CN108489959B - 一种相干反斯托克斯拉曼光谱扫描装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种相干反斯托克斯拉曼光谱光谱扫描装置和方法。所述相干反斯托克斯拉曼光谱扫描装置包括第一激光部件、第二激光部件、光路部件、接收部件，照射在所述样品产生的反斯托克斯光束经过所述聚焦目镜后，与所述同步参考信号光电探测器产生的同步参考信号利用所述数字锁相放大技术做解调，获得各个波长的光强测量信息。本发明提供的相干反斯托克斯拉曼光谱光谱扫描装置和方法采用二极管探测器阵列作为光谱探测手段，由于二极管探测器阵列的输出并行高速的特点，可以更加精密的实现对各个波长的测量，具有极高的测量精确性、数据实时性。

Description

一种相干反斯托克斯拉曼光谱扫描装置和方法

技术领域

本发明涉及光谱测量和信号处理领域，具体公开了一种相干反斯托克斯拉曼光谱扫描装置和方法。

背景技术

相干反斯托克斯拉曼光谱是飞秒科学研究中一种重要的非线性光谱技术，利用飞秒激光脉冲作为泵浦光和斯托克斯光共同作用激发分子的拉曼振动模，并通过时间延迟探测光探测被激发的分子拉曼振动模的时间演化，最终获得被测分子的相干反斯托克斯拉曼光谱信号。实验中探测得到的相干反斯托克斯拉曼光谱信号不但能够反映物质微观的分子超快动力学过程，而且可以反映分子的宏观温度信息。因此，相干反斯托克斯拉曼光谱技术可以作为特定材料的检测手段。

相对于一般的拉曼散射光谱探测技术，相干反斯托克斯拉曼光谱具如下优点：1、相干反斯托克斯拉曼光谱是一种相干过程，这样就会使探测光谱的灵敏度大大提高；2、相干反斯托克斯拉曼光谱是三阶非线性过程，需要在满足相位匹配条件的方向上才能产生足够强相干反斯托克斯拉曼光谱信号，这就使得相干反斯托克斯拉曼光谱信号具有极强的方向性，信号强度高，信噪比高，灵敏度高；3，无非共振背景干扰，不存在光谱失真现象。

但是，相干反斯托克斯拉曼光谱获得被测分子的光谱信号相对于泵浦强度十分的微弱(<〖10〗^(-4))。检测这样一个微弱的信号是一个巨大的挑战，现有的采集方法是使用锁相放大技术与电荷耦合器件或光电二极管对散射光谱做探测。然而如果观察时间不够并且激光强度波动，泵浦激光的光子散粒噪声通常大于感兴趣的相干反斯托克斯拉曼光谱信号，这就需要使用其它的方法对泵浦信号做一定的处理。此外，现有的相干反斯托克斯拉曼光谱成像系统的每单次扫描只能使用一个通道对拉曼振动频率进行成像，这也是目前相干反斯托克斯拉曼光谱成像系统的一个不足之处。

另外一方面，在飞秒激光光谱、拉曼光谱和荧光光谱测量等领域的研究中，需要利用光学多通道同步测量技术得到光谱分布信息。在信号光极其微弱的情况下，信号往往被淹没在背景噪声中，常用的光谱探测器件采用电荷耦合器件(Charge-Coupled Device，简称CCD)和光谱分析仪(Optical Spectrum Analyzer，简称OSA)进行长时间积分测量，不仅响应速度慢，也难以获得令人满意的信噪比。在非共线光参量放大飞秒时间分辨荧光光谱测量中，CCD和OSA还有不能抑制超荧光强干扰的弱点。锁相放大技术具有极高的噪声抑制能力，但常用的锁相放大器只能检测单一通道的信号，与之配合使用的只能是光栅扫描式单色仪，这种波长扫描测量方式需要较长的测量时间周期，在许多光谱测量中不适用。比如，在飞秒瞬态吸收光谱测量中，一个单波长的动力学测量时间通常需要几分钟，要获得一个光谱频段的扫描光谱需要几小时，这在实际的动力学测量实验中是不可行的。此外，由于CCD是内部线列式的传感器，探测的数据均以串行方法输出，对于数据实时性较高的测量中，其数据速度就不如光电二极管阵列。因此，在一些要求高精度、同步性要求较高的光谱测量中会更多的使用光电二极管阵列作为光电探测器。

