一化的光谱S_N(ω)，

$R_N\left(\mathrm{\ω}\right)={\left(\frac{P_P}{2}\right)}^2{S}_S\left(\mathrm{\ω}\right)+P_P{\∫S}_S\left({\mathrm{\ω}}^{\′}\right)S_S(\mathrm{\ω}+{\mathrm{\ω}}^{\′})d{\mathrm{\ω}}^{\′}---\left(A\right)$

$S_N\left(\mathrm{\ω}\right)=\frac{S_C\left(\mathrm{\ω}\right)}{R_N\left(\mathrm{\ω}\right)}---\left(B\right)$

11.根据权利要求10所述的非线性拉曼光谱系统，其中，在所述单模光纤的出射侧设置有当所述泵浦光束的波长为λ_p(nm)并且测量最大波数为ω_m(cm^-1)时在短波长侧的边缘波长λ_e(nm)在下面的表达式(C)所表示的范围内的长通滤光片或带通滤光片，

${\mathrm{\λ}}_p\≤{\mathrm{\λ}}_e\≤\frac{2{\mathrm{\λ}}_p{\mathrm{\λ}}_f}{{\mathrm{\λ}}_p+{\mathrm{\λ}}_f}---\left(C\right)$

此处， ${\mathrm{\λ}}_f=\frac{1\×{10}^7\·{\mathrm{\λ}}_p}{1\×{10}^7-{\mathrm{\ω}}_m\·{\mathrm{\λ}}_p}.$

12.一种非线性拉曼光谱方法，包括：

从光源单元发射脉冲宽度为0.2ns至10ns、脉冲峰值功率为50W至5000W并且波长为500nm至1200nm的脉冲光束；

经由单模光纤从所述脉冲光束中产生连续白光；以及

利用由所述脉冲光束形成的泵浦光束兼探测光束以及由所述连续白光形成的斯托克斯光束照射待测量的试样，从而获得拉曼光谱。

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