CN102778448A - 非线性拉曼光谱设备、显微光谱设备及显微光谱成像设备 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种非线性拉曼光谱设备、显微光谱设备及显微光谱成像设备。其中，该非线性拉曼光谱设备包括：两个光源和脉冲控制部。这两个光源都被配置为发射短脉冲激光。该脉冲控制部被配置为对从光源中的一个发射出的短脉冲激光进行时间延迟。

Description

非线性拉曼光谱设备、显微光谱设备及显微光谱成像设备

技术领域

本发明涉及非线性拉曼光谱设备、显微光谱设备以及显微光谱成像设备，更具体地，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设备。

背景技术

激光拉曼光谱是一种用于分离从暴露于作为泵浦光束的单波长激光的试样散射出的光的分析技术。作为散射光的斯托克斯光束或反斯托克斯光束示出了相对于泵浦光束的波束位移量，并且观察该位移量作为特定光谱，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/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是测量拉曼散射光的技术，而不同之处在于使用三阶非线性光学处理（third-ordernon-linear optical process）。三阶非线性光学处理要检测包括了作为激发光的泵浦光束、探测光束以及斯托克斯光束这三种入射光束中的散射光。这种三阶非线性光学处理的示例为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。

对于CARS光谱，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。在照射后，分离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，从而得到光谱（例如，参见日本未审查专利申请公开第5-288681号、2006-276667号以及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（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，不利地是，产生的设备昂贵且复杂。为了避免该缺点，已经建议利用光子晶体光纤（PCF）通过增加脉冲宽度为0.1ns到10ns的脉冲光的带宽来生成超连续谱光的方法（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光谱等作为代表的非线性拉曼光谱可避免受到任何荧光背景的影响，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，对于现有的非线性拉曼光谱，尤其是上述的多路CARS光谱，存在以下缺点：由于通过PCF、高度非线性光纤（HNLF）等生成宽带白光，导致光学损伤（尤其是靠近光入射端面的严重光学损伤），从而限制了最大的入射功率。

通常，使用PCF或HNLF可确保宽带特性这一优点，但在CARS光谱分析中，该优点转变为缺点，由于宽带特性导致每波长的光功率降低。PCF还具有需要对端面进行特殊处理的缺点。

而且，由PCF产生的超连续谱光（宽带光）的光束剖面通常不是理想的高斯光束剖面。具有这种光束剖面的激光不是理想的，原因在于其可能造成显微光谱技术和显微光谱成像所获得的图像劣化。

因此，期望提供高效、非常稳定并且小型的非线性拉曼光谱设备、显微光谱设备以及显微光谱成像设备。

为了解决上述问题，通过不断的实验和研究，本发明的发明人得出下面的结果。尤其地，用于生物系统时，重要的因素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的光谱。为此，对于使用了非线性拉曼光谱的显微光谱成像，为了提高作为输入激光束质量的非线性光学效应，需要高峰值功率、可用的高斯光束以及线性偏振状态。

当从单模光纤（SMF）发射的光的波长接近或长于SMF的截止波长，那么该光的空间强度分布为理想的高斯光束。因此，本发明的发明人已经研究使用廉价且容易得到的SMF来代替PCF和HNLF的可能性，用于生成针对斯托克斯光束的宽带白光。结果，发明人发现使用SMF可获得理想的高斯光束。

此外，非线性拉曼光谱期望包括了泵浦光束、探测光束以及斯托克斯光束的这三种光束的电场矢量对于所有点沿着同一方向，并且期望在产生这种光束的那部分中的偏振是线性的。关于这一点，本发明的发明人已发现使用任何特定的SMF，尤其是保偏单模光纤（PF-SMF），可获得卓越的线性偏振斯托克斯光束，从而提出了本发明。

即，根据本发明的实施方式的非线性拉曼光谱设备，包括：两个光源，每个都被配置为发射短脉冲激光；以及脉冲控制部，被配置为对从所述光源中的一个发射的短脉冲激光进行时间延迟。

在该设备中，该两个光源可包括：第一光源，被配置为产生短脉冲激光；以及第二光源，被配置为产生波长长于第一光源的波长的短脉冲激光。在这种情况下，脉冲控制部可对于第二光源发射的短脉冲激光进行时间延迟。

此外，第一光源发射出的短脉冲激光可包括斯托克斯光束，第二光源发射出的光可以是泵浦/探测光束。通过脉冲控制部对第二光源发射出的短脉冲激光进行时间延迟，可同时由斯托克斯光束和泵浦/探测光束照射作为测量目标的样本。

此外，非线性拉曼光谱设备还可包括：单模光纤，被配置为从第一光源发射出的短脉冲激光中产生作为连续白光的斯托克斯光束。

此外，脉冲控制部可通过电控制（electrically control）第二光源而对短脉冲激光进行时间延迟。

此外，非线性拉曼光谱设备还可包括：检测部，被配置为复合斯托克斯光束和泵浦/探测光束并且检测其间的时间差，其中，检测部的检测结果可反馈至脉冲控制部。

根据本发明的实施方式的显微光谱设备和显微光谱成像设备都包括上述的非线性拉曼光谱设备。

根据本发明的实施方式，实现了小尺寸、具有高效率及出色稳定性的非线性拉曼光谱设备、显微光谱设备以及显微光谱成像设备。

鉴于本发明的最佳模式实施方式（如附图中所示）的下文具体描述，本发明的这些和其它目标、特征和优点将更加显而易见。

附图说明

图1是示出了根据本发明的第一实施方式的非线性拉曼光谱设备的结构的示意图；

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单模光纤的快轴或慢轴匹配时，从保偏单模光纤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，水平轴表示波数，垂直轴表示强度；

图6是根据本申请的第二实施方式的非线性拉曼光谱设备的结构的示意图；

图7是根据本申请的第三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，水平轴表示波数，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，水平轴表示波数，垂直轴表示强度；

图10是示出了根据表达式6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是示出了如何得出表达式7的条件表达式的曲线图；

图12是示出了短波长侧分量被LPF（低通滤光片）截止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是基于图12中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；

