小尺寸样品CARS图像信号分布实验研究

通过设计实验与分析模型,研究相干反斯托克斯拉曼散射成像对于样品尺寸小于系统点扩展函数尺寸的情况,分析相干反斯托克斯拉曼散射图像周围的depth的形成原因。分析过程首次引入轴向传输动态位移光线（此光线由相干体积元内轴心光线抽象出）对球形或柱形样品直径小于系统点扩展函数横向与轴向尺寸进行建模解析,对于所建模型定量分析结果表明,对于样品尺寸小于系统点扩展函数尺寸样品折射率调制了有效作用深度。Gouy相移只是其表观现象,是一个伴随性特征,因为物理学中存在的另一个极端,当样品尺寸足够小且具有相当的折射率,Gouy相移的作用近似为0,此时,样品周围的depth主要与样品的折射率及系统相干层析体积元内有效作用长度有关,相干反斯托克斯拉曼散射参量信号,具有自身的波矢匹配条件,不仅有大小,有方向,而且还受到样品自身材料折射率的影响比较明显。也就是对于参量过程波矢匹配条件是因,Gouy相移是伴随性特征。自此,通过相干反斯托克斯拉曼散射间接说明所用的紧聚焦参量信号成像过程,正是因为波矢匹配条件的存在使二次信号继承了激发光的紧聚焦特性,而拥有了继承性的Gouy相移,结合实验结果采用物理学的极端假设表明,Gouy相移不是产生depth的主要原因,主要原因是样品及周围的环境的折射率与系统相干层析体积元内有效作用长度之间共同作用的结果。而实验结果与模型定量分析的结果相吻合,此实验帮我们找到了影响CARS图像样品周围depth的成因机制,对于其他小尺寸样品的参量成像结果的分析具有一定的借鉴意义。通过设计实验,结合定量模型分析,首次明确造成小尺寸样品CARS图像周围的depth的真正原因,此抽象模型的拓展性对纳观参量过程的分析具有得天独厚的优势。抽象出的主能量光线动态位移模型成功分析纳观成像结果表明,相干作用长度之内有效作用长度及其行进路径的过程论的主因分析方法是研究纳观作用机制的最佳方法。     

基于光强传输方程相位成像的宽场相干反斯托克斯拉曼散射显微背景抑制

相干反斯托克斯拉曼散射(CARS)显微能够对样品的特殊化学组分进行选择性成像,无需荧光标记,在生物医学领域被广泛应用.然而,传统的CARS图像往往存在非共振背景信号.本文将基于光强传输方程的单光束相位成像技术用于CARS显微成像,来抑制CARS的非共振背景信号.该方法通过记录样品在三个相邻平面上的CARS图像,然后利用光强传输方程获取CARS光场的相位分布,最后利用共振CARS信号和非共振背景信号在相位上的差异,实现了对背景噪声的抑制.该方法无需参考光,通过三次测量可完成CARS的背景噪声抑制,具有良好的应用前景.     

宽带相干反斯托克斯光谱显微成像技术的实验研究

由于该成像系统采用的超连续谱光源,可以满足所观测样品本源分子在0～4 000 cm-1内的所有拉曼振动活性模式同时共振增强,在探测光的作用下,同时产生宽带相干反斯托克斯拉曼散射信号。然后,根据不同的化学键进行光谱图像重构,可以获得反映不同化学键在样品中的分布的图像。对110 nm的纯的聚苯乙烯珠所形成的具有一定厚度的薄膜,通过改变探测激光与超连续谱脉冲之间的时间重合度,测量形成的相干反斯托克斯拉曼散射信号的时间分布迹线图,通过其中的1 000 cm-1的化学键强度信号进行指数衰减曲线拟合,得出具体的退相时间,与文献中已报道的三色CARS的退相时间相比,判断是否属于三色CARS。为了检验系统在实际生物学成像中存在的问题,我们开展了活体小鼠组织生物学应用成像实验,对记录的数据在2 940 cm-1的CARS信号进行图像重构,获得CH化学键在组织中的分布,然后,对重构图像直接使用小波变换的去噪方式进行图像去噪,去噪后的图像具有比较清晰的轮廓,结果表明,对于对比度比较强的CARS共振信号,直接使用小波变换的去噪方式就可以获得比较好的图像效果。但是,对于信噪比比较差的共振信号,使用这种处理方法是不合适的,需要使用别的方法,先获取好的信号对比度,再根据感兴趣的化学键进行图像重构,然后,再经过小波变换对图像去噪,图像不仅会变得清晰平滑,而且,具有较好的视觉感官效果。     

