CN109632762B - 一种受激拉曼差分方法及其装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种受激拉曼差分方法：针对同一样品的同一振动或转动能级差，A光与B光匹配时，A光为泵浦光，B光为斯托克斯光；B光与C光匹配时，B光为泵浦光，C光为斯托克斯光。将A光与C光插空调制，当三束光同时打到样品上并与样品的振动或转动能级差共振时，B光在有A光的时间区间中经历受激拉曼增益，B光在有C光的时间区间中经历受激拉曼损失。将B光信号送入锁相放大器，则可得到受激拉曼增益与受激拉曼损失的差值。使得探测信号强度提高0.9～1倍。实现该方法的装置：C光和A光通过交叉调幅器件实现插空调制，之后与B光合束入射到待测样品上，透过样品携带了样品SRS信号的光输入锁相放大器，得到所需受激拉曼差分信号。
Description
技术领域
本发明属于拉曼光谱技术领域，具体涉及受激拉曼光谱领域，为一种受激拉曼差分方法及其装置。
背景技术
光谱探测是实现物质识别、定量分析以及物质成像的重要手段，目前研究的光谱主要有荧光光谱、红外光谱和拉曼光谱。其中拉曼光谱具有无标记、化学特异性以及被水吸收少等优势。
拉曼光谱主要通过拉曼散射来实现。拉曼散射主要有如下三种:自发拉曼散射、表面增强拉曼散射以及相干拉曼散射(Coherent Raman Scattering(CRS))。其中CRS又分为相干反斯托克斯拉曼散射(Coherent Anti-Stokes Raman Scattering(CARS))和受激拉曼散射(Stimulated Raman Scattering(SRS))。
自发拉曼散射本质上是一个比较弱的过程，因此自发拉曼光谱强度比较低，这一直限制了该项技术的推广和应用。而CRS能利用拉曼光谱的上述优势，同时改进自发拉曼光谱信号较弱的劣势。但是其中的CARS方法不足之处在于存在非共振背景、成像伪影以及定量探测困难。而SRS则不存在这些问题，并且由于它的光谱与自发拉曼光谱一致，因此能够利用现有的自发拉曼光谱数据库。
SRS的原理是采用两束满足分子振动或转动共振条件的激光进行共线激发。这样，在引入的第二束光即斯托克斯光的诱导下，SRS过程能够在诸如生物组织的样品中发生。在这个过程中，光和分子发生了能量交换，一个泵浦光子借助分子振动或转动能级的跃迁而转化成为了斯托克斯光子。这样,泵浦光发生了受激拉曼损失(Stimulated Raman Loss,SRL)，导致强度降低，而同时斯托克斯光发生了受激拉曼增益(Stimulated Raman Gain,SRG)，强度升高。在泵浦光将能量转移给斯托克斯光的过程中，同时将一部分能量转移到样品上，使样品的分子振动或转动能级布居发生改变。通过一定的技术手段来检测SRL或者SRG，即可作为成像的对比度来源。
现有的受激拉曼系统都是采用两束光，受限于目前的探测方案，现有的系统都只能探测一束光的SRG或者另一束光的SRL以得到受激拉曼信号。而实际上两束光的信号变化差是SRL或者SRG的两倍。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种受激拉曼差分方法及其装置，引入了第三束激光，以便于得到SRG与SRL的差的信号，本发明称之为受激拉曼差分信号(Stimulated Raman Difference,SRD)。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种受激拉曼差分方法，其特征在于，针对同一样品的同一振动或转动能级差，A光与B光匹配时，A光为泵浦光，B光为斯托克斯光；而B光与C光匹配时，B光为泵浦光，C光为斯托克斯光，将A光与C光插空调制，则当A光、B光、C光三束光同时打到样品上并与样品的振动或转动能级差共振时，由于B光与A光匹配时B光为斯托克斯光，B光在有A光的时间区间中经历受激拉曼增益，而由于B光与C光匹配时B光为泵浦光，B光在有C光的时间区间中经历受激拉曼损失，将B光信号送入锁相放大器，得到受激拉曼增益与受激拉曼损失的差值，使得探测信号强度提高0.9～1倍。