图14基于图12中的斯托克斯光束的强度分布所测量的厚度为1mm的聚乙烯板的CARS光谱的曲线图；

图15是示出了根据本发明的第四实施方式的非线性拉曼光谱设备的结构的概念图；

图16是示出了在使用长度为12m的保偏单模光纤并且平均激励功率是50mW时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17是示出了在通过波长为561nm的泵浦/探测光束的光谱和边缘波长为605nm的长通滤光片之后，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18是示出了图17中的斯托克斯光束的强度分布的曲线图，其中，水平轴表示波数，垂直轴表示强度；

图19是示出了在使用长度为6m的保偏单模光纤并且平均激励功率是50mW时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20是示出了使用参照波长为561nm的泵浦/探测光束表达的拉曼位移量的、图19中的斯托克斯光束的强度分布的曲线图，其中，水平轴表示波数，垂直轴表示强度；

图21是示出了根据本发明的第四实施方式的变型例的非线性拉曼光谱设备的结构的概念图；

图22是示出了根据本发明的第五实施方式的非线性拉曼光谱设备的结构的概念图；以及

图23是示出了根据本发明的第六实施方式的非线性拉曼光谱设备的结构的概念图。

具体实施方式

在下文中，将参照附图描述本发明的实施方式。下面的描述在各方面都是描述性的并且不限于下面的实施方式。按照下列顺序进行描述。

1.第一实施方式

（使用单模光纤用于产生斯托克斯光束的示例性设备）

2.第二实施方式

（在泵浦光束及探测光束的光路上包括光纤的示例性设备）

3.第三实施方式

（包括用于将测量光谱归一化处理的计算部的示例性系统）

4.第四实施方式

（包括两个光源的示例性设备）

5.第四实施方式的变型例

（包括反馈机构的示例性设备）

6.第五实施方式

（包括AOTF（声光可调滤光片）的示例性设备）

7.第六实施方式

（使用锁相放大器的示例性设备）

[1.第一实施方式]

[设备的整体结构]

首先，描述根据本发明的第一实施方式的非线性拉曼光谱设备。图1是该实施方式的非线性拉曼光谱设备的结构的示意图。该实施方式的非线性拉曼光谱设备1为CARS光谱设备，并且如图1所示，被配置为包括光源部10、泵浦/探测光束发生部20、斯托克斯光束发生部30、光束照射部40以及测量部50。

[光源部10]

光源部10至少设置有发射脉冲光的激光器11以及偏振光束分离器13，该分离器将脉冲光划分至泵浦/探测光束发生部20以及斯托克斯光束发生部30。光源部10朝着泵浦/探测光束发生部20以及斯托克斯光束发生部30发射预定的脉冲光。

只要能够生成脉冲宽度为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并不受类型限制。例如，这种激光器的代表是便宜且小型的调Q型Nd:YAG激光器，该激光器在1064nm处振荡并且生成亚纳秒重复脉冲。这种调Q型激光器并不是唯一选择，例如还可使用锁模Nd:YAG激光器，Nd:YVO₄或Nd:YLF皮秒激光器以及Yb掺杂光纤皮秒激光器等。

当短波长光用于测量时，来自上述的激光器中的任意一个光可被用作激发光以使用诸如KTP（钾钛磷）或LBO（三硼酸锂）的用于二次谐波发生的光学晶体产生SHG（二次谐波发生）光。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设备1中，可适当地使用发射波长为532nm或1064nm光的任何激光器。

此处，从光源部10中发射的脉冲光的波长并非受限于上述这些，例如，在Nd:YAG激光器的情况下，除了波长为1064nm的光束，该激光器还可振荡波长为1319nm，1122nm和946nm的光束。在Nd:YVO₄激光器的情况下，除了波长为1064nm的光束，该激光器还可振荡波长为1342nm和914nm的光。而且，Nd:YLF激光器可用于振荡波长为1053nm或1047nm的光，Yb:YAG激光器可用于振荡波长为1030nm的光。

对于使用这些波长作为基波的二次谐波发生，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。

此处关注的是，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大于等于5μJ，可能对光纤端面造成损害，或者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。鉴于此，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。

为了产生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设备1中，由于期望高峰值功率，为了防止脉冲能量增大，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，那么平均功率被控制为小于等于250mW。

例如，满足这种规格的光源部10可以被配置为包括：设置有用于二次谐波发生的KTP晶体的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。

可替换地，光源部10可设置位于激光器11和偏振光束分离器13之间的半波板12。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θ时，激光束的偏振面在通过后旋转了2θ。据此，来自激光器11的光束分为垂直偏振光和水平偏振光。因此，在偏振光束分离器13内可适当地将光束分为激励脉冲光束4以及泵浦/探测光束（后文中简称为泵浦光束）3。

[泵浦/探测光束发生部20]

泵浦/探测光束发生部20设置有光程调整机构，以便使来自光源部10的脉冲光束（泵浦光束3）与斯托克斯光束5（稍后描述）同时进行照射。具体地说，通过由多个镜22a到22d、23a、23b、24、25a以及25b反射泵浦光束3，调整泵浦光束的光程，从而调整与斯托克斯光束5的定时（timing）。

在本文中，光程调整机构并非受限于图1中所示的结构，如果利用镜22a至22d、23a以及23b的光学布置就可以使泵浦光束3的光程与斯托克斯光束5的光程相同，那么可不必设置镜24、25a以及25b。

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设置在第一镜22a之前，以便使泵浦光束3的偏振面的方向与斯托克斯光束5的偏振面的方向一致。注意，当使用任何普通的单模光纤时，可不必使用这种半波板21。

[斯托克斯光束发生部30]

斯托克斯光束发生部30用于从来自光源部10的脉冲光束4中生成斯托克斯光束5（即，连续白光）。斯托克斯光束发生部30至少设置有单模光纤32。此处，斯托克斯光束5的波长范围包括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，并且由下面的表达式1表示。在下面的表达式1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2表示。

[表达式1]

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

[表达式2]

ω·λ＝1×10⁷

例如，当泵浦光束3的波长λ_p为532nm时，斯托克斯光束发生部30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。

斯托克斯光束发生部30中所设置的单模光纤32的长度可以为1m到20m。如果单模光纤32的长度短于1m，那么连续白光可能不均匀。另一方面，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。鉴于此，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任意所需波段内的连续白光。