锁相放大技术是进行微弱信号检测的有效技术，微弱信号常淹没在各种噪声中，锁相放大技术可以将微弱信号从噪声中提取出来并对其进行准确测量。锁相放大技术是基于相干方法的微弱信号检测手段，其核心是相敏检测技术，利用与待测信号有相同频率和固定相位关系的参考信号作为基准，滤掉与其频率不同的噪声，从而提取出有用信号成分。因而广泛应用于光学测量、超声测量、弱磁测量等领域。目前市场上大部分利用锁相放大技术的锁相放大器，大都是单通道与双通道的产品为主，而在许多光谱测量中可能会涉及数十到数百甚至上千个通道测量。目前大部分光谱测量方案是采用CCD与单一通道复用的方式做光谱测量，虽然解决了通道数量的问题，但对于响应速度要求极高的测量中，数据的实时性不好。因此，对于多通道锁相放大的小型化、模块化在许多应用中都有极强的应用前景。

发明内容

本发明的目的在于提供一种相干反斯托克斯拉曼光谱光谱扫描装置和方法，旨在改善现有的相干反斯托克斯拉曼光谱光谱法存在各波长扫描速度慢的问题。

为此，本发明提供了一种相干反斯托克斯拉曼光谱扫描装置，包括：

第一激光部件，用于产生泵浦脉冲光束和探测脉冲光束，所述第一激光部件包括第一飞秒激光器、第一分束片、第一光学延迟装置和激光调整装置，所述第一飞秒激光器产生的脉冲激光经所述第一分束片后分出两束激光，其中一束激光依次经所述激光调整装置射出形成泵浦脉冲光束；另外一束激光依次经所述第一光学延迟装置射出形成探测脉冲光束；

第二激光部件，用于产生斯托克斯光束，包括第二飞秒激光器、第二光学延迟装置、电光调制装置，所述第二飞秒激光器产生的脉冲激光依次经过所述第二光学延迟装置、电光调制装置，形成调制后的斯托克斯光束；

光路部件，包括第一二向色镜、第二二向色镜、聚焦物镜，所述探测脉冲光束和所述斯托克斯光束经所述第一二向色片后和所述泵浦脉冲光束通过所述第二二向色片经所述聚焦物镜进行聚焦后照射于一样品，其中，所述泵浦脉冲光束还经所述第二二向色片分出另外一束入射一同步参考信号探测器形成用于测量的同步参考信号；

接收部件，包括聚焦目镜、衍射光栅、光电探测器和二极管探测器阵列、光电转换装置、多通道数字锁相放大器，照射在所述样品产生的反斯托克斯光束经过所述聚焦目镜后，汇聚入射于所述衍射光栅形成衍射光束，所述衍射光束按照波长依次分布于所述光电二极管探测器阵列，所述光电转换装置调整从所述光电二极管输入的信号后向所述多通道数字锁相放大器输入信号，与所述同步参考信号光电探测器产生的同步参考信号利用所述数字锁相放大技术做解调，获得各个波长的光强测量信息。

优选地，所述第一激光部件还包括第一反射镜和第二反射镜，从所述第一光学延迟装置射出的所述探测脉冲光束经第一反射镜射出；从所述激光调整装置射出的所述泵浦脉冲光束经所述第二反射镜射出。

优选地，所述第二激光部件还包括第三反射镜、第四反射镜和第五反射镜，所述第二飞秒激光器产生的脉冲激光依次经过所述第三反射镜、第二光学延迟装置、第四反射镜、电光调制装置和第五反射镜，形成调制后的斯托克斯光束。

