相干反斯托克斯拉曼光谱学效应
1930年诺贝尔物理学奖——拉曼效应
1930年诺贝尔物理学奖——拉曼效应1930年诺贝尔物理学奖授予印度加尔各答大学的拉曼(SirChandrasekhara V enkata Raman,1888——1970),以表彰他研究了光的散射和发现了以他的名字命名的定律。
在光的散射现象中有一特殊效应,和X射线散射的康普顿效应类似,光的频率在散射后会发生变化。
频率的变化决定于散射物质的特性。
这就是拉曼效应,是拉曼在研究光的散射过程中于1928年发现的。
在拉曼和他的合作者宣布发现这一效应之后几个月,苏联的兰兹伯格(ndsberg)和曼德尔斯坦(L.Mandelstam)也独立地发现了这一效应,他们称之为联合散射。
拉曼光谱是入射光子和分子相碰撞时,分子的振动能量或转动能量和光子能量叠加的结果,利用拉曼光谱可以把处于红外区的分子能谱转移到可见光区来观测。
因此拉曼光谱作为红外光谱的补充,是研究分子结构的有力武器。
1921年夏天,航行在地中海的客轮“纳昆达”号(S.S.Narkunda)上,有一位印度学者正在甲板上用简便的光学仪器俯身对海面进行观测。
他对海水的深蓝色着了迷,一心要追究海水颜色的来源。
这位印度学者就是拉曼。
他正在去英国的途中,是代表了印度的最高学府——加尔各答大学,到牛津参加英联邦的大学会议,还准备去英国皇家学会发表演讲。
这时他才33岁。
对拉曼来说,海水的蓝色并没有什么稀罕。
他上学的马德拉斯大学,面对本加尔(Bengal)海湾,每天都可以看到海湾里变幻的海水色彩。
事实上,他早在16岁(1904年)时,就已熟悉著名物理学家瑞利用分子散射中散射光强与波长四次方成反比的定律(也叫瑞利定律)对蔚蓝色天空所作的解释。
不知道是由于从小就养成的对自然奥秘刨根问底的个性,还是由于研究光散射问题时查阅文献中的深入思考,他注意到瑞利的一段话值得商榷,瑞利说:“深海的蓝色并不是海水的颜色,只不过是天空蓝色被海水反射所致。
”瑞利对海水蓝色的论述一直是拉曼关心的问题。
相干反斯托克斯拉曼散射(cars)成像光源
相干反斯托克斯拉曼散射(Coherent Anti-Stokes Raman Scattering, CARS)成像是一种重要的激光显微成像技术,它通过激光诱导的拉曼散射来获取样品的化学成分和分布信息。
CARS成像具有高灵敏度、快速成像速度和非侵入性等优势,因此在生物医学、材料科学、化学分析等领域得到了广泛应用。
1. CARS成像原理CARS成像利用来自样品的非弹性散射光谱信息。
当样品中的分子受到两个泵浦激光和一个Stokes激光的共振激发时,会发生拉曼散射现象。
泵浦激光的频率差值和Stokes激光的频率相匹配时,就会产生CARS 信号。
通过探测CARS信号的频率和幅度,可以获取样品内部的化学成分信息,实现成像显示。
2. CARS成像光源为了实现高质量的CARS成像,选择合适的光源对成像效果至关重要。
常用的CARS成像光源包括:- 飞秒激光:飞秒激光具有短脉冲宽度和高峰值功率的特点,能够提供高分辨率和高信噪比的CARS成像。
然而,飞秒激光成本高昂,需要复杂的调谐和对齐。
- 窄线宽激光器:窄线宽的激光器在CARS成像中也有着广泛的应用,它能够提供稳定的激光源,适用于长时间成像和实验。
- 光纤光源:光纤激光器由于其紧凑、便携和易于控制的特点,也被广泛应用于CARS成像。
如脉冲光纤激光器可以提供高峰值功率的激光源,适合于实验室和野外环境下的应用。
3. CARS成像光源的选择针对不同的CARS成像应用需求,需要根据样品特性、成像深度、成像速度和预算等因素选择合适的光源。
在生物医学应用中,对活体生物进行CARS成像时,需要考虑光源的安全性和组织透过性。
对于化学分析和材料科学研究,需要关注信噪比和空间分辨率等参数。
在选择CARS成像光源时,需要综合考虑上述因素,选择适合的光源,以获得高质量的CARS成像效果。
4. 结语CARS成像光源的选择对CARS成像的质量和应用效果起着至关重要的作用。