插空调制的原理为，在同一周期内，A光的占空比在0.4～0.6之间，C光的占空比在0.6～0.4之间，在A光存在的时间区间内，C光不存在；而在C光存在的时间区间内，A光不存在。
进一步的，将A光与C光插空调制是在同一周期内，使A光和C光的占空比均为50％，在A光存在的半个周期内，C光不存在；而在C光存在的半个周期内，A光不存在。
本发明还提供了一种实现所述受激拉曼差分方法的装置，包括：
偏振元件，实现A光、B光和C光的偏振态；
交叉调幅器件，对C光和A光的插空调制；
合束元件，将调制后的两束光与B光合束，合束的光入射到待测样品上；
滤光元件，将透过待测样品的携带了样品SRS信号的光进行滤光，仅允许没有经过交叉调幅器件调制的B光出射；
探测器，接收所述没有经过交叉调幅器件调制的B光；
锁相放大器，接所述探测器，由所述交叉调幅器件提供参考信号，得到所需的受激拉曼差分信号。
所述交叉调幅器件为EOM与偏振片，其同时对C光和A光进行调制，同时调制，是指C光和A光通过合光元件合束，对合束后的C光和A光进行插空调制，然后与B光合束。
所述交叉调幅器件为EOM与偏振片，其分别对C光和A光进行调制，分别调制，是指分别对C光和A光进行插空调制，然后与B光合束。
所述交叉调幅器件为斩波器，其分别对C光和A光进行调制，分别调制，是指C光和A光分别通过不同的斩波器而进行插空调制，然后与B光合束。
所述交叉调幅器件为斩波器，其同时对C光和A光进行调制，同时调制，是指C光和A光同时通过斩波器的不同位置而进行插空调制，然后与B光合束。
所述交叉调幅器件为电调制元件，其分别对发出C光和A光的激光器进行调制，然后与B光合束。。
所述偏振元件包括第一偏振元件、第二偏振元件和第三偏振元件，分别调整C光、A光和B光的偏振态。
本发明装置还可包括：
第一聚焦透镜，将合束后的三束光聚焦后入射到待测样品上；
第二聚焦透镜，收集透过待测样品的携带了样品SRS信号的光。
与现有技术相比，本发明能够将探测信号强度提高0.9～1倍，使信号更容易被探测出，从而降低检出限，增加信噪比，提高成像对比度。
附图说明
图1是根据本发明的实现受激拉曼差分方法的原理图。
图2是根据本发明的将两束光进行交叉调制的第一实施方案的原理图。
图3是根据本发明的受激拉曼差分装置的第二实施方案的原理图。
图4是根据本发明的受激拉曼差分装置的第三实施方案的原理图。
图5是根据本发明的受激拉曼差分装置的第四实施方案的原理图。
图6是根据本发明的受激拉曼差分装置的第五实施方案的原理图。
图7是根据本发明的受激拉曼差分装置的第六实施方案的原理图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例详细说明本发明的实施方式。
如图1所示，本发明提供一种受激拉曼差分方法，针对同一样品的同一振动或转动能级差，A光与B光匹配时，A光为泵浦光，B光为斯托克斯光；而B光与C光匹配时，B光为泵浦光，C光为斯托克斯光，将A光与C光插空调制，则当A光、B光、C光三束光同时打到样品上并与样品的振动或转动能级差共振时，由于B光与A光匹配时B光为斯托克斯光，B光在有A光的时间区间中经历受激拉曼增益，而由于B光与C光匹配时B光为泵浦光，B光在有C光的时间区间中经历受激拉曼损失，将B光信号送入锁相放大器，得到受激拉曼增益与受激拉曼损失的差值，使得探测信号强度提高0.9～1倍。
插空调制的原理为，在同一周期内，A光的占空比在0.4～0.6之间，C光的占空比在0.6～0.4之间，在A光存在的周期内，C光不存在；而在C光存在的周期内，A光不存在。
根据本发明第一实施方案的插空调制的原理如图2所示，在同一周期内，A光和C光的占空比均为50％，在A光存在的半个周期内，C光不存在；而在C光存在的半个周期内，A光不存在。
本发明还提供了若干实现所述受激拉曼差分方法的装置，分别如下：