优选地，还包括存储器，所述存储器与所述多通道数字锁相放大器连接，所述多通道数字锁相放大器解调后获得各个波长的光强测量数据并将各组所述光强测量数据写入所述存储器。

优选地，所述电光调制装置调节所述泵浦脉冲光束的延时间隔，在时域上形成脉冲包络为周期可控的、幅度波形可变的脉冲波形，所述电光调制装置调节调制所述泵浦脉冲光束的波形为频率、占空比可调的方波、正弦波、三角波中的一种。

一种相干反斯托克斯拉曼光谱扫描方法，包括：

将泵浦脉冲光束、探测脉冲光束和斯托克斯光束聚焦于样本产生的反斯托克斯光束经衍射光栅形成衍射光束；

所述衍射光束按照波长依次分布于光电二极管探测器阵列，每组光电探测器作为独立通道检测对应位置波长光强，形成多组电信号；

通过多通道数字锁相放大器利用所述电信号与根据所述泵浦脉冲光束获取的同步参考信号解调获得各组电信号对应的光强测量信息。

优选地，在所述光电二极管探测器阵列生成电信号之后，还包括：

所述电信号经过多路输入的光电转换装置的信号调整后的信号作为所述多通道数字锁相放大器的输入信号。

优选地，所述泵浦脉冲光束通过第一飞秒激光器产生的脉冲激光通过激光调整装置形成，所述探测脉冲光束通过所述脉冲激光入射至第一光学延迟装置形成。

优选地，根据所述泵浦脉冲光束获取的同步参考信号包括：

选取所述泵浦脉冲光束对应的脉冲的幅值的一半作为该次脉冲的幅值记录的触发信号以记录所述脉冲的幅值和时间信息，其中，记录的时间不超过标称飞秒激光器的脉冲宽度；

采用滞回比较的方法设定触发记录的脉冲幅值为脉冲全高的45％～55％；

使用所述多通道数字锁相放大器对记录脉冲信号的最大值进行相位检测，锁定相位后产生时域上与待测脉冲信号重复频率高度一致的同步参考信号。

优选地，通过多通道数字锁相放大器利用所述电信号与所述泵浦脉冲光束对应的同步参考信号解调获得各个波长的光强测量信息的步骤包括：

通过锁相环锁定斩波控制器提供的同步触发信号的相位，以及，

根据参考信号检测器检测的同步参考信号产生与像素信号进行相敏检测的正弦信号，从而对所述光电二极管阵列的光强进行锁定放大。

与现有技术相比，本发明提供的相干反斯托克斯拉曼光谱光谱扫描装置和方法采用二极管探测器阵列作为光谱探测手段，由于二极管探测器阵列的输出并行高速的特点，可以更加精密的实现对各个波长的测量，具有极高的测量精确性、数据实时性。

此外，由于调制相干反斯托克斯拉曼光谱中的斯托克斯光并且采用了多通道锁相放大技术作为解调方法，可以利用与被测样品的响应信号具有频率和相位相关性关系的同步参考信号作为基准，滤掉与各个通道频率不同的噪声，从而提取出有用信号成分，可以有效地去除一般相干反斯托克斯拉曼光谱光谱检测技术中微弱的被测信号的固有的激光噪声和随机噪声，具有较高的信噪比，实现准确测量。

附图说明

图1是本发明所述一种快速相干反斯托克斯拉曼光谱光谱扫描装置的一实施例的结构示意图。

图2是本发明所述一种快速相干反斯托克斯拉曼光谱光谱扫描装置的一实施例中涉及多通道相干反斯托克斯拉曼光谱测量过程的结构示意图。

图3是本发明所述一种快速相干反斯托克斯拉曼光谱光谱扫描方法的一实施例的流程图。

图4a-4e是本发明所述一种快速相干反斯托克斯拉曼光谱光谱扫描装置的一实施例中同步参考信号和调制的斯托克斯光束的波形示意图。

图5是本发明所述一种快速相干反斯托克斯拉曼光谱光谱扫描装置的一实施例中多通道信号同步检测各个通道待测脉冲信号、高速采样信号、触发记录信号、同步参考信号的时域示意图。

