CN103344623A - 一种提高精度的相干反斯托克斯拉曼散射光梳光谱探测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种提高精度的相干反斯托克斯拉曼散射（CARS）光梳光谱探测方法，该方法采用两台飞秒光梳发生器作为CARS系统的泵浦-探测光源和斯托克斯光源，经过CARS光谱测量系统后，产生的反斯托克斯信号光与参考光梳进行拍频和双光梳光外差探测；并且在探测部分采用偏振相关平衡探测技术，消除泵浦光引入的干扰，从而实现高灵敏度、高频率分辨精度、快速、实时的CARS光谱探测。本发明有效提高光谱测量的分辨精度，能在宽光谱范围内实现高精度的光梳成像；可有效抑制环境噪声；能够消除泵浦光引入的非共振背景噪声；可提高时间、频率分辨精度，能实现快速、实时的光谱检测。

Description

一种提高精度的相干反斯托克斯拉曼散射光梳光谱探测方法

技术领域

本发明属于激光光谱技术领域，具体涉及一种新型的利用飞秒光学频率梳实现高精度相干反斯托克斯拉曼散射光梳光谱探测的方法。

背景技术

相干反斯托克斯拉曼散射（Coherent Anti-Stokes Raman Scattering, CARS）过程一直以来都被作为一种具有高灵敏度、高光谱分辨率的光谱探测方法，应用于物理、化学、材料科学、医药学、生物学以及生命科学等众多的研究领域中。通过对CARS光谱的研究，人们可以获得更多定性与定量的关于物质组成信息，如原子、分子等的能级结构、电子的组态、分子的几何形状、反应动力学等多方面物质结构的知识。与现有的其它显微成像技术相比，CARS光谱探测技术具有信号强度高，方向性好，灵敏度和探测效率高的优势。

然而，对于传统的CARS光谱技术，非共振背景噪声的存在严重影响CARS系统的探测灵敏度和光谱选择性，已成为其实用化的瓶颈。现有的抑制非共振背景噪声的方案，包括偏振探测、时间分辨探测、相位控制和整形。偏振探测方案要求光源为线偏振态，并且精密控制泵浦光和斯托克斯光的偏振夹角；时间分辨探测采用超短脉冲激光作为激发光，在泵浦光、探测光和斯托克斯光之间引入时间延迟来消除噪声，其精度依赖于激光的带宽和光谱的线宽；相位控制和整形的方法采用空间光调制器，在不同光谱成分间引入相位失配来抑制背景噪声，但其光谱分辨率受激光光谱带宽内空间调制器分辨率的限制。

除此之外，至今发展的超分辨光学成像技术无法实现宽频谱且高精度的光谱探测和光谱成像，极大地限制了现有技术在细胞分子原位识别、细胞分子图谱表征的重大基础问题方面的应用；在高端装备制造工业应用等领域，同时需要实现大视场的非接触式检测和空间高分辨率的测量，通常大视场光学成像的空间分辨率低，而显微光学成像的观测视场小，在现有的技术框架下，两者无法统一；为获得高精度的测量和高灵敏度的痕量分析，通常需要凭借对信号长时间的时间积分来实现，无法获得快速、实时的测量结果；现有的光谱成像分析设备的测量精度取决于光谱仪的分辨精度，需要采用复杂、昂贵的光谱测量设备，导致光谱成像分析仪的复杂度和成本大大提高。

综上所述，目前的CARS光谱测量与检测技术仍存在不足。

发明内容

本发明的目的是针对上述现有技术的不足之处，提供一种提高精度的相干反斯托克斯拉曼散射光梳光谱探测方法，该方法利用光学频率梳作为光谱测量系统的光源，有效改进了传统的相干反斯托克斯光谱测量系统，并结合双光梳光外差技术实现了一种快速、高精度、高灵敏度的相干反斯托克斯拉曼散射（CARS）光谱检测方法。

实现本发明目的的具体技术方案是：

一种提高精度的相干反斯托克斯拉曼散射光梳光谱探测方法，其特点在于采用两台飞秒光梳发生器作为CARS系统的泵浦-探测光源和斯托克斯（Stokes）光源，有效提高光谱测量的光谱分辨精度；经过CARS光谱测量系统后，产生的反斯托克斯信号光与参考光梳进行拍频和双光梳光外差探测；并且在探测部分采用偏振相关平衡探测技术，消除泵浦光引入的干扰，从而实现高灵敏度、高频率分辨精度、快速、实时的CARS光梳光谱探测；其中：