参考图3，根据本发明的第二实施方案，将C光和A光分别通过第一偏振元件2、第二偏振元件3调整偏振态后通过第一合光元件4合束，并将合束后的光通过第一电光调制器(Electro-Optic Modulator(EOM))6进行调制后通过第一偏振片7，实现插空调制。B光通过第三偏振元件1调整偏振态后通过第二合光元件9与A光、C光合束。合束后的三束光入射到第一聚焦透镜16上，经第一聚焦透镜16聚焦后入射到样品台17上的样品上。透过样品携带了样品的SRS信号的光由下方的第二聚焦透镜18收集。从第二聚焦透镜18出射的光经过滤光元件19，从而仅允许没有经过EOM调制的B光通过并入射到探测器21中。探测器21收集到的信号输入到锁相放大器22中，锁相放大器22的参考信号由第一EOM6提供。锁相放大器22输出的信号输入到计算机23中。从而得到所需要的受激拉曼差分信号。其中5、10、15、20为反射镜，起到偏折光路的作用。
参考图4，根据本发明的第三实施方案，将C光和A光分别通过第一偏振元件2、第二偏振元件3调整偏振态后分别通过第一EOM6和第二EOM24调制后分别通过第一偏振片7和第二偏振片25，实现插空调制的效果。B光通过第三偏振元件1调整偏振态后在第三合光元件11处与C光、A光合束。合束后的三束光入射到第一聚焦透镜16上，经第一聚焦透镜16聚焦后入射到样品台17上的样品上。透过样品携带了样品的SRS信号的光由下方的第二聚焦透镜18收集。从第二聚焦透镜18出射的光经过滤光元件19，从而仅允许没有经过EOM调制的B光通过并入射到探测器21中。探测器21收集到的信号输入到锁相放大器22中，锁相放大器22的参考信号由第一EOM6或第二EOM24提供。锁相放大器22输出的信号输入到计算机23中。从而得到所需要的受激拉曼差分信号。其中10、14、15、20为反射镜，起到偏折光路的作用。
参考图5，根据本发明的第四实施方案，将C光和A光分别通过第一偏振元件2、第二偏振元件3调整偏振态后分别通过第一斩波器8、第二斩波器26实现插空调制的效果。B光通过第三偏振元件1调整偏振态后在第三合光元件11处与C光、A光合束。合束后的三束光入射到第一聚焦透镜16上，经第一聚焦透镜16聚焦后入射到样品台17上的样品上。透过样品携带了样品的SRS信号的光由下方的第二聚焦透镜18收集。从第二聚焦透镜18出射的光经过滤光元件19，从而仅允许没有经过斩波器调制的B光通过并入射到探测器21中。探测器21收集到的信号输入到锁相放大器22中，锁相放大器22的参考信号由第一斩波器8或第二斩波器26提供。锁相放大器22输出的信号输入到计算机23中。从而得到所需要的受激拉曼差分信号。其中10、14、15、20为反射镜，起到偏折光路的作用。
参考图6，根据本发明的第五实施方案，将C光和A光分别通过第一偏振元件2、第二偏振元件3调整偏振态后同时通过第一斩波器8的不同位置而实现插空调制的效果。B光通过第三偏振元件1调整偏振态后在第三合光元件11处与C光、A光合束。合束后的光与A光在第三合光元件11处合束。合束后的三束光入射到第一聚焦透镜16上，经第一聚焦透镜16聚焦后入射到样品台17上的样品上。透过样品携带了样品的SRS信号的光由下方的第二聚焦透镜18收集。从第二聚焦透镜18出射的光经过滤光元件19，从而仅允许没有经过斩波器调制的B光通过并入射到探测器21中。探测器21收集到的信号输入到锁相放大器22中，锁相放大器22的参考信号由第一斩波器8提供。锁相放大器22输出的信号输入到计算机23中。从而得到所需要的受激拉曼差分信号。其中10、14、15、20为反射镜，起到偏折光路的作用。
参考图7，根据本发明的第六实施方案，采用电调制器件13对发出C光的激光器和发出A光的激光器进行插空调制，其中12为反相器。之后将C光和A光分别通过第一偏振元件2和第二偏振元件3。B光通过第三偏振元件1调整偏振态后在第三合光元件11处与C光、A光合束。合束后的三束光入射到第一聚焦透镜16上，经第一聚焦透镜16聚焦后入射到样品台17上的样品上。透过样品携带了样品的SRS信号的光由下方的第二聚焦透镜18收集。从第二聚焦透镜18出射的光经过滤光元件19，从而仅允许没有经过电调制的B光通过并入射到探测器21中。探测器21收集到的信号输入到锁相放大器22中，锁相放大器22的参考信号由电调制器件13提供。锁相放大器22输出的信号输入到计算机23中。从而得到所需要的受激拉曼差分信号。其中10、14、15、20为反射镜，起到偏折光路的作用。
