相干反斯托克斯拉曼光谱学效应

CARS原理 CARS原理
• • • • • 两束强单色激光： 两束强单色激光：ω1、ω2 强单色激光 ω1：固定频率 可调谐，假设ω ω2：可调谐，假设ω1 > ω2 调谐ω 调谐ω2使（ω1- ω2）= Δω Δω：介质内某一拉曼散射的频移值（ Δω：介质内某一拉曼散射的频移值（对应拉曼散 射始、终能级间的间隔） 射始、终能级间的间隔） • Δω 与 ω3 相互作用，产生相干信号光束 相互作用，
实际情况
• ω3 = ω1
比较强、 比较强、固定频率
相位匹配
• 气体：三束波按同一方向实现相位匹配作用 气体： • 固体、液体：当两入射光成一定的夹角入射 固体、液体： 时才可实现相位匹配
CARS作用 CARS作用
• 强单色光作用下，很多待测介质有可能产生 强单色光作用下， 荧光辐射， 荧光辐射，从而形成干扰背底而降低所需要 的相干光信噪比， 的相干光信噪比，但是荧光辐射频率通常低 于入射激光频率；因此， 于入射激光频率；因此，反斯托克斯信号光 情况下， 情况下，可以有效的避免荧光辐射背底的影 响
• 第四束波的空间方向
CARS简化物理模型 CARS简化物理模型
• 通过差频共振激励器来的介质内的频 率为Δω的相干电极化波， Δω的相干电极化波 率为Δω的相干电极化波，使得介质 等价于一种三维动态光栅， 等价于一种三维动态光栅，从而有可 能对频率为ω 能对频率为ω3的探测光束发生衍射作 并产生频移值为± Δω的具有不 用，并产生频移值为± Δω的具有不 同空间取向的两束信号光波
应用原理
• CARS信号光产生过程的三次非线性电极化强度 CARS信号光产生过程的三次非线性电极化强度
• 方括号第二项
• 当ω1- ω2 = Δω时，三次非线性电极化系 Δω时
数的共振项贡献将达到最大值
应用原理
• 一般状态下CARS信号光强表示 一般状态下CARS信号光强表示 CARS
透镜聚焦方法提高CARS光强 透镜聚焦方法提高CARS光强 CARS
相干反斯托克斯拉曼(CARS) 相干反斯托克斯拉曼(CARS) 光谱学效应
2010级光学工程 级光学工ຫໍສະໝຸດ Baidu 商祥年
2010-12-23
目录
• 概述 • 原理 • 实验应用
效应概述
• 基于两作用光束的差频与样品拉曼散射频移 相共振的四波混频效应； 相共振的四波混频效应；
实验装置
• 两束不同频率的激光束入射到待测样品中， 两束不同频率的激光束入射到待测样品中， 并且至少其中一束光的频率是可调谐的； 并且至少其中一束光的频率是可调谐的； • 上述两束入射光频率之差可以调谐到与样品 本身的拉曼跃迁频率发生共振； 本身的拉曼跃迁频率发生共振； • 有关样品光谱学的信息是通过对特定的信息 光束获得的， 光束获得的，这一信息光束可以是通过样品 后的一束入射激光， 后的一束入射激光，也可以是通过多波混频 作用而产生的新的相干辐射光束
实验装置原理图
• 两入射光采用聚焦后的交叉入射方式
实验例子
优点
• • • • 提供较高的信号光强或亮度 信号光束具有空间定向性，易于与入射光分离 信号光束具有空间定向性， 易于消除可能存在着样品荧光辐射背底影响 聚焦入射可提供较高的分辨率
谢谢
CARS原理 CARS原理
• CARS是一种特殊的四波混频效应。 CARS是一种特殊的四波混频效应。 是一种特殊的四波混频效应 • 特点：三束入射光波中，两束入射光的差频与 特点：三束入射光波中， 待测介质的拉曼跃迁能级间隔产生共振， 待测介质的拉曼跃迁能级间隔产生共振，从而 使三次非线性电极化率得到共振增强， 使三次非线性电极化率得到共振增强，并产生 第四束向高频方向移动的相干波信号， 第四束向高频方向移动的相干波信号，频移值 正好等于介质拉曼光谱频移值。 正好等于介质拉曼光谱频移值