图中：

1：第一飞秒激光器；2：第一半波片；3：第一偏振分束器；4：第一分束片；5：第一光学延迟装置；6：第一反射镜；7：激光调整装置；8：第二反射镜；9：第一二向色镜；10：第二飞秒激光器；11：第二半波片；12：第二偏振分束器；13：第三反射镜；14：第二光学延迟装置；15：第四反射镜；16：电光调制装置；17：第五反射镜；18：第二二向色镜；19：聚焦物镜；20：样品；21：聚焦目镜；22：衍射光栅；23：同步参考信号光电探测器；24：光电二极管探测器阵列；25：光电转换装置；26：多通道数字锁相放大器；27：控制计算机。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明做进一步说明。

图1是本发明所述一种快速相干反斯托克斯拉曼光谱光谱扫描装置的一实施例的结构示意图。如图1所示，该相干反斯托克斯拉曼光谱扫描装置包括第一激光部件、第二激光部件、光路部件和接收部件。第一激光部件用于产生泵浦脉冲光束、探测脉冲光束和探测脉冲光束，第二激光部件用于产生斯托克斯光束，光路部件用于接收泵浦脉冲光束、探测脉冲光束和斯托克斯光束并照射在样品20上。接收部件接收照射在所述样品20产生的反斯托克斯光束，并将光信号转换为电信号后进行信号处理，获得各个波长的光强测量信息。

所述第一激光部件包括第一飞秒激光器1、第一分束片4、第一光学延迟装置5和激光调整装置7。所述第一飞秒激光器1产生的脉冲激光经所述第一分束片4后分出两束激光，其中一束激光依次经所述激光调整装置7射出形成泵浦脉冲光束；另外一束激光依次经所述第一光学延迟装置5射出形成探测脉冲光束。此外，所述第一激光部件还可以包括第一反射镜6和第二反射镜8，从所述第一光学延迟装置5射出的所述探测脉冲光束经第一反射镜6射出；从所述激光调整装置7射出的所述泵浦脉冲光束经所述第二反射镜8射出。所述第一激光器产生的脉冲激光的激光脉冲重复周期为80MHz，脉冲宽度120fs，平均光功率3～10mW，中心波长范围680～1300nm。

所述激光调整装置7包括必要的透镜、非线性光学晶体材料、半波片、偏振片和滤光片，实现将电信号加载到光波上并使得光波的参数按照电信号的规律发生变化，通过在激光器的外部设置调制器，可以根据控制计算机27提供的信号，如相位、频率、振幅。可选用聚合物材料制成的铌酸锂晶体材料作为相位调制器和强度调制器的主要调制材料。可选地，采用ThorLabs公司的产品EO-AM-NR系列产品或EO-PM-NR系列产品作为本装置主要的强度调制器和相位调制器。

所述第二激光部件包括第二飞秒激光器10、第二光学延迟装置14、电光调制装置16。所述第二飞秒激光器10产生的脉冲激光依次经过所述第二光学延迟装置14、电光调制装置16，形成调制后的斯托克斯光束。此外，所述第二激光部件还可以包括第三反射镜13、第四反射镜15和第五反射镜17，所述第二飞秒激光器10产生的脉冲激光依次经过所述第三反射镜13、第二光学延迟装置14、第四反射镜15、电光调制装置16和第五反射镜17，形成调制后的斯托克斯光束。其中，所述第二飞秒激光器10产生的脉冲激光的激光脉冲重复周期为80MHz，脉冲宽度为200fs，平均光功率为5～15mW，中心波长范围为800～1500nm。所述电光调制装置16调节所述泵浦脉冲光束的延时间隔，在时域上形成脉冲包络为周期可控的、幅度波形可变的脉冲波形，所述电光调制装置16调节调制所述泵浦脉冲光束的波形为频率、占空比可调的方波、正弦波、三角波中的一种。