在今后的研究和实践中,科研人员应该根据具体的成像需求,在光源光学性能、安全性和成本等方面进行充分考虑,选择最适合的CARS成像光源,为CARS成像技术在生物医学、化学和材料科学等领域的应用提供更多可能。
航空发动机光学测试方法
相干反斯托克斯拉曼散射(CARS)测温 原理
• 两束强单色激光:v1, v2 v1:固定频率;v2:可调谐,假设v1>v2 • 调谐v2使v1-v2=Δv Δv :介质内某一拉曼散射的频移值 • Δv 与 v3 相互作用,产生相干信号光束 v4=v3±(v1-v2)=v3±Δv • 第四束波的空间方向 k4 =k3 ± ( k1 - k2 )
相干反斯托克斯拉曼散射(CARS)测温 CARS测温——高温火焰(1730°C)
N2分子的Q支CARS光谱 (a)实验谱 (b)计算谱 注:因氮是供气燃烧的主要组分,且在燃烧过程中保持不变,故为理想的温度指 示器。
相干反斯托克斯拉曼散射(CARS)测温 EKSPLA CARS光谱仪
除了CARS光谱仪外,不同CARS应用需要搭建不同的CARS 测试结构,因此此类产品大多属于定制。
j K j
2 j j
2 4 2 j j
j Kj
j
2 4 2 j j
Kj
2 4 0c 4 N j T
h s4 j
j
j T 为引起j阶跃迁能级间的相对布居差。 其中:N为待测组分的数密度;
相干反斯托克斯拉曼散射(CARS)测温 参考文献
[1] 李麦亮. 激光光谱诊断技术及其在发动机燃烧研究中的应用[D]. 国防科学技术 大学, 2004. [2] 刘正帆. 基于光纤束的相干反斯托克斯拉曼散射显微内窥成像系统研究[D]. 北 京理工大学, 2015. [3] 赵阳. 飞秒CARS在分子超快动力学与气体燃烧测温中的应用研究[D]. 哈尔滨工 业大学, 2015. [4] /doi/10.1002/9783527628148.hoc028/pdf. [5] /sites//files/Al111.pdf. [6] /channel_1044.html. [7] Roy S, Gord J R, Patnaik A K. Recent advances in coherent anti-Stokes Raman scattering spectroscopy: Fundamental developments and applications in reacting flows[J]. Progress in Energy and Combustion Science, 2010, 36(2): 280-306. [8] Bohlin A, et al. Development of two-beam femtosecond/picosecond one-dimensional rotational coherent anti-Stokes Raman spectroscopy: Time-resolved probing of flame wall interactions[J]. Proceedings of the Combustion Institute, 2015, 35(3): 3723-3730. [9] Slipchenko M N, Cheng J X. Nonlinear Raman Spectroscopy: Coherent Anti-Stokes Raman Scattering (CARS)[M]. Encyclopedia of Biophysics. Springer Berlin Heidelberg, 2013: 1744-1750.
相干反斯托克斯拉曼原理
与减弱的分布。在不同的成像平面图像强度变化的关系中,包含了通过 试片后平面波所改变的相位信息,而TIE就是描述强度分布与相位分布之 间的关系式。因此,可以通过测量不同成像平面的强度分布,求解TIE得 到其相位信息。
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END!