Claims (11)
1.一种受激拉曼差分方法，其特征在于，针对同一样品的同一振动或转动能级差，A光与B光匹配时，A光为泵浦光，B光为斯托克斯光；而B光与C光匹配时，B光为泵浦光，C光为斯托克斯光，将A光与C光插空调制，则当A光、B光、C光三束光同时打到样品上并与样品的振动或转动能级差共振时，由于B光与A光匹配时B光为斯托克斯光，B光在有A光的时间区间中经历受激拉曼增益，而由于B光与C光匹配时B光为泵浦光，B光在有C光的时间区间中经历受激拉曼损失，将B光信号送入锁相放大器，得到受激拉曼增益与受激拉曼损失的差值，使得探测信号强度提高0.9～1倍。
2.根据权利要求1所述受激拉曼差分方法，其特征在于，所述将A光与C光插空调制是在同一周期内，A光的占空比在0.4～0.6之间，C光的占空比在0.6～0.4之间，在A光存在的时间区间内，C光不存在；而在C光存在的时间区间内，A光不存在。
3.根据权利要求1所述受激拉曼差分方法，其特征在于，所述将A光与C光插空调制是在同一周期内，A光和C光的占空比均为50％，在A光存在的半个周期内，C光不存在；而在C光存在的半个周期内，A光不存在。
4.一种实现权利要求1所述受激拉曼差分方法的装置，其特征在于，包括：
偏振元件，实现A光、B光和C光的偏振态相同；
交叉调幅器件，对C光和A光的插空调制；
合束元件，将调制后的两束光与B光合束，合束的光入射到待测样品上；
滤光元件，将透过待测样品的携带了样品SRS信号的光进行滤光，仅允许没有经过交叉调幅器件调制的B光出射；
探测器，接收所述没有经过交叉调幅器件调制的B光；
锁相放大器，接所述探测器，由所述交叉调幅器件提供参考信号，得到所需的受激拉曼差分信号。
5.根据权利要求4所述的实现受激拉曼差分方法的装置，其特征在于，所述交叉调幅器件为电光调制器与偏振片，其同时对C光和A光进行调制，同时调制，是指C光和A光通过合光元件合束，对合束后的C光和A光进行插空调制，然后与B光合束。
6.根据权利要求4所述的实现受激拉曼差分方法的装置，其特征在于，所述交叉调幅器件为电光调制器与偏振片，将C光和A光分别通过第一偏振元件、第二偏振元件调整偏振态后分别通过第一电光调制器和第二电光调制器调制后分别通过第一偏振片和第二偏振片，实现插空调制，B光通过第三偏振元件调整偏振态后在第三合光元件处与C光、A光合束。
7.根据权利要求4所述的实现受激拉曼差分方法的装置，其特征在于，所述交叉调幅器件为斩波器，其分别对C光和A光进行调制，分别调制，是指C光和A光分别通过不同的斩波器而实现插空调制，然后与B光合束。
8.根据权利要求4所述的实现受激拉曼差分方法的装置，其特征在于，所述交叉调幅器件为斩波器，其同时对C光和A光进行调制，同时调制，是指C光和A光同时通过斩波器的不同位置而实现插空调制，然后与B光合束。
9.根据权利要求4所述的实现受激拉曼差分方法的装置，其特征在于，所述交叉调幅器件为电调制元件，分别对发出C光和A光的激光器进行插空调制，然后与B光合束。
10.根据权利要求4所述的实现受激拉曼差分方法的装置，其特征在于，所述偏振元件包括第一偏振元件、第二偏振元件和第三偏振元件，分别调整C光、A光和B光的偏振态。
11.根据权利要求4所述的实现受激拉曼差分方法的装置，其特征在于，还包括：
第一聚焦透镜，将合束后的三束光聚焦后入射到待测样品上；
第二聚焦透镜，收集透过待测样品的携带了样品SRS信号的光。
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- 2018-12-21 CN CN201811573364.3A patent/CN109632762B/zh active Active
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|---|
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Also Published As
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