所述光路部件包括第一二向色镜9、第二二向色镜18、聚焦物镜19。所述探测脉冲光束和所述斯托克斯光束经所述第一二向色片后和所述泵浦脉冲光束通过所述第二二向色片经所述聚焦物镜19进行聚焦后照射于一样品20，其中，所述泵浦脉冲光束还经所述第二二向色片分出另外一束入射一同步参考信号探测器形成用于测量的同步参考信号。本实施方式中，选取脉冲半高作为该次脉冲的幅值记录的触发信号，开始记录幅值和时间信息，记录的时间不超过标称飞秒激光器的脉冲宽度；为防止误触发，采用滞回比较的方法设定触发记录的脉冲幅值为脉冲全高的45％～55％；再使用数字锁相环精确地对记录脉冲信号的最大值进行相位检测，锁定相位后产生时域上与待测脉冲信号重复频率高度一致的同步参考信号。

所述接收部件包括聚焦目镜21、衍射光栅22、光电探测器和二极管探测器阵列、光电转换装置25、多通道数字锁相放大器26。照射在所述样品20产生的反斯托克斯光束经过所述聚焦目镜21后，汇聚入射于所述衍射光栅22形成衍射光束，所述衍射光束按照波长依次分布于所述光电二极管探测器阵列24，所述光电转换装置25调整从所述光电二极管输入的信号后向所述多通道数字锁相放大器26输入信号，与所述同步参考信号光电探测器23产生的同步参考信号利用所述数字锁相放大技术做解调，获得各个波长的光强测量信息。

所述的衍射光栅22可以安装在由控制计算机27控制实现机械旋转的光学调整架上，使得衍射光波可根据需要调整衍射位置。

所述的光电二极管探测器阵列24可以使用若干集成8～32单元的硅光电二极管，探测波长范围为320～1500nm。可选地，采用滨松公司(HAMAMATSU)的产品S8558系列产品或S4111系列产品光电二极管阵列作为光敏探测器阵列的阵列元件，可检测光波长范围340～1100nm。

所述光电转换装置25包括多路探测输入跨导放大器25a、多路模数转换器25b。

图2是本发明所述一种快速相干反斯托克斯拉曼光谱光谱扫描装置的一实施例中涉及多通道相干反斯托克斯拉曼光谱测量过程的结构示意图。如图2所示，所述多通道数字锁相放大器26包括多路通道复用器26a、复用相敏检测器26b、通道解复用器26c、高速双倍速率同步动态随机存储器(Double Data Rate SDRAM，简称DDR SDRAM)26d、参考信号检测器26e、锁相环27f。使用通道复用模块26a对多路输入的光电转换装置25转换后输出的各个波长的数据信号进行时分复用工作，并通过复用相敏检测模块26b对各个通道的数据实现相关算法，结合高速双倍速率同步动态随机存储器26d，在多通道数字锁相放大器26内部能够实现多个数字相敏检测运算单元，从而并行测量多通道光强信号，以便控制计算机27进行控制和读取。可选地，使用FPGA实现各个模块与信号连接，可以实时同步地输出测量的光电二极管阵列数据。

进一步，所述的相干反斯托克斯拉曼光谱扫描装置还包括存储器，所述存储器与所述多通道数字锁相放大器26连接，所述多通道数字锁相放大器26解调后获得各个波长的光强测量数据并将各组所述光强测量数据写入所述存储器。

为了进一步阐述本发明的精神和实质，以下描述一种应用上述实施方式提供的快速相干反斯托克斯拉曼光谱光谱扫描装置的一种相干反斯托克斯拉曼光谱扫描方法。图3是本发明所述一种快速相干反斯托克斯拉曼光谱光谱扫描方法的一实施例的流程图。如图3所示，所述相干反斯托克斯拉曼光谱扫描方法包括步骤S301～306。

步骤S301：第一飞秒激光器1、第二飞秒激光器10产生高频率高重复度的脉冲激光信号，分别经过第一半波片2与第一偏振分束器3、第二半波片11与第二偏振分束器12，产生偏振方向一致的激光信号。

步骤S302：第一半波片2与第一偏振分束器3的输出信号由第一分束片4分成两路激光，其中一路经过激光调整装置7，形成调制后的脉冲光束。调制后的脉冲光束，依次经过第二反射镜8与第一二向色镜9后分成两路光束，一束为系统泵浦脉冲光束入射19，另外一束入射同步参考信号探测器，形成用于测量的同步参考信号。第一分束片4输出的另外一路经过第一光学延迟装置5、第一反射镜6后，形成系统的探测脉冲光束。泵浦探测光路中放置的第一光学延迟装置5，通过沿光路方向改变镜子的位置可以调节泵浦光脉冲和探测光脉冲的相对时间。