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光束4的波长。如果截止波长比激励脉冲光束4的波长短，那么耦合到光纤的输入效率降低，从而可能降低斯托克斯光束5的发生效率及其带宽。另一方面，如果截止波长比激励脉冲波束4的波长更长，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，从而未获得单一高斯光束。注意，满足上述要求并且可用于该实施方式的非线性拉曼光谱设备1中的单模光纤32的实例为（例如）Nufern生产的460HP或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，该光束的偏振面与泵浦光束3的偏振面匹配，通常用作线性偏振光束。因此，使得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设备1的保偏单模光纤的实例为（例如）Nufern公司生产的PM-460-HP或PM-630-HP以及FibercoreLtd生产的HB8600。

在本文中，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，设置半波板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）一致。注意，当使用任何普通的单模光纤时，这种半波板31不是必需的。

此外，在该斯托克斯光束发生部30中，长通滤光片33位于单模光纤32的出射面侧。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中去除不需要的波长范围中的任何部分。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设备1中使用的长通滤光片，可使用Semrock,Inc.生产的LP03-532RU-25。

而且，斯托克斯光束发生部30可设置用于改变斯托克斯光束5的光路的镜34，以便将光束引入光束照射部40。

[光束照射部40]

光束照射部40将彼此同轴叠置的、来自泵浦/探测光束发生部20的泵浦光束3与来自斯托克斯光束发生部30的斯托克斯光束5复合（multiplex），并将产生的光束照射试样2。该光束照射部40的结构没有特别的限制，而是可以示例性地包括陷波滤光片41、光束扩展器42和43、镜44、以及物镜45。

光束扩展器42和43都用于使光束直径与物镜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3X光束扩展器，以便进入物镜45时将光束直径增加至大约6mm。所使用的陷波滤光片41的示例为Semrock,Inc.生产的NF-532U-25。

[测量部50]

测量部50测量试样2中发射的CARS光束，并且被配置为包括物镜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，荧光被测量部50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设备1中所使用的短通滤光片包括Semrock,Inc.生产的SP01-532RU-25。

所使用的分光镜53例如是具有冷却功能以便减少热噪音的CCD（电荷耦合器件图像传感器）、安装有CMOS（互补金属氧化物半导体）阵列检测器的多色器、单色器、或PMT（光电倍增管）。所使用的多色器的示例是SHAMROCK公司生产的SR-303i，在这种情况下，使用每毫米1200衍射光栅。此外，所使用的CCD检测器可以使（例如）ANDOR Technology生产的NEWTON DU970N BV。

CARS光束为微弱的光束，所以期望尽量避免任何损耗。期望将测量部50配置为充分地遮挡外部周围的光。分光镜53形成有用于引入光束的缝隙，如图1中所示，通过使用多模光纤54或透镜系统可以将CARS光束引入至此。

[非线性拉曼光谱设备1的操作]

接下来，描述第一实施方式的非线性拉曼光谱设备1的操作，即，如何使用非线性拉曼光谱设备1测量试样2的CARS光谱。在第一实施方式的非线性拉曼光谱设备1中，首先，在光源部10处，来自激光器11的脉冲光束被偏振光束分离器13分成两部分，然后，将这两部分光束分别引入泵浦/探测光束发生部20和斯托克斯光束发生部30。

可替换地，在来自激光器11中的脉冲光束由偏振光束分离器13分割之前，该脉冲光束的偏振面可以被半波板12旋转。这使得调整其的分配比。

然后，已进入斯托克斯光束发生部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。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，通过光源部10提供的脉冲光束4经由半波板31被引入单模光纤32。具体而言，通过使用半波板31，脉冲光束4的偏振面被旋转为平行于单模光纤32的快轴或慢轴。因此，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，在将分析器的定向调整为与快轴或慢轴匹配之后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。

在进入光束照射部40之前，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，当激励脉冲光束4的波长为532nm时，去除波长短于540nm的分量，以便包括该激励脉冲光束4。因此，拦截在从单模光纤32进入的光束中的任何不需要的短波长侧分量，从而提高作为测量目标的CARS光谱的信噪（背景）比。

另一方面，调整进入泵浦/探测光束发生部20的脉冲光束（泵浦光束3）的光程，从而与斯托克斯光束5同时进入光束照射部40。使用多个镜22a到22d、23a、23b、24、25a以及25b来执行长度调整。此时，使用半波板21，从而将泵浦光束3的偏振面的方向定向为与斯托克斯光束5的偏振面的方向一致。据此，可以高效地使用三阶非线性光学处理，从而提高CARS光谱的信噪（背景）比。

关于进入光束照射部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，斯托克斯光束5通过该滤波片。可使用长通滤光片代替陷波滤光片41。泵浦光束3和斯托克斯光束5在光束扩展器42和43处都扩大其光束直径以便与物镜45的入瞳直径匹配，然后经由物镜45将这些光束应用于试样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。

在测量部50中，检测从试样2中发射的CARS光束，进而获得拉曼光谱。具体地说，在使用物镜51汇聚从试样2中发射的CARS光束之后，任何不需要的光束（诸如泵浦光束3和斯托克斯光束5）被短通滤光片52拦截，然后产生的光束由分光镜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，水平轴表示波数，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。再者，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，对于第一实施方式的非线性拉曼光谱设备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。同样，对于该实施方式的非线性拉曼光谱设备1，不再需要诸如时间延迟的调整操作，以便在该频带内整体地获得光谱。

如上具体所述，由于使用单模光纤32生成斯托克斯光束5，因此该实施方式的非线性拉曼光谱设备1在结构上简化。因此，可减小设备的尺寸和成本。再者，由于单模光纤32的输出为高斯光束，并且更少损坏其入射端面，因此，单模光纤32可简单地用于耦合和对准，以便获得高度稳定的斯托克斯光束5。

在本文中，尽管在级联受激拉曼散射中使用普通SMF作为连续的白光源是先前已知的应用，但尚未有报道将其应用于非线性拉曼光谱。原因在于，在使用SMF的级联受激拉曼散射中产生多个峰值。