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CARS原理
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CARS原理
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CARS原理
CARS显微成像技术利用待测样品分子所固有的分子振动光谱 信号作为显微成像的对比度,能够在无需引入外源标记的条件下 快速获取分子的空间分布图像以及分子之间相互作用的功能信息。 CARS信号强度高,具有强的方向性,另一方面,CARS信号的波长 相对于激发光蓝移,因此CARS显微成像技术能够在高荧光背景条 件下工作,并具有较高的探测灵敏度。 通常CARS显微成像技术使用高峰值功率、高重复频率的近红 外波长的脉冲激光作为激发光,生物样品的吸收和散射小,减小 了光致损伤,同时能够穿透较厚的生物样品获取其内部结构的三 维层析图像。
CARS显微镜在光路中引入了相位失配量,因此可以有效地减少非共振背景噪声的干扰,大大
改善了图像的对比度。
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相干反斯托克斯拉曼散射(CARS)显微光谱仪
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基于强度传输方程的相位恢复算法
波传播示意图如图所示。通过试片后的平面波(plane wave),传播方 向会发生改变,也就是相位发生了改变,在成像平面上呈现出强度增强
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CARS显微成像技术的实现
CARS显微成像系统利用高灵敏度探测器在远场收集CARS信号, 则探测位置上的强度可的实现
图中P为偏振片;OL为物镜;S为样品;F为滤波片;D为双色镜。
相干反斯托克斯拉曼散射显微成像技术
第36卷 第10期中 国 激 光Vol.36,No.102009年10月CHINESE JO URNA L OF LASERSOctober,2009文章编号:025827025(2009)1022477208相干反斯托克斯拉曼散射显微成像技术尹 君1,2林子扬2 屈军乐2 于凌尧2 刘 星2 万 辉2 牛憨笨21华中科技大学光电子科学与工程学院,湖北武汉4300742深圳大学光电子学研究所,光电子器件与系统(教育部/广东省)重点实验室,广东深圳518060摘要 回顾了相干反斯托克斯拉曼散射(CARS)显微成像技术的理论和技术的发展,介绍和比较了CAR S 显微成像技术对抽运光源的要求,以及典型的CARS 显微成像系统。
对CARS 显微成像技术中无法避免的最重要的非共振背景噪声问题做了详细的分析,对不同的抑制非共振背景噪声的方法进行了比较和讨论,对CARS 显微成像技术目前存在的问题和可能解决途径进行了简要的分析。
关键词 激光光学;显微成像方法;相干反斯托克斯拉曼散射;非共振背景噪声;超连续谱;光子晶体光纤中图分类号 O437.3;Q631 文献标识码 A doi :10.3788/CJL 20093610.2477Coh er en t Ant i 2St ok es Ra man Scat tering Micr oscopic Ima ging Techn iqueY in Jun 1,2 Lin Ziyang 2 Qu Junle 2 Y u Linyao 2 Liu Xing 2 Wan Hui 2 Niu Hanben 21College of Optoelect r onic Scien ce a nd Engin eer ing ,Hu azhon g Un iver sity of S cience an d Technology ,Wuha n ,Hu bei 430074,China2Key La bor a tor y of O pt oelectr on ic Devices a nd Syst em s of Ministr y of Educa tion an d Gua ngdong Pr ovince ,Instit ute of O pt oelectr on ics ,Shenzhen Un iver sit y ,S hen zhen ,Gua ngdong 518060,Chin aAbstr a ct I n this pape r,theor etical and technical development of coher ent anti 2Stoke s Raman scatte ring (CA RS)microscopy is r eviewe d.The re quire me nts of CA RS micr oscopy on the pump laser sour ce and typical e xpe rime ntal instr ume ntation ar e discussed and compared.We inve stigate the non 2r esonance background noise which is the most cr itical problem and can not be avoide d in the CA RS micr oscopy.Differ ent me thods for suppre ssing non 2re sonant background noise are pre sented and compared.Finally,a brief analysis of e xisting problems in CA RS microscopy and possible solutions is presented.Key wor ds laser optics;microscopic imaging me thod;cohere nt anti 2Stokes Raman scatter ing;non 2r esonance background noise;super continuum;photonic cr ystal fiber收稿日期:2009207208;收到修改稿日期:2009208210基金项目:国家自然科学基金(60627003)、广东省高等学校科技创新团队项目(06CXT D009)和教育部高等学校博士学科点专项基金(2007059000)资助课题。