步骤S303：第二半波片11与第二偏振分束器12的输出信号经过第三反射镜13、第二光学延迟装置14、第四反射镜15、电光调制装置16、第五反射镜17、第二二向色镜18后形成调制的斯托克斯光束。斯托克斯光路中放置的第二光学延迟装置14，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泵浦探测光脉冲的相对时间重叠情况。其中，所述的输出的调制的斯托克斯光束，与泵浦脉冲光束有一定时间间隔并且延时间隔可控的，通过电光调制装置16作用在时域上形成周期可控的、幅度波形可调的脉冲光束。参阅图4a～4e，图4a中所示为参考同步脉冲的示意图；图4b、图4c所示为调制后的斯托克斯脉冲的两种调制示意图。图4d、图4e所示为探测器响应示意图。斯托克斯脉冲通过合适的电光调制后，调制形成如图4b或图4c的波形，再与泵浦脉冲光束、探测脉冲光束作用，最终在探测器上形成强度变化的响应结果。

步骤S304：将泵浦脉冲光束、探测脉冲光束和斯托克斯光束由聚焦物镜19进行聚焦后，照射在同一样品20上，产生的反斯托克斯光束经过聚焦目镜21后，汇聚入射衍射光栅22，经过衍射光栅22形成的衍射光束；

步骤S305：所述衍射光束按照波长依次分布于光电二极管探测器阵列24，每组光电探测器作为独立通道检测对应位置波长光强，形成多组电信号；

步骤S306：多组电信号再经过多路输入的光电转换装置25的信号调整后作为多通道数字锁相放大器26的输入信号，与同步参考信号光电探测器23产生的同步参考信号利用数字锁相放大技术做解调，获得各个波长的光强测量信息并将各组数据写入高速存储器存储，以便控制计算机27进行控制和读取，最终完成多通道相干反斯托克斯拉曼光谱测量过程。

本步骤中，所述的数字锁相放大技术，包括相敏检测技术和锁相环等技术。其中，锁相环用于锁定斩波控制器提供的同步触发信号的相位，以保证数字相敏检测运算单元实现同步采样。数字相敏检测技术根据参考信号检测器检测的同步触发信号，产生与像素信号进行相敏检测的正弦信号，从而对光电二极管阵列的光强进行锁定放大，能够大大提高测量信噪比。

本步骤中，需要数字锁相放大器26根据同步参考信号光电探测器23产生的同步参考信号做解调。示例性地，下面详细阐述同步参考信号的获取方法。

脉冲激光近百兆的频率下，如果实时对脉冲激光的信号做检测，数据量非常大并且大部分检测数据均为冗余信号，不利于后续的数据处理。并且，对高速的脉冲信号检测而言，各个通道的信号采集也是一个严重的问题，各个通道的不同步会对后续数据分析造成困难。

一种可行的方法是即在测量过程中，理想情况下模数转换器对每个通道采样捕捉脉冲激光信号最大值点作为触发采集的时刻，就可以保证每次采样相位点同相位。但由于脉冲激光频率信号并非完全恒定不变的，并且每过一个器件都存在几纳秒的传输延时，因此采样点难与频率探测器输出的近脉冲最大值同步匹配，这就造成了采样相位偏移。另一方面，脉冲激光的幅度也并非完全恒定不变的，这会导致待测脉冲的幅度的判断不准确。参阅图5，待测脉冲信号经过一定的幅度调整后，幅度周期变化，信号上的每个圆点是高速信号采集位置，当采样信号高于脉冲信号时，脉冲宽度相对过小，有效的采样点不足。