对于在专利文献5（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，未特别描述超连续谱光（宽带光束）的偏振状态。然而，为了有效使用相干三阶非线性光学处理，重要因素是，泵浦光束、探测光束以及斯托克斯光束（宽带光束）的全部光束的线性偏振。另一方面，在第一实施方式的非线性拉曼光谱设备1中，由于泵浦光束3的偏振面被定向为与斯托克斯光束5的偏振面的方向一致，因此，可有效地使用三阶非线性光学处理。

对于使用保偏单模光纤的设备，可极其容易地进行泵浦光束和斯托克斯光束的光束调整（即，光束直径相等并且光束的方向对准）。因此，该设备适用于显微光谱技术和成像。

[2.第二实施方式]

[设备的整体结构]

接下来，描述根据本发明的第二实施方式的非线性拉曼光谱设备。图6为根据本发明的第二实施方式的非线性拉曼光谱设备的结构的示意图。图6中与图1中的第一实施方式的非线性拉曼光谱设备1相同的任何部件设有相同的参考标号，并且不再进行具体描述。

如图6中所示，在该实施方式的非线性拉曼光谱设备61中，泵浦/探测光束生成部70的光程调节机构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，来自光源部10的脉冲光的光路由镜71a改变，然后进入光纤73。然后，光束通过光纤73，其光程被调整，此时光路再由镜71b改变。然后，产生的脉冲光束发射到光束照射部40。

[泵浦/探测光束生成部70]

例如，当输入等于或低于数mW的低激励功率时，在泵浦/探测光束生成部70中所使用的光纤73包括单模光纤或保偏单模光纤。这是因为，当低激励功率在光纤中发生非级联的受激拉曼散射，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公司生产的630HP，保偏光纤的实例是由Nufern公司生产的PM-460-HP或Fibercore Ltd生产的HB8600。

另一方面，激励功率的逐渐增大产生受激拉曼散射光，从而阻碍发送单波长泵浦/探测脉冲。根据本发明的发明人的实验，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）期望使用纤芯径大于等于8μm的保偏单模光纤、芯径小于等于100μm的多模光纤、或者所谓的大模场光纤、光子晶体大模场光纤等。

在使用单模光纤的情况下，例如可使用Nufern公司生产的SMF-28-J9，在使用保偏单模光纤的情况下，例如可使用Nufern公司生产的PM1550-HP。在使用大模场光纤的情况下，例如可使用Thorlabs公司生产的P-10/125DC、P-25/240DC或P-40/140DC。在使用大模场光子晶体光纤的情况下，例如可使用NKT Photonics A/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。

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的偏振面的方向一致。注意，当使用任何普通的单模光纤时，半波板72不是必需的。

[光源部10]

在该实施方式的非线性拉曼光谱设备61中，光源部10中设置有用于二次谐波产生的光学晶体14。利用该二次谐波产生光学晶体14，将激光器11中发射的激发光束经历波长转换成为泵浦光束。具体而言，当激发光束的波长为1064nm时，波长转换的结果是532nm的绿光。

对于第二实施方式中的非线性拉曼光谱设备61，使用光纤73调节泵浦光束3的光程，因此，易于对斯托克斯光束5进行时间调节，并且设备的尺寸可小型化。在CARS光谱中，泵浦光束3和斯托克斯光束5要同时到达试样的测量点，通过使用光纤73，易于使泵浦光束3的光程和斯托克斯光束5的光程彼此相等。

注意，第二实施方式的结构和效果与上述第一实施方式的结构和效果相同。

[3.第三实施方式]

[系统的整体结构]

接下来，描述根据本发明的第三实施方式的非线性拉曼光谱系统。图7是示出了本发明的第三实施方式的非线性拉曼光谱系统的结构的概念图。注意，图7中与图1中的第一实施方式的非线性拉曼光谱设备1相同的任何部件设有相同的参考标号，并且不再进行具体描述。

如图7中所示，该实施方式中的非线性拉曼光谱系统81为以下系统，其设置有：上述第一实施方式的非线性拉曼光谱设备1，以及连接到非线性拉曼光谱设备1的测量部50的计算部80。

[计算部80]

计算部80设置有作为算数单元的计算机、显示单元等。计算部80将测量部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处理。

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）。

在CARS光谱中，当简并四波混频（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时，狭义地大体上通常称为CARS光谱。另一方面，在多路CARS中，其中泵浦光束、探测光束以及斯托克斯光束的波长不同的非简并四波混频（3色CARS）分量可成为反斯托克斯拉曼散射光，其与上述简并四波混频（2色CARS）分量相同。

另一方面，对于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设备1，与斯托克斯光束（连续白光）相比，泵浦光束和探测光束可视为充分窄频带线状光谱。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3表示。在下面的表达式3中，ω表示波数（cm^-1）。

[表达式3]

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

此外，对于非简并四波混频（3色CARS）分量I_3-color(ω)，连续宽带光束的频谱内的两个波长分量（波数分量）分别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4表示。

[表达式4]

I_3-color(ω)∝P_P∫S_S(ω′)S_S(ω+ω′)dω′

上面的表达式3和表达式4之和由下面的表达式5表示。

[表达式5]

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

当上面的表达式5中的R_N（ω）被用作归一化因子以便将CARS测量光谱S_C（ω）归一化时，下面的表达式6给出归一化的CARS光谱S_N（ω）。

[表达式6]

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

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，其中水平轴表示波数，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，水平轴表示波数，垂直轴表示强度。此处，图9也示出了表达式5中的归一化因子R_N（ω）。图10是示出了厚度为1mm的聚对苯二甲酸乙二醇酯板的CARS光谱由上面的表达式6归一化之后的曲线图。

如图8到图10所示，在通过该实施方式的方法进行归一化处理之后，由于在500cm^-1到1000cm^-1范围内的伪峰值消失，因此光谱噪音被确认为比之前降低。此处，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，在计算部80中执行归一化，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，而没有将与作为测量目标的CARS光谱中的分子振动不对应的任何伪光谱峰值混淆。