相干反斯托克斯拉曼光谱cars-姚波善
实验装置原理图
6、之后,光束先经过空间滤波器SF滤去共线的CARS信号,再经过干涉 滤光镜F滤掉残存的Vp和Vs。剩下的信号被聚焦于光导纤维OF中。 7、接着,信号经透镜L4聚焦到光谱仪SG的入口狭缝上,再被全息光栅 色散为所需色CARS光谱。CARS光谱成像于增强型电荷耦合器件(ICCD) 的靶面上。光学多通道分析仪采集这些信号后的得到含有温度信息的 CARS谱。
2014-4-3 相干反斯托克斯拉冲激光,经调解输出的倍频光以45度角入射到 分光镜BS1的反射面而被分成两部分:①透射部分进入染料激光器激发 斯托克斯束②反射部分作为泵浦束。 2、反射部分经BS2再次分束:①反射部分作为CARS的泵浦束; ②透射 部分则进入吸收腔T1,避免能量过大,致使气体击穿火辐射噪声。
0 自由空间介质的介电常数;为光束相交区长度;为光束强度 其中:c为光速; l I
三阶非线性极化率的表达式:
3 j i j nr
j
其中: 为组分第j阶跃迁谐振极化率的实、虚分量,这些组分的拉曼谐振j 正是要被检测; nr 为非谐振电子背景极化率
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CARS原理
2 • 两束强单色激光: 1 , 1 :固定频率 2 :可调谐,假设 1 2 • 调谐 2使 1 2 :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) • 与 3 相互作用,产生相干信号光束
4 3 1 2 3
2014-4-3 相干反斯托克斯拉曼光谱法CARS 13
相干反斯托克斯拉曼散射(CARS)显微光谱仪
2014-4-3
相干反斯托克斯拉曼光谱法CARS
相干反斯托克斯拉曼光谱cars-姚波善
2020/4/29
相干反斯托克斯拉曼光谱法CARS
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CARS的优点
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 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
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相干反斯托克斯拉曼光谱法CARS
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实验应用
CARS测温——高温火焰(1730°C)
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CARS原理
• CARS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,并产生第四束 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。
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相干反斯托克斯拉曼光谱法CARS
相干反斯托克斯拉曼光谱法 (CARS)
姚波善
目录
• 概述 • 测量原理 • 测试装置(典型的CARS测温系统) • CARS的优点 • 实验应用
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相干反斯托克斯拉曼光谱法CARS
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概述
• 自发拉曼散射光的强度很弱,给测量带来了许多 困难。
• 实验研究发现,随着激光功率的提高,由强激光 电场诱导的二次以上的高阶极化现象越来越显著。
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CARS原理
• 两束强单色激光: 1 , 2 1 :固定频率 2 :可调谐,一拉曼散射的频移值(对应拉
曼散射始、终能级间的间隔)
• 与 3 相互作用,产生相干信号光束
4 3 1 2 3
• 第四束波的空间方向
k4 k3 k1 k2
7、接着,信号经透镜L4聚焦到光谱仪SG的入口狭缝上,再被全息光栅 色散为所需色CARS光谱。CARS光谱成像于增强型电荷耦合器件(ICCD) 的靶面上。光学多通道分析仪采集这些信号后的得到含有温度信息的 CARS谱。
拉曼光谱简介
Raman spectra
拉曼光谱基本原理
拉曼效应是光与物质分子之间发生能量交 换的结果,光照射到物体上会发生弹性散射 和非弹性散射。 弹性碰撞:光子和分子之间没有能量交换, 仅改变了光子的运动方向,其散射频率等于 入射频率,这种类型的散射在光谱上称为瑞 利散射。 非弹性碰撞:光子和分子之间在碰撞时发生 了能量交换,即改变了光子的运动方向,也 改变了能量。使散射频率和入射频率有所不 同。此类散射在光谱上被称为拉曼散射。
(2)水是极性很强的分子,因而其红外吸收非常强烈。但水的拉曼散射却极微弱,因 而水溶液样品可直接进行测量,这对生物大分子的研究非常有利。此外,玻璃的拉 曼散射也较弱,因而玻璃可作为理想的窗口材料,例如液体或粉末固体样品可放于 玻璃毛细管中测量。
(3)对于聚合物及其他分子,拉曼散射的选择定则的限制较小,因而可得到更为丰富 的谱带。S-S,C-C,C=C,N=N等红外较弱的官能团,在拉曼光谱中信号较为强烈。
拉曼光谱基本原理
characteristic Raman frequencies