因此需要改进这中同步检测的方法，将待测脉冲信号的上升沿作为触发信号，再对超过阈值的采样值作判断，选取脉冲半高作为该次脉冲的幅值记录的触发信号，开始记录幅值和时间信息，记录的时间不超过标称飞秒激光器的脉冲宽度。同时，为了不被脉冲半高的噪声误触发，可以采用滞回比较的方法设定触发记录的脉冲幅值为脉冲全高的45％～55％。再利用数字锁相环精确地对记录脉冲信号的最大值进行相位检测，锁定相位后产生时域上与待测脉冲信号重复频率高度一致的同步参考信号，作为触发各通道检测的信号，提高各个通道采样同步性。

以上是多通道信号同步检测的基本工作原理。可见，信号同步检测不仅降低了采集数据量的大小，并且能够提取有效脉冲信号幅度信息。

此外，本步骤中还需要数字锁相放大器26进行信号调制和相敏检测。示例性的，下面介绍一种信号调制和相敏检测方法。

理想的方波信号的傅里叶级数为：

其中ω为方波信号的频率，n为自然数，即方波信号可视作由1、3、5、……奇次谐波分量组成。

假设待测信号存在噪声，即待测信号为

其中，N(t)是噪声信号，其频谱是功率谱密度在整个频域内均匀分布的噪声。其中频率为ω是待测的有效信号，而其余频率成分的信号是无关的噪声信号。参考信号检测器和锁相环提供一个和被测信号频率ω相同的标准正弦波和余弦波作为参考信号，设这两个参考信号分别为

与

待测信号与参考信号在时域内作乘法，得到：

同理，

乘法器输出S_os(t)与S_oc(t)经过低通滤波器，滤除不相关量与和频量后，保留与被测信号幅值与相位相关的量

与

通过取平方平均和反正切三角变换，可得被测信号基波的幅值与被测信号与参考信号相位差值，即

以上是方波信号的相敏检测的基本工作原理，其它波形的信号也可以作同样的分析。可见，锁相放大技术能够有效抑制其他频率的影响，提取出所需频率的信号，具备非常高的信噪比和动态范围。同时，由于经过调制之后的被测光信号，可以避免直流成分和激光抖动带来的频率成分的影响，可以大大增强装置对微弱光信号的探测能力，提高系统的分辨率。

应该理解，本发明并不局限于上述实施方式，凡是对本发明的各种改动或变型不脱离本发明的精神和范围，倘若这些改动和变型属于本发明的权利要求和等同技术范围之内，则本发明也意味着包含这些改动和变型。

Claims (7)

1.一种相干反斯托克斯拉曼光谱扫描装置，其特征在于，包括：

第一激光部件，用于产生泵浦脉冲光束和探测脉冲光束，所述第一激光部件包括第一飞秒激光器、第一分束片、第一光学延迟装置和激光调整装置，所述第一飞秒激光器产生的脉冲激光经所述第一分束片后分出两束激光，其中一束激光依次经所述激光调整装置射出形成泵浦脉冲光束；另外一束激光依次经所述第一光学延迟装置射出形成探测脉冲光束；

第二激光部件，用于产生斯托克斯光束，包括第二飞秒激光器、第二光学延迟装置、电光调制装置，所述第二飞秒激光器产生的脉冲激光依次经过所述第二光学延迟装置、电光调制装置，形成调制后的斯托克斯光束；

光路部件，包括第一二向色镜、第二二向色镜、聚焦物镜，所述探测脉冲光束和所述斯托克斯光束经所述第一二向色镜后和所述泵浦脉冲光束通过所述第二二向色镜经所述聚焦物镜进行聚焦后照射于一样品，其中，所述泵浦脉冲光束还经所述第二二向色镜分出另外一束入射一同步参考信号光电探测器形成用于测量的同步参考信号；

接收部件，包括聚焦目镜、衍射光栅、同步参考信号光电探测器和光电二极管探测器阵列、光电转换装置、多通道数字锁相放大器，照射在所述样品产生的反斯托克斯光束经过所述聚焦目镜后，汇聚入射于所述衍射光栅形成衍射光束，所述衍射光束按照波长依次分布于所述光电二极管探测器阵列，所述光电转换装置调整从所述光电二极管探测器阵列输入的信号后向所述多通道数字锁相放大器输入信号，与所述同步参考信号光电探测器产生的同步参考信号利用数字锁相放大技术做解调，获得各个波长的光强测量信息；