所述的飞秒光梳发生器是指脉冲载波包络相位和脉冲重复频率稳定的锁模激光器。

所述的相干反斯托克斯拉曼散射光谱测量是指利用两束及以上的激光，分别用作泵浦光ω₁，探测光ω₂（ω₂可以等于ω₁），斯托克斯光ω₃（通常ω₃<ω₁=ω₂）；三束光同时经过待测物体，在相干拉曼效应作用下，产生第四束光即反斯托克斯信号光ω₄=ω₁+ω₂-ω₃或ω₄=2ω₁-ω₃，其中信号光携带了物质振动能级的分布信息，可以用于标定物质的振动能级光谱，即实现对物质CARS光谱的测量。

所述的双光梳光外差探测是指在信号光ω₄的重复频率为f_r，载波包络相位零频为f₀的情况下，选择一束参考光ω₅，其重复频率为f_r+∆f，载波包络相位零频为f_0’；两束光空间重合后射入一个光电探测器，并产生两者的拍频信号，经过低频滤波后得到中心频率为f_B=|ω₅-ω₄|的电路信号。由于采用的光源均为光梳，所以信号光和参考光可以分别表示成ω₄=∑n·fr+f₀，ω₅=∑m·(f_r+∆f)+f_0’，其中n, m为正整数1，2，3，…；所以两者的拍频信号为一系列离散的单频信号的叠加，即f_B=∑x·∆f+(f₀- f_0’)，x为|n-m|=1，2，3，…。如此，原先分布在光频的光谱信号，转变成在射频波段的射频谱信号，并可以通过目前成熟的射频测量装置进行测量。

所述的偏振相关平衡探测技术是指将两束光分别射入两个工作性能相似的光电探测器，并分别将彼此输出的电信号接入一个差分放大器的“正负”两端，其中一路光信号携带了物质光谱信息，另一束则为不含光谱信息，仅作为背景信号存在，如此即可以在差分器的作用下消除了探测过程中背景噪声和干扰信号的影响。

本发明的优点是：

⑴、CARS系统的光源采用飞秒光梳发生器，有效提高光谱测量的分辨精度，能在宽光谱范围内实现高精度的光梳成像；

⑵、采用拍频和光外差的方法，探测CARS系统产生的反斯托克斯信号光，有效抑制环境噪声；

⑶、在探测部分采用偏振相关平衡技术，消除泵浦光引入的非共振背景噪声；

⑷、采用飞秒光梳发生器，提高了时间、频率分辨精度，能实现快速、实时的光谱检测。

附图说明

图1为实施本发明的装置结构示意图；

图2为本发明CARS光梳光谱测量和双光梳外差探测的原理图；

图3、图4为本发明实施例的装置结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图通过实施例对本发明特征及其它相关特征作进一步详细说明，以便于同行业技术人员的理解：

参阅图1，本发明的实施过程描述如下：

首先，对泵浦（探测）光梳和斯托克斯（Stokes）光梳进行同步控制，即使泵浦（探测）光梳和斯托克斯光梳具有相同的脉冲重复频率。具体可以采用锁相环技术，即分别用探测器测量泵浦（探测）光梳和斯托克斯光梳的脉冲信号，获得光梳的重复频率信息f_r1和f_r2，将这两个信号分别与一个标准的射频信号发射器信号f_r0进行混频比较，获得彼此的误差信号E₁= f_r1-f_r0和E₂=f_r2-f_r0，再将误差信号放大后驱动激光器腔内的压电陶瓷，从而做到实时控制腔长，继而调整激光器的重复频率，使得误差信号为零或为最小值。

之后，斯托克斯光梳脉冲先经过频谱展宽、滤波模块，再经过脉冲压缩模块，最后通过一个时间延时控制器和一个双色镜后与泵浦（探测）光梳脉冲时间和空间重合，并进入CARS光谱探测系统。

然后，在CARS光谱探测系统中，泵浦（探测）光梳和斯托克斯光梳脉冲与物质作用后产生反斯托克斯信号光。

参考光梳先经过频谱展宽、滤波模块，再经过脉冲压缩模块，最后与反斯托克斯信号光在一个分束片上空间重合，并进入平衡探测系统，进行超灵敏光谱检测。

实现本发明的原理过程如图2所示：

CARS光谱测量的原理是泵浦光ω₁将物体从基态激发至一个虚能态，再由斯托克斯光ω₃将物质从虚能态受激辐射至振动态；同时，探测光ω₂（ω₂可以等于ω₁）将物质再次激发至另一个虚能态，当物质从该虚能态回到基态时产生反斯托克斯信号光ω₄=ω₁+ω₂-ω₃或ω₄=2ω₁-ω₃。通过探测反斯托克斯信号光（CARS）的光谱情况，便可以获得物质振动能级的分布信息，从而实现对物质成分的标定。