在由第三实施方式的非线性拉曼光谱系统81获得的斯托克斯光束强度分布中，基于单模光纤中的级联受激拉曼散射产生连续白光。因此，在低波数区域（在短波长侧）中大约每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。

用于去除从发生斯托克斯光束的单模光纤中发射的任何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，发生朝着光谱相对平坦的长波长侧的移动。在此情况下，减少或去除低波数部分的简并四波混频（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，非简并四波混频（3色CARS）分量包括作为斯托克斯光束的强度分布中两个光学分量之间的差异的低波数分量。

鉴于此，通过对于在单模光纤中发射后方设置的长通滤光片的边缘波长进行提前设定，通过仅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，就可获得令人满意的CARS光谱，而不损害测量波数区域。长通滤光片的边缘波长的设定条件如下。

假设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），边缘波长λ_e（nm）的条件由下面的表达式7表示。注意，下面的表达式7中的λ_f为下面的等式8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2表示。图11是示出了如何得出上面的表达式7的条件表达式的图示。

[表达式7]

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

[表达式8]

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

在使用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，执行长通滤光片的边缘波长的设定。假设λ_p=532nm且ω_m=3000cm^-1，那么在上面的表达式8中的λ_f＝633nm。因此，从上面的表达式7中得到λ_e的范围为λ_p（=532nm）<λ_e<578nm。

接下来，假设λ_e=575nm，上面的表达式2给出Δω={（1×10⁷）/λ_e}-{（1×10⁷）/λ_f}=1594cm^-1以及δω={（1×10⁷）/λ_p}-{（1×10⁷）/λ_e}=1406cm^-1。因此，如图11中所示，如果Δω和δω满足下面的表达式9中的不等式，那么意味着在各个波数区域内（0到ω_m）得出CARS光谱。

[表达式9]

δω＜Δω

针对测量，使用Edmund OpticsGmbH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，简并四波混频（2色CARS）分量的范围为1406cm^-1到3000cm^-1。

这样，通过使用长通滤光片或带通滤光片去除任何非平坦的斯托克斯光束区域，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是示出了短波长侧分量被LPF（低通滤光片）截止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，未使用长通滤光片的聚对苯二甲酸乙二醇酯板的CARS光谱在接近900cm^-1和接近1400cm^-1中显示了伪光谱峰值。另一方面，对于使用长通滤光片的CARS光谱，结果是令人满意的并且没有这种伪光谱。

同样，如图14中所示，聚苯乙烯板的CARS光谱产生相似的效果。在图14中所示的光谱中，接近1000cm^-1的光谱峰值是由于非简并四波混频（3色CARS）产生的峰值。

[4.第四实施方式]

[设备的整体结构]

接下来，描述根据本发明的第四实施方式的非线性拉曼光谱设备。图15是示出了该实施方式的非线性拉曼光谱设备的结构的示意图。在图15中，与图1中的第一实施方式中的非线性拉曼光谱设备1相似的任何部件设置相同的参考标号，并且不再详细描述。

如图15中所示，该实施方式的非线性拉曼光谱设备100中，光源部110设置有两个激光器11a和11b，以及脉冲产生/延迟电路15。激光器11b和脉冲产生/延迟电路15用于替换泵浦/探测光束产生部，用于关于斯托克斯5进行时间调整。

[光源部110]

光源部110中的激光器11a和11b可以是产生短脉冲激光的激光器，并且都以小尺寸有源调Q短脉冲激光器激励光源为例。与无源调Q短脉冲激光器激励光源相似，包括市售的共振腔中的EOM（电光调制器）和AOM（声光调制器）的有源调Q短脉冲激光器激励光源是廉价并且小型的。

这样，在光源中，通过任何外部驱动电路可控制连续激光振荡脉冲列。在脉冲列之间的时间抖动（时间准确性）方面，该光源是出色的，并且能够将时间抖动控制到1ns或更低。另一方面，脉冲产生/延迟电路15用于控制来自激光器11a和11b的激光的脉冲列，以及来自激光器11b的短脉冲激光的时间延迟。

来自激光器11a和11b的激光可具有相同或不同的波长。如果假设激光器11b发射的脉冲激光具有比来自激光器11a的脉冲激光更长的波长，通过使用长通或带通滤光片，只提取相对平坦的长波长部分，不包括显示尖锐的受激拉曼散射峰值的连续白光光谱部分。更具体地说，通过向长波长侧10nm的移动，得到几百到3600cm^-1的拉曼位移。

此外，对于用于泵浦/探测光束的有源调Q短脉冲激光器激励光源（激光器11b），其输出可以是一位或小于用于斯托克斯光束激励的光源（激光器11a）的输出。

在该实施方式的非线性拉曼光谱设备100中，例如，用作激光器11a和11b的激光光源包括：波长为1064nm、1319nm、1122nm或946nm的Nd:YAG激光器，波长为1064nm、1342nm或914nm的Nd:YVO₄激光器，波长为1053nm或1047nm的Nd:YLF激光器，或波长为1030nm的Yb:YAG激光器。

对于使用上述波长作为基波的二次谐波产生，产生的SHG光的波长为457nm、473nm、515nm、523nm、527nm、532nm、561nm、660nm或671nm。上述的调Q激光器不必是限制的，Nd:YAG、Nd:YVO₄或Nd:YLF短脉冲锁模激光器，或Yb掺杂光纤短脉冲激光器及其二次谐波也能够应用。

由于硅的拉曼散射，以一定的间隔出现受激拉曼散射峰值波长，硅是提供给斯托克斯光束产生部130（稍后描述）的单模光纤32的纤芯的主要成分。在本文中，由于硅的拉曼位移是440cm^-1，受激拉曼散射峰值波长的间隔等于与其对应的波长的间隔，并且对于500nm至600nm的波长该间隔约为11nm到16nm。

具体地说，为了获得200cm^-1至3600cm^-1的波数区域，假设用于泵浦/探测光束的光源（激光器11b）是发射波长为561nm的SHG光的Yb:YAG激光器，567nm到703nm的连续白光光谱可用于斯托克斯光束5。也就是说，对于用于斯托克斯光束产生所使用的光纤激励光源（激光器11a），可使用发射波长为532nm的SHG光的Nd:YAG激光器。