拉曼频率的确认
composition of material
物质的组成
e.g. MoS2, MoO3
changes in frequency of Raman peak
拉曼峰位的变化
stress/strain State 张力 / 应力 crystal symmetry and orientation
晶体对称性和取向
e.g. Si 10 cm-1 shift per பைடு நூலகம் strain e.g. orientation of CVD diamond grains e.g. amount of plastic deformation e.g. thickness of transparent coating
太赫兹相干反斯托克斯拉曼散射
太赫兹相干反斯托克斯拉曼散射(THz-CARS)显微镜太赫兹振动模式被认为存在于生物大分子中,对阐明其相应的生物功能具有重要的意义。
然而,在THz区域缺乏一种可靠的高分辨率振动成像方法,要观察这些生物大分子的低频振动模式,尤其是在生物组织中,非常具有挑战。
所以,振动光谱成像在生物医学研究中具有重要的应用价值。
然而,因目前尚未有方法同时具有足够的灵敏度和高空间分辨率,振动成像在太赫兹区域(< 300cm−1)生物相关条件下目前是不可用的。
近日,来自以色列的研究人员研制了一种具有高灵敏度和高空间分辨率的太赫兹相干反斯托克斯拉曼散射(THz -CARS)显微镜,该显微镜利用相应组分的低频聚焦模式对生物组织进行化学选择性成像,填补了现有的THz区域的振动成像空白,可用于观察胶原蛋白和非胶原蛋白等生物大分子,该方法在生物医学研究中可能会有更广泛的应用。
THz-CARS显微镜工作原理图采用钛-蓝宝石激光器(80MHz重复频率,20fs脉宽,<0.2 nJ/pulse),THZ-CARS信号、SHG 信号、FWM信号和TPEF信号分别由相应的PMT-C、PMT-S、PMT-F和PMT-T光电倍增管采集。
作为一种重要且丰富的结构蛋白,胶原蛋白广泛存在于许多生物组织中,如肌腱,皮肤,牙齿和骨骼。
研究团队对胶原蛋白(collagen, C)和羟基磷灰石(Hydroxyapatite, HA)进行了测量。
图(a)显示了在具有白光的偏光显微镜下骨性骨的概况;图(b)选择150μm×190μm 的感兴趣区域(ROI)来执行THZ-CARS测量;图(c)显示了两个不同像素的原始测量THz-CARS 光谱,图(d)显示了相应的THz-CARS分辨拉曼光谱。
空间分辨率:1μm,比例尺:20μm。
基于这些测量,研究团队证明了该技术能够区分骨骼中的胶原蛋白和HA。
从图(e)可以看出HA在薄片或间隙薄片周围的强烈反应,从图(f),可以观察到反映骨内胶原蛋白的亮点。
相干反斯托克斯拉曼原理
4
CARS原理
CARS显微成像技术利用待测样品分子所固有的分子振动光谱
信号作为显微成像的对比度,能够在无需引入外源标记的条件下
快速获取分子的空间分布图像以及分子之间相互作用的功能信息。
CARS信号强度高,具有强的方向性,另一方面,CARS信号的波长
相对于激发光蓝移,因此CARS显微成像技术能够在高荧光背景条
高的信噪比。调节在探测器前安装的偏振片消除
偏振方向与共振信号不同的非共振背景噪声。
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相位控制和整形的方法通过对飞秒宽度的 和 进行相位整形,在不同的
光谱成分的相干叠加中引入一个相位失配量,从而达到抑制非共振背景噪
声的目的。
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外差干涉方法利用共振和非共振部分的本质差异,即共振是复数量,
包含实部
这种方式受到来自溶剂的和样品自身较强的非共振背景噪声的干扰,因此,F-CARS适用于获
取能够产生较大共振信号的特定分子振动图像。图(b)和(c)所示的背向探测CARS和相向激发
CARS显微镜在光路中引入了相位失配量,因此可以有效地减少非共振背景噪声的干扰,大大
改善了图像的对比度。
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相干反斯托克斯拉曼散射(CARS)显微光谱仪
2 ሿ是 0, ,其中 是收集透镜的圆锥角,在后向(-z)探测方式
中是 − , 是入射角,表示探测位置。
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CARS显微成像技术的实现
图中P为偏振片;OL为物镜;S为样品;F为滤波片;D为双色镜。
前向探测CARS显微镜,能够以较小的光功率激发待测样品,产生较强的CARS信号。但是
相干反斯托克斯拉曼成像
(CARS)
1
CARS原理
CARS过程是一个四波混频的非线性光学过程,在这一过程中包含
相干反斯托克斯拉曼光谱学效应
应用原理
• 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
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
透镜聚焦方法提高CARS光强
实验装置原理图
• 两入射光采用聚焦后的交叉入射方式
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 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
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;
实验装置
• 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; • 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; • 有关样品光谱学的信息是通过对特定的信息 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,也可以是通过多波混频 作用而产生的新的相干辐射光束