双光梳光外差探测的工作原理是在信号光ω₄的重复频率为f_r，载波包络相位零频为f₀的情况下，选择一束参考光ω₅，其重复频率为f_r+∆f，载波包络相位零频为f_0’；两束光空间重合后射入一个光电探测器，并产生两者的拍频信号，经过低频滤波后得到中心频率为f_B=|ω₅-ω₄|的电路信号。由于采用的光源均为光梳，所以信号光和参考光可以分别表示成ω₄=∑n·fr+f₀，ω₅=∑m·(fr+∆f)+f_0’，其中n，m为正整数1，2，3，…；所以两者的拍频信号为一系列离散的单频信号的叠加，即f_B=∑x·∆f+(f₀- f_0’)，x为|n-m|=1，2，3，…。如此，原先分布在光频的光谱信号，转变成在射频波段的射频谱信号，并可以通过目前成熟的射频测量装置进行测量。

下面将通过实施例1和实施例2分别对上述过程进行详细描述：

实施例 1

图3为本实施例装置的结构图，其具体实施过程如下：

1、光源

（1）探测光源和泵浦光源采用同一台掺镱光纤光梳，其重复频率f_r1，载波包络相位零频f₀₁，输出脉冲宽度在皮秒量级，中心波长1030nm，谱宽30～50nm。

（2）斯托克斯光源采用掺铒光纤光梳，其重复频率f_r2=f_r1，载波包络相位零频f₀₂=f₀₁，输出脉冲宽度在皮秒量级，中心波长1550nm，谱宽30～50nm。

（3）参考光梳采用一台掺镱光纤光梳其重复频率f_r3，载波包络相位零频f₀₁，输出脉冲宽度在皮秒量级；该激光器输出光经过一段2cm长的光子晶体光纤进行光谱展宽，使得其光谱范围能够覆盖CARS信号光谱范围，再经过滤波，选择探测所需的参考光梳光谱范围，由于经过光子晶体光纤后，脉冲时域宽度会展宽，再将脉冲入射到光栅对或者棱镜对构成的脉冲压缩模块，保证脉冲宽度仍在皮秒量级。

2、CARS光谱测量的实现

斯托克斯光（掺铒光梳）经过一个双色镜（1030nm增透，1550nm高反）与探测-泵浦光（掺镱光梳）空间重合，并通过一个显微物镜（60×）聚焦于样品，其产生的反斯托克斯信号光通过另一显微物镜（60×）进行收集。斯托克斯光路中放置了一个用于调节延时的反射镜，通过沿光路方向改变镜子的位置可以调节斯托克斯光脉冲和探测-泵浦光脉冲的相对时间重叠情况。

3、偏振相关平衡探测的实现

相干反斯托克斯过程可以改变CARS信号光的偏振态，使其从原先的偏振态P1转变为P2，而背景光的偏振态仍然为P1；此时在信号输出端放置一个1/2波片和一个偏振分束器，调节波片，使得偏振态为P2信号光通过分束器，偏振态为P1的背景光则被分束器反射；同时采用两个性能相似的探测器对分束器两输出端进行探测，并送入差分比较放大器，这样放大器输出的信号就是除去背景光的CARS光谱信号。

4、双光梳光外差探测的实现

参考光通过一个半透半反镜与CARS信号光重合，经过偏振片和分束片后在探测器上实现拍频，该拍频信号即可反映CARS信号的光谱信息。

实施例 2

图4为本实施例装置的结构图，其具体实施过程如下：

1、光源

（1）探测光源和泵浦光源采用被双色镜（1030nm增透，其他波长光高反）透射的光，其重复频率f_r1，载波包络相位零频f₀₁，输出脉冲宽度在皮秒量级，中心波长1030nm，谱宽30～50nm。

（2）斯托克斯光源采用被双色镜（1030nm增透，其他波长光高反）反射的超连续光，其重复频率f_r2=f_r1，载波包络相位零频f₀₂=f₀₁，经过滤波，选择所需的光谱范围，再将脉冲入射到光栅对或者棱镜对构成的脉冲压缩模块，保证脉冲宽度仍在皮秒量级，同时具备窄光谱和高能量的特点。