这些激光器11a和11b具有0.01ns到10ns的脉冲宽度，以及100W到10kW的脉冲峰值功率。在激光器11a和11b中，希望脉冲宽度等于或大于时间抖动，并且选定的脉冲宽度约为1ns。

[斯托克斯光束产生部130]

与上述的第一到第三实施方式中的非线性拉曼光谱设备类似，第四实施方式中的非线性拉曼光谱设备100使用单模光纤32（优选使用保偏单模光纤）产生作为斯托克斯光束5的连续白光（超连续谱光）。单模光纤32优选具有2m到20m的长度，并且更优选具有6m到15m的长度。

[操作]

接下来，描述第四实施方式中的非线性拉曼光谱设备100的操作，即，如何使用非线性拉曼光谱设备100测量样本2的CARS光谱。在该实施方式中的非线性拉曼光谱设备100中，在光源部10中，激光器11a产生用于斯托克斯光束产生所使用的短脉冲激光，并且激光器11b产生作为泵浦/探测光束3的短脉冲激光。

激光器11a发射的短脉冲激光进入斯托克斯光束产生部130，然后由单模光纤32转换成作为连续白光的斯托克斯光束5。图16是示出了当使用长度为12m的保偏单模光纤并且平均激励功率是50mW时的斯托克斯光束的强度分布的曲线图，并且在该曲线图中，水平轴表示波长，垂直轴表示强度。如图16中所示，在波长为100nm以上的长波长侧的斯托克斯光束强度分布是平坦的。

另一方面，从激光器11b发射的短脉冲激光（泵浦/探测光束3）直接进入光照射部140。同时，脉冲产生/延迟电路15调节泵浦/探测光束3的定时以便与斯托克斯光束5同时进入光照射部140。

作为示例，对于纤芯有效折射率是1.46，来自激光器11a的短脉冲激光进入单模光纤32所耗费的时间是T=L/c=29ns至73ns，并且对其的时间调整易于通过时间延迟电子电路进行。这样，仅通过对专用于泵浦-探测光束3的有源调Q短脉冲激光器激励光源（激光器11b）进行调Q，将斯托克斯光束5相对于泵浦/探测光束3延迟数十纳秒，通过该延迟而稍后。这并未使用多模光纤和用于空间传送的空间。

通过双色镜46和镜47以及48改变已进入光照射部140的泵浦/探测光束3和斯托克斯光束5的光程。复合之后的泵浦/探测光束3和斯托克斯光束5接下来在光束扩展器42和43中增加光束直径，从而匹配物镜45的入瞳直径，经由物镜45利用光束照射样本2。图17是示出了斯托克斯光束5在通过波长为561nm的泵浦/探测光束3的光谱以及边缘波长为605nm的长通滤光片之后的强度分布的曲线图，并且在该曲线图中，水平轴表示波长，垂直轴表示强度。

在测量部150中，检测样本2发出的CARS光，进而得到拉曼光谱。具体地说，例如，在使用物镜51汇聚来自样本2的CARS光之后，通过短通滤光片52阻挡任何不需要的光，然后经由多模光纤54将得到的光引导至设置有诸如CCD的检测器55的分光镜53。

图18是示出了图17中的斯托克斯光束的强度分布的曲线图，并且在该曲线图中，水平轴表示波数，垂直轴表示强度。如图18中所示，通过使用图17中的泵浦/探测光束3和斯托克斯光束5，通过考虑具有简并四波混频处理的CARS光谱，可测量的范围是1200cm^-1至3600cm^-1的宽范围，并且使用该宽范围中的平坦的斯托克斯光谱进行CARS测量。此外，如果还考虑上述的非简并四波混频处理，可在从低波数区域到1200cm^-1的范围内进行测量。换言之，在从几百到3600cm^-1的范围内可进行测量。

图19是示出了当使用长度为6m的保偏单模光纤并且平均激励功率是50mW时的斯托克斯光束的强度分布的曲线图，并且在该曲线图中，水平轴表示波长，垂直轴表示强度。图20是示出了使用相对于波长为561nm的泵浦/探测光束的、以波数表达的拉曼位移的图19中的斯托克斯光束的强度分布的曲线图，并且在该曲线图中，水平轴表示波数，垂直轴表示强度。通过改变用于斯托克斯光束产生的激励激光光源的波长，以及通过改变用于泵浦/探测光束的光源的波长（向长波长侧的位移），如图20中所示，使用图19中的斯托克斯光束5从而实现了在500cm^-1至3000cm^-1的范围内的CARS光谱。

如上面详细所述，该实施方式中的非线性拉曼光谱设备使用两个激光器，并且脉冲产生/延迟电路对两个激光器之间的脉冲产生的定时进行电子电路控制。这样，例如，通过电子电路进行脉冲定时调节，不需要适当的光学布置或多模光纤。此外，通过使用波长不同的两个短脉冲激光源（即，用于斯托克斯光束激励的具有较短波长的激光器，用于泵浦/探测光束的具有较长波长的另一激光器），仅使用平坦的斯托克斯光束强度分布的那部分，在宽范围上测量任何分子振动光谱，而没有损伤低波数区域。

因此，得到的非线性拉曼光谱设备尺寸减小并且实现测量稳定性而不受光程调节的困扰。注意，上面第四实施方式中没有描述的非线性拉曼光谱设备的结构和效果与上述的第一实施方式中的那些相似。

[5.第四实施方式的变型例]

[设备的整体结构]

下面描述根据本发明的第四实施方式的变型例中的非线性拉曼光谱设备。图21是示出了该变型例中的非线性拉曼光谱设备的结构的示意图。在图21中，与图15中的第四实施方式中的非线性拉曼光谱设备100相似的任何部件都设有相同的参考标号，并且不再详细描述。

如图21中所示，该变型例中的非线性拉曼光谱设备200设置有时间差测量部160，用于测量进入光照射部140的斯托克斯光束5和泵浦/探测光束3之间的时间差。

[时间差测量部160]

时间差测量部160设置有分色滤光片161，检测器162和163，数字示波器164等。例如，在光照射部140中，在复合泵浦/探测光束3和斯托克斯光束5后，再通过分色滤光片161分离产生的光束，并且使用其间设有距离的高速光敏二极管检测器162和162准确地检测光束之间的时间差。将检测结果反馈至脉冲产生/延迟电路15中的时间延迟电路。