分时窄带CARS光谱技术在测量烯烃浓度方面的应用

基于相干反斯托克斯拉曼散射(CARS)光谱技术机理,针对甲醇制烯烃(MTO)产物中多种组分烃类的探测需求,搭建了一套扫描式窄带CARS光谱实验装置。采用该装置对甲烷,乙烷,乙烯,丙烯分别进行CARS光谱扫描,获得了各分子的特征拉曼谱;并在相同实验条件下进行比对试验,得到不同分子特征峰处的CARS信号强度与目标气体浓度及其他背景气体之间的关系。通过建立简化模型对不同分子的CARS信号特征峰强度信息进行解析,提出了一种分时窄带CARS光谱探测多种拉曼活性气体浓度的方法,用于快速在线分析催化化工等领域中各类流体的组分。利用这种方法探测了甲烷,乙烯,丙烯的浓度,将实验误差控制在9%以内。     

双光子荧光与相干反斯托克斯拉曼散射显微成像技术的实验研究

双光子荧光与相干反斯托克斯拉曼散射同属于三阶非线性效应,二者之间的差异与联系是一个值得研究的问题.本文基于自行搭建的超连续谱近红外宽带相干反斯托克斯拉曼散射显微成像系统进行光谱成像,同时通过理论与实验对比分析了双光子荧光与相干反斯托克斯拉曼散射图像存在差异的原因.结果表明,具有亚微米以上横向分辨率的相干反斯托克斯拉曼散射成像系统,可以使用较大尺寸的荧光珠进行双光子荧光成像,通过解卷积得到双光子荧光成像的系统分辨率,并将它近似等效于相干反斯托克斯拉曼散射成像系统的当下分辨率.如果需要得到相干反斯托克斯拉曼散射成像系准确的分辨率结果,就必须使用尺寸比相干反斯托克斯拉曼散射成像系统实际分辨率小的球形样品进行实验测量.     

激光光谱技术在燃烧诊断中的应用

激光光谱燃烧诊断技术由于测量的非介入性、高分辨率和高灵敏度,成为了燃烧科学中的研究热点.文中综述了自发拉曼散射技术(VRS)、相干反斯托克斯拉曼散射技术(CARS)和平面激光诱导荧光技术(PLIF)的原理、方法、特点及其发展现状.并展望了它们在燃烧科学中的应用前景.     

线性探测低浓度物质的高灵敏时间分辨CARS方法

对时间分辨相干反斯托克斯拉曼散射(T-CARS)方法详细地进行理论分析,搭建了时间分辨相干反斯托克斯拉曼散射实验系统,从理论和实验上验证了T-CARS信号的强度与溶液浓度的关系.以无水乙醇和蒸馏水的混合溶液作为样品,测得在波数为2 927 cm-1(C—H)处的信号强度随溶液浓度的变化关系.结果表明,当溶液浓度大于35％时,T-CARS信号强度与溶液浓度成平方关系;而当溶液浓度小于20％时,TCARS信号强度与溶液浓度成线性关系,实验结果与理论分析相吻合.该结论纠正了以前人类对CARS过程的错误认识,有助于人类对CARS过程的进一步了解和应用.而在低浓度时的线性关系表明时间分辨CARS可对低浓度样品尤其是生物样品进行分子识别和线性定量探测,这对分析生物样品和其它低浓度物质具有重要的应用价值.     

混合溶液中CARS过程的非共振信号实验研究

相干反斯托克斯拉曼散射是一种非线性四波混频效应,但是通过探测共振信号不易进行物质成分的定量光谱分析。本文利用单频相干反斯托克斯拉曼散射光谱分析法,对不同体积比混合的乙醇溶液在远离双光子共振跃迁及其远离溶质与溶剂的特征拉曼共振态位置进行了光谱探测。通过对实验结果进行分析发现,在共振位置2 876 cm-1的信号强度随混合溶液中的乙醇的体积比增加而增加,呈二次方关系。而在远离共振态位置的非共振信号强度随混合溶液中乙醇的体积比增加而增加,且呈线性关系,进而说明了非共振信号强度随着分子数浓度N呈线性变化关系。因此,通过探测非共振信号强度与分子数浓度关系可以为混合物中特定成分的定量光谱分析提供一种研究途径。     

近海微塑料含量的相干反斯托克斯拉曼光谱成像研究

由于塑料工业的发展,微塑料成为一种主要的环境污染物.它在自然界中不易降解,对人类的生存环境及健康都存在不可忽视的潜在危险.因此,环境中微塑料的检测和分析,成为了近年来研究的热点问题.目前人们大多数采用浮选法、密度分离法、离心法等方法提取微塑料,然后放在显微镜下进行目视观察,并结合拉曼光谱分析、傅里叶红外光谱分析、高光谱...     