还包括存储器，所述存储器与所述多通道数字锁相放大器连接，所述多通道数字锁相放大器解调后获得各个波长的光强测量数据并将各组所述光强测量数据写入所述存储器；

采用上述相干反斯托克斯拉曼光谱扫描装置的相干反斯托克斯拉曼光谱扫描方法，包括：

将泵浦脉冲光束、探测脉冲光束和斯托克斯光束聚焦于样本产生的反斯托克斯光束经衍射光栅形成衍射光束；

所述衍射光束按照波长依次分布于光电二极管探测器阵列，每组光电二极管探测器作为独立通道检测对应位置波长光强，形成多组电信号；在所述光电二极管探测器阵列生成电信号之后，还包括：

所述电信号经过多路输入的光电转换装置的信号调整后的信号作为所述多通道数字锁相放大器的输入信号；

通过多通道数字锁相放大器利用所述电信号与根据所述泵浦脉冲光束获取的同步参考信号解调获得各组电信号对应的光强测量信息。

2.如权利要求1所述的相干反斯托克斯拉曼光谱扫描装置，其特征在于：所述第一激光部件还包括第一反射镜和第二反射镜，从所述第一光学延迟装置射出的所述探测脉冲光束经第一反射镜射出；从所述激光调整装置射出的所述泵浦脉冲光束经所述第二反射镜射出。

3.如权利要求2所述的相干反斯托克斯拉曼光谱扫描装置，其特征在于：所述第二激光部件还包括第三反射镜、第四反射镜和第五反射镜，所述第二飞秒激光器产生的脉冲激光依次经过所述第三反射镜、第二光学延迟装置、第四反射镜、电光调制装置和第五反射镜，形成调制后的斯托克斯光束。

4.如权利要求1所述的相干反斯托克斯拉曼光谱扫描装置，其特征在于：所述激光调整装置包括必要的透镜、非线性光学晶体材料、半波片、偏振片和滤光片，实现将电信号加载到光波上并使得光波的参数按照电信号的规律发生变化，通过在激光器的外部设置调制器，根据控制计算机提供的信号，选用聚合物材料制成的铌酸锂晶体材料作为相位调制器和强度调制器的主要调制材料。

5.如权利要求4所述的相干反斯托克斯拉曼光谱扫描装置，其特征在于：所述电光调制装置调节所述泵浦脉冲光束的延时间隔，在时域上形成脉冲包络为周期可控的、幅度波形可变的脉冲波形，所述电光调制装置调节调制所述泵浦脉冲光束的波形为频率、占空比可调的方波、正弦波、三角波中的一种。

6.如权利要求1所述的相干反斯托克斯拉曼光谱扫描装置，其特征在于：所述泵浦脉冲光束通过第一飞秒激光器产生的脉冲激光通过激光调整装置形成，所述探测脉冲光束通过所述脉冲激光入射至第一光学延迟装置形成。

7.如权利要求6所述的相干反斯托克斯拉曼光谱扫描装置，其特征在于：根据所述泵浦脉冲光束获取的同步参考信号包括：

选取所述泵浦脉冲光束对应的脉冲的幅值的一半作为该脉冲的幅值记录的触发信号以记录所述脉冲的幅值和时间信息，其中，记录的时间不超过标称飞秒激光器的脉冲宽度；

采用滞回比较的方法设定触发记录的脉冲幅值为脉冲全高的45％～55％；

使用所述多通道数字锁相放大器对记录脉冲信号的最大值进行相位检测，锁定相位后产生时域上与待测脉冲信号重复频率高度一致的同步参考信号；

通过多通道数字锁相放大器利用所述电信号与所述泵浦脉冲光束对应的同步参考信号解调获得各个波长的光强测量信息的步骤包括：

通过锁相环锁定斩波控制器提供的同步触发信号的相位，以及，

根据参考信号检测器检测的同步参考信号产生与像素信号进行相敏检测的正弦信号，从而对所述光电二极管探测器阵列的光强进行锁定放大。

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