谢谢
CARS原理
• CARS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 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,并产生 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。
CARS原理
• • • • • 两束强单色激光:ω1、ω2 ω1:固定频率 ω2:可调谐,假设ω1 > ω2 调谐ω2使(ω1- ω2)= Δω 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) • Δω 与 ω3 相互作用,产生相干信号光束
• 第四束波的空间方向
相干拉曼光谱学
第七章相干拉曼光谱学1、相干反斯托克斯拉曼光谱将两个激光束的频差调节在介质的拉曼频率处,即可产生介质的拉曼振动的相干激发。
这种涉及介质的分子振动或原子的电子能级激发的一些非线性光学效应就发展成为内容丰富的相干拉曼光谱学(CRS),包括相干反斯托克斯拉曼光谱学技术,拉曼感应克尔效应(RIKE)及拉曼光学双共振等。
1965年,Maker和Terhune首先发现CARS效应,引起了人们在高分子振动光谱、温度、浓度测试技术方面的浓厚兴趣;70年代以来,调协染料激光器的发展推动了CARS效应的巨大发展Rado首次报道了气相CARS实验,测量了许多气体分子的非共振极化率。
Smirnov等人利用Ar+激光器泵浦的单模燃料激光器测得CH4等分子的高分辨率(0.001cm-1)CARS谱,为高对称性分子的高分辨振动光谱研究提供了强有力的手段CARS技术在分子振动驰豫、生物大分子的研究方面取得了重要进展。
气相CARS研究可应用于燃烧体系中温度和浓度的测量,法国Taran首先把这种技术应用于燃烧体系的研究。
目前对燃烧体系的研究已经由加热炉、放电管扩展至内燃机、火箭推进器等工业燃烧体系。
Nibler等人研究了直流放电情况下D2和N2的CARS谱,测量了粒子分布C6H6的光解反应,O3光离解碎片O2分子的瞬时转动态分布,N2微波放电时的振动温度1.1 CARS 的基本原理频率为ωl 的泵浦光束和频率为ωs 的斯托克斯光束在介质中重叠后,会相干激发介质中分子振动或转动,这种振动和转动的相干激发又与入射光场E l (ω1)及Es(ωs)再混合。
如果入射激光束之间的交角满足相位匹配关系,则相干叠加的过程使产生的ωa (ωa =2ωl -ωs)信号得到增强并具有相干性,即得到相干的反斯托克斯拉曼散射信号。
当相干激发与斯托克斯光场混合也可以产生频率更低的ω2s (ω2S =2ωs -ωl )斯托克斯拉曼散射(CSRS)s ωl ωaω2sωlωsωlωsa ω1.2 CARS 信号的特点:好的方向性:由相位匹配条件决定的方向输出,且具有与激光束同样小的发散角。
高光谱相干拉曼散射技术及其应用
高光谱相干拉曼散射技术及其应用一、引言高光谱相干拉曼散射技术是一种基于拉曼散射效应的光谱分析技术,它结合了高光谱和相干拉曼散射的优势,能够实现对物质的高精度、高灵敏度的非破坏性分析。
本文将就高光谱相干拉曼散射技术的原理、特点及其在不同领域的应用进行深入探讨。
二、高光谱相干拉曼散射技术原理1.拉曼散射效应拉曼散射效应是一种光学效应,当光线与物质相互作用时,光子与物质分子之间的相互作用将导致光子的频率发生改变,从而产生新的光学谱线。
这种效应被称为拉曼效应,分为斯托克斯拉曼效应和反斯托克斯拉曼效应。
2.高光谱分析技术高光谱分析技术是一种利用物质在吸收光谱范围内的独特吸收特性进行分析的技术。
通过对物质的吸收光谱进行高精度的测量和分析,可以获得物质的结构、成分和性质等关键信息。
3.相干拉曼散射相干拉曼散射是一种利用激光光源和干涉技术进行拉曼散射谱线测量的方法,与传统的散射光谱相比具有更高的灵敏度和分辨率。
相干拉曼散射技术还能够有效地抑制背景信号,提高信噪比。
综合以上三个方面,高光谱相干拉曼散射技术即是在高光谱分析的基础上结合了拉曼散射效应和相干光学技术,通过测量样品在不同波长下的散射光谱,实现对样品的高灵敏、高分辨、高精度的分析。
三、高光谱相干拉曼散射技术的特点1.高灵敏度由于相干拉曼散射技术的特殊性质,其灵敏度远高于传统拉曼散射技术。
这意味着可以检测到低浓度的样品,甚至是微量的物质。
2.高分辨率相干拉曼散射技术能够提供高分辨率的拉曼光谱,使得不同的拉曼峰能够被清晰地分辨和识别。
3.非破坏性分析与传统光谱分析技术相比,高光谱相干拉曼散射技术是一种非破坏性的分析方法,能够在不损伤样品的情况下获取样品的详细信息。
四、高光谱相干拉曼散射技术在不同领域的应用1.生物医学领域在生物医学领域,高光谱相干拉曼散射技术被广泛应用于生物分子、组织和细胞等的非破坏性分析。
它可以用于癌症早期诊断、药物分析和生物标记物检测等方面。
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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,
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 级光学工程 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
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
• 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 一般状态焦方法提高CARS光强 透镜聚焦方法提高CARS光强 CARS
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
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