（3）参考光梳采用一台掺镱光纤光梳，其重复频率f_r3，载波包络相位零频f₀₁，输出脉冲宽度在皮秒量级；该激光器输出光经过一段2cm长的光子晶体光纤进行光谱展宽，使得其光谱范围能够覆盖CARS信号光谱范围，再经过滤波，选择探测所需的参考光梳光谱范围，由于经过光子晶体光纤后，脉冲时域宽度会展宽，再将脉冲入射到光栅对或者棱镜对构成的脉冲压缩模块，保证脉冲宽度仍在皮秒量级。

2、CARS光谱测量的实现

斯托克斯光（掺铒光梳）经过一个双色镜（1030nm增透，其他波长光高反）与探测-泵浦光（掺镱光梳）空间重合，并通过一个显微物镜（60×）聚焦于样品，其产生的反斯托克斯信号光通过另一显微物镜（60×）进行收集。斯托克斯光路中放置了一个用于调节延时的反射镜，通过沿光路方向改变镜子的位置可以调节斯托克斯光脉冲和探测-泵浦光脉冲的相对时间重叠情况。

3、偏振相关平衡探测的实现

相干反斯托克斯过程可以改变CARS信号光的偏振态，使其从原先的偏振态P1转变为P2，而背景光的偏振态仍然为P1；此时在信号输出端放置一个1/2波片和一个偏振分束器，调节波片，使得偏振态为P2信号光通过分束器，偏振态为P1的背景光则被分束器反射；同时采用两个性能相似的探测器对分束器两输出端进行探测，并送入差分比较放大器，这样放大器输出的信号就是除去背景光的CARS光谱信号。

4、双光梳光外差探测的实现

参考光通过一个半透半反镜与CARS信号光重合，经过偏振片和分束片后在探测器上实现拍频，该拍频信号即可以反映CARS信号的光谱信息。

Claims (1)

1.一种提高精度的相干反斯托克斯拉曼散射光梳光谱探测方法，其特征在于该方法采用两台飞秒光梳发生器作为相干反斯托克斯拉曼散射系统的泵浦-探测光源和斯托克斯光源，经过相干反斯托克斯拉曼散射光谱测量后，产生的反斯托克斯信号光与参考光梳进行拍频和双光梳光外差探测；并且在探测部分采用偏振相关平衡探测技术，实现快速、实时的相干反斯托克斯拉曼散射光梳光谱探测；其中：

所述的飞秒光梳发生器是指脉冲载波包络相位和脉冲重复频率稳定的锁模激光器；

所述的相干反斯托克斯拉曼散射光谱测量是指利用两束及以上的激光，分别用作泵浦光ω₁，探测光ω₂（ω₂或等于ω₁），斯托克斯光ω₃，ω₃<ω₁=ω₂；三束光同时经过待测物体，在相干拉曼效应作用下，产生第四束光即反斯托克斯信号光ω₄=ω₁+ω₂-ω₃或ω₄=2ω₁-ω₃，其中信号光携带了物质振动能级的分布信息，能够用于标定物质的振动能级光谱，即实现对物质相干反斯托克斯拉曼散射光谱的测量；

所述的双光梳光外差探测是指在信号光ω₄的重复频率为f_r，载波包络相位零频为f₀的情况下，选择一束参考光ω₅，其重复频率为f_r+∆f，载波包络相位零频为f_{0 ’}；两束光空间重合后射入一个光电探测器，并产生两者的拍频信号，经过低频滤波后得到中心频率为f_B=|ω₅-ω₄|的电路信号；由于采用的光源均为光梳，所以反斯托克斯信号光和参考光分别表示成ω₄=∑n·fr+f₀，ω₅=∑m·(f_r+∆f)+f_{0 ’}，其中n, m为正整数1，2，3，…；ω_{4 、}ω₅的拍频信号为一系列离散的单频信号的叠加，即f_B=∑x·∆f+(f₀- f_{0 ’})，x为|n-m|=1，2，3，…；如此，原先分布在光频的光谱信号，转变成在射频波段的射频谱信号，并通过成熟的射频测量装置进行测量；

所述的偏振相关平衡探测技术是指将两束光分别射入两个工作性能相似的光电探测器，并分别将彼此输出的电信号接入一个差分放大器的“正负”两端，其中一路光信号携带了物质光谱信息，另一束则为不含光谱信息，仅作为背景信号存在，如此即可在差分器的作用下消除探测过程中背景噪声和干扰信号的影响。

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