对于该变型例中的非线性拉曼光谱设备200，时间差测量部160测量斯托克斯光束5和泵浦/探测光束3之间的时间差，并且将测量的时间差反馈给脉冲产生/延迟电路15。因此，将斯托克斯光束5和泵浦/探测光束3之间的定时精度提高至更高的程度。在本文中，上面变型例中没有描述的非线性拉曼光谱设备的结构和作用与上面所述的第四实施方式中的那些相似。

[6.第五实施方式]

[设备的整体结构]

下面描述根据本发明的第五实施方式的非线性拉曼光谱设备。图22是示出了该实施方式的非线性拉曼光谱设备的结构的示意图。在图22中，与图21中的第四实施方式的变型例中的非线性拉曼光谱设备200相似的任何部件使用相同的参考标号，并且不再详细描述。

该实施方式中的非线性拉曼光谱设备300在斯托克斯光束产生部330中的长通滤光片33的后续级中包括声光可调滤光片（AOTF）35和分析器36。在本文中，分析器36可以是偏振分束器（PBS）。通过这种结构，消除200cm^-1至500cm^-1的峰值对CARS光谱的影响。

[操作]

对于该实施方式中的非线性拉曼光谱设备300，通过使用AOTF 35，将电子电路控制（波长扫描）执行为通过与峰值强度成反比的时间长度将驱动器的频率调制分配给波长分量。通过这种方式，在样本照射时间方面调节斯托克斯光束强度分布中任何不平坦区域中的波长分量，从而使CCD检测器55的光积累时间中的平均强度均匀。相应地，产生了实际上平坦的斯托克斯光束强度分布。

可替换地，可根据斯托克斯光束强度分布调制AOFT的超声强度或波长选择时间。如果通过被设置用于调制AOFT 35的超声强度的驱动放大器电路来根据斯托克斯光束强度分布从而调制AOFT 35的超声强度，在通过AOTF 35后的斯托克斯光束强度分布变得平坦。

在本文中，由于AOTF 35对指定波长的存取时间（access time）约为30μs，例如，假设CCD检测器55中的累计时间是3ms，适当的响应是可能的。在该情形中，AOTF 35允许每个非衍射光束简单地从其通过，并且仅电选择并且通过分时方式消除作为衍射光束的任何不需要的波长分量。另一方面，通过使用驱动器，不是通过分时方式，而是通过调制超声振幅强度的方式来消除任何指定波长分量的功率。这样，使用200cm^-1至3000cm^-1的波数中的平坦的斯托克斯光束强度分布执行CARS光谱。

如上所述，对于第五实施方式中的非线性拉曼光谱设备，将AOTF用于针对斯托克斯光束强度分布中任何不平坦区域中的波长分量调节样本照射时间，从而使CCD检测器的光累计时间中的平均强度均匀。相应地，这导致实际上平坦的斯托克斯光束强度分布。在本文中，上面实施方式中没有描述的非线性拉曼光谱设备的结构和效果与上述第四实施方式的变型例中的那些相似。图22示出了设置有时间差测量部160的设备，但本发明不必限于此，并且该实施方式的结构能够应用至如图15中所示的没有设置时间差测量部的非线性拉曼光谱设备，并且如果是这种结构，产生相似的效果。

[7.第六实施方式]

[设备的整体结构]

下面描述根据本发明的第六实施方式的非线性拉曼光谱设备。图23是示出了第六实施方式的非线性拉曼光谱设备的结构的示意图。在图23中，与图22中的第五实施方式中的非线性拉曼光谱设备300相似的任何部件使用相同的参考标号，并且不再详细描述。如图23中所示，第六实施方式中的非线性拉曼光谱设备400中，测量部450设置有锁相放大器58。

[测量部450]

测量部450设置有物镜51，短通滤光片52，聚光镜56，诸如光电倍增管或雪崩光电二极管的光电检测器57，锁相放大器58，计算机59等。通过物镜51来汇聚从样本2发出的CARS光，然后由短通滤光片52阻挡任何不需要的光，诸如，泵浦光束3和斯托克斯光束5。然后，产生的光经由聚光镜56进入光电检测器57。将来自光电检测器57的信号输入锁相放大器58，然后从其输出到计算机59。

[操作]

在该非线性拉曼光谱设备400中，为了产生具有单一波长的斯托克斯光束，AOTF 35和分析器36（或PBS）设置在后续级，并且使连续白光经历波长选择或波长扫描。AOTF 35是高光谱分辨率和分辨效率的，并且一般具有10ms到100ms的快速波长改变（或扫描速度）。

鉴于此，通过波长确定的泵浦光束和选定的斯托克斯光束要得到等于作为目标的分子振动光谱的振动频率的拍频。然后，同时使用得到的光束照射样本2。例如，这实现了对于目标分子振动光谱中的任意量改变的高速测量，或分子振动光谱的高速空间分布，即，其的显微光谱成像。

这还实现了在多个目标分子振动谱中使用AOTF的斯托克斯光束的高速波长选择。因此，相对于作为参考的一个特定分子振动光谱强度，例如，测量或成像其余分子振动谱与其的强度比。例如，这种定量比例测量或比率测量对于分子浓度不均匀的生物物质的成像尤其有用。

对于光谱整体的测量，进行波长扫描。在这种情形中，作为锁相放大器58的参照信号在用于泵浦/探测光束的有源调Q短脉冲激光器11b或用于斯托克斯光束激励的短脉冲激光器11a的重复脉冲列中是同步信号。有源调Q短脉冲激光器的重复频率通常为1KHz到1MHz，因此使用诸如常规的光电倍增管或雪崩光电二极管的光电检测器。使用的锁相放大器58的时间常量是以下频率的倒数：该频率为参考信号频率的1/10到1/1000。这样，通过信号的锁定检测，执行高SNR（信噪比）和高灵敏度的检测。