相干反斯托克斯拉曼散射显微成像技术研究

基于全量子理论对相干反斯托克斯拉曼散射(CARS)过程进行了分析, 在此基础上搭建了单频CARS显微成像系统, 获得了不同尺寸聚苯乙烯微球高对比度的CARS显微图像. 为了标定成像系统的空间分辨率, 采用逐点扫描方式对直径为110 nm聚苯乙烯微球成像, 从而重构出系统的点扩展函数. 结果表明: 该CARS显微成像系统的横向空间分辨率约为600 nm, 而由阿贝衍射极限决定的理论空间分辨率约为300 nm. 分析了导致分辨率降低的原因, 并提出了解决方案. 为实现纳米分辨的CARS显微成像打下了坚实的基础.     

相干反斯托克斯拉曼及相干反斯托克斯超拉曼光谱微观极化率张量元的简化方案-C∞v对称性

相干反斯托克斯拉曼光谱(CARS)和四阶相干反斯托克斯超拉曼光谱(CAHRS)广泛应用于分子界面和生物膜表面的研究。然而,高阶非线性光学过程中分子微观极化率张量元数量众多,关系复杂,使研究者对CARS和CAHRS很难进行定量分析。采取以下方案对属于C_∞v对称性的分子基团的CARS和CAHRS的微观极化率张量元进行简化。首先将CARS微观极化率张量元β_{i′j′k′l′}表示成拉曼微观极化率张量元微分α′_i′j′的乘积,CAHRS微观极化率张量元β_{i′j′k′l′m′}表示成超拉曼微观极化率张量元微分β′_i′j′k′和拉曼微观极化率张量元微分α′_i′j′的乘积,再利用α′_i′j′之间的比值及β′_i′j′k′之间的比值得到β_{i′j′k′l′}和β_{i′j′k′l′m′}之间的比值。使用这些CARS和CAHRS微观极化率张量元之间的关系,能够得到CARS和CAHRS光谱的广义取向泛函及其广义取向参数,进而对界面分子取向信息进行定量分析。     

Molecular dynamics in low vibrational states investigated by fs time-resolved coherent anti-Stokes Raman spectroscopy technique

The molecular dynamics process is investigated in this paper using a broadband fs time-resolved coherent anti-Stokes Raman spectroscopy (CARS) technique. By varying the timing of laser pulses, low vibrational states are started and studied on both the electronically excited B(³Π_0u⁺) state and ground X(¹Σ_0g⁺) state of iodine in the gas phase at room temperature. According to change the pump wavelength or Stokes pulse as well as the wavelength of the detection window for the CARS signal, dynamics on different potential-energy surfaces can be accessed and detected by the CARS spectroscopy. Results show that the period of the oscillation is decreased for the excited B(³Π_0u⁺) state as the wavelength of the pump pulses is increased, while it is increased for the ground X(¹Σ_0g⁺) state with the increase of the Stokes wavelength.     

Analysis of Effect of Chromatic Dispersion for Wavelength Tunable Ultrashort Soliton Pulse Generation

The performance characteristics of generated soliton and anti-Stokes pulses for the wavelength tunable ultrashort soliton pulse generation system are discussed for different fiber dispersion parameters of β₂ and β₃ at the pump wavelength. Numerical analysis showed that the broadband wavelength tunability is improved as both the absolute value of negative β₂ and the value of β₃ are decreased. When β₃ is the usual value, the best performance of broadband continuous wavelength tunability which broadens symmetrically to the pump wavelength is obtained for β₃ of around 蜢2 psβ²/km. The reason for this is that the behaviors of both the generated soliton and anti-Stokes pulses are due to the β₂. Through simulations for different fiber dispersion parameters of β₂ or β₃ we obtained interesting results. When β₃ is negative and the zero dispersion wavelength is set at the longer wavelength side than the pump wavelength, such as around 2 μm, it is possible to convert the generated soliton into new components at the longer wavelength side over 2 μm.     

0.5PZN-0.5PZT压电陶瓷拉曼散射研究

PZT基多元系压电陶瓷在三方相含量与四方相含量相等的准同型相界处(MPB)具有极为优异的压电性能。文章采用拉曼散射方法研究了0.5PZN-0.5PZT陶瓷体系中三方-四方相共存与弥散相变现象。研究发现,与纯PZT相比,0.5PZN-0.5PZT体系拉曼谱呈明显宽化特征,表明体系弛豫性较强,依据介温谱计算出弥散因子γ高达1.71。通过对拉曼谱峰进行Gauss函数拟合,定量计算三方相R₁模式与四方相E(3TO)和A₁(3TO)模式相对强度,以及四方相E(4LO)和A₁(3LO)模式与三方相R_h模式相对强度,结果表明0.5PZN-0.5PZT体系三方相与四方相含量相等,组成位于准同型相界,该结果得到XRD相分析验证。电学测量表明0.5PZN-0.5PZT陶瓷压电性能优异：k_p=0.66, d₃₃=425 pC/N,适宜作为压电致动器材料使用。