对于使用非线性拉曼光谱设备400的CARS测量，仅发生简并四波混频处理。因此，当有源调Q短脉冲激光器具有高水平的振幅噪声时，也就是说，当峰值功率在连续脉冲列之间大幅变化时，锁相放大器58可被提供有CARS信号，该信号是被泵浦/探测光束3的功率检测器光学信号的强度的平方除的结果，或被斯托克斯光束的功率检测器光学信号除的结果。

在有源调Q短脉冲激光器中，重复脉冲列的周期约为1μm到1000μm，并且在0.1ps到30ps内快速完成CARS处理。因此，通过将有源调Q短脉冲激光器的重复脉冲列的同步信号用作脉冲串积分器（门积分器）的触发信号，将门积分时间设定为电气最小时间，例如，小于10ns，并且优选1ns，以便具有高SNR的检测是可能的。也就是说，通过该实施方式中的非线性拉曼光谱设备400，使用AOTF 35实现高灵敏度的多波长CARS光谱。

注意，例如，上面所述的第一到第六实施方式中的非线性拉曼光谱设备都被用作显微光谱设备或显微光谱成像设备。

本发明可采取下面的结构。

1.一种非线性拉曼光谱设备，包括：

两个光源，每个所述光源都被配置为发射短脉冲激光；以及

脉冲控制部，被配置为对从所述光源中的一个发射的所述短脉冲激光进行时间延迟。

2.根据1所述的非线性拉曼光谱设备，其中：

所述两个光源包括：第一光源，被配置为产生短脉冲激光；以及第二光源，被配置为产生波长长于所述第一光源产生的短脉冲激光的波长的短脉冲光激光，以及

所述脉冲控制部对从所述第二光源发射的短脉冲激光进行时间延迟。

3.根据2所述的非线性拉曼光谱设备，其中：

从所述第一光源发射的短脉冲激光包括斯托克斯光束，来自所述第二光源的光是泵浦/探测光束，以及

通过所述脉冲控制部对从所述第二光源发射的短脉冲激光进行时间延迟，所述斯托克斯光束和所述泵浦/探测光束同时照射作为测量目标的样本。

4.根据2或3所述的非线性拉曼光谱设备，还包括：

单模光纤，被配置为从所述第一光源发射的短脉冲激光中产生作为连续白光的所述斯托克斯光束。

5.根据2或4任一项所述的非线性拉曼光谱设备，其中：

所述脉冲控制部通过电控制所述第二光源来对所述短脉冲激光进行时间延迟。

6.根据1至5任一项所述的非线性拉曼光谱设备，还包括：

检测部，被配置为将所述斯托克斯光束和所述泵浦/探测光束复合并且检测所述斯托克斯光束和所述泵浦/探测光束之间的时间差，其中

所述检测部的检测结果反馈至所述脉冲控制部。

7.根据4所述的非线性拉曼光谱设备，其中：

声光可调滤光片设置在所述单模光纤之后的后续级。

8.根据7所述的非线性拉曼光谱设备，其中：

根据所述斯托克斯光束的强度分布来调节波长选择时间或所述声光可调滤光片的超声强度。

9.根据7或8所述的非线性拉曼光谱设备，其中：

通过使用所述声光可调滤光片，执行对应于多个分子振动光谱的波长选择，从而测量相干反斯托克斯拉曼散射光谱强度，并且执行相对于参考光谱强度的量比的测量和成像之一。

10.一种显微光谱设备，包括根据1至9任一项所述的非线性拉曼光谱设备。

11.一种显微光谱成像设备，包括根据1至9中任一项所述的非线性拉曼光谱设备。

本发明包含的主题涉及于2011年5月13日向日本专利局提交的日本在先专利申请JP 2011-108324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设备，包括：

两个光源，每个所述光源都被配置为发射短脉冲激光；以及

脉冲控制部，被配置为对从所述光源中的一个发射的所述短脉冲激光进行时间延迟。

2.根据权利要求1所述的非线性拉曼光谱设备，其中：

所述两个光源包括：第一光源，被配置为产生短脉冲激光；以及第二光源，被配置为产生波长长于所述第一光源产生的短脉冲激光的波长的短脉冲光激光，以及

所述脉冲控制部对从所述第二光源发射的短脉冲激光进行时间延迟。

3.根据权利要求2所述的非线性拉曼光谱设备，其中：

从所述第一光源发射的短脉冲激光包括斯托克斯光束，来自所述第二光源的光是泵浦/探测光束，以及

通过所述脉冲控制部对从所述第二光源发射的短脉冲激光进行时间延迟，所述斯托克斯光束和所述泵浦/探测光束同时照射作为测量目标的样本。

4.根据权利要求3所述的非线性拉曼光谱设备，还包括：

单模光纤，被配置为从所述第一光源发射的短脉冲激光中产生为连续白光的所述斯托克斯光束。

5.根据权利要求2所述的非线性拉曼光谱设备，其中：

所述脉冲控制部通过电控制所述第二光源来对所述短脉冲激光进行时间延迟。

6.根据权利要求5所述的非线性拉曼光谱设备，还包括：

检测部，被配置为将所述斯托克斯光束和所述泵浦/探测光束复合并且检测所述斯托克斯光束和所述泵浦/探测光束之间的时间差，其中

所述检测部的检测结果反馈至所述脉冲控制部。

7.根据权利要求4所述的非线性拉曼光谱设备，其中：

声光可调滤光片设置在所述单模光纤之后的后续级。

8.根据权利要求7所述的非线性拉曼光谱设备，其中：

根据所述斯托克斯光束的强度分布来调节波长选择时间或所述声光可调滤光片的超声强度。

9.根据权利要求7所述的非线性拉曼光谱设备，其中：

通过使用所述声光可调滤光片，执行对应于多个分子振动光谱的波长选择，从而测量相干反斯托克斯拉曼散射光谱强度，并且执行相对于参考光谱强度的量比的测量和成像之一。

10.根据权利要求4所述的非线性拉曼光谱设备，进一步包括：

长通滤波片，设置在所述单模光纤的出射侧。

11.一种显微光谱设备，包括根据权利要求1所述的非线性拉曼光谱设备。

12.一种显微光谱成像设备，包括根据权利要求1所述的非线性拉曼光谱设备。

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