阻尼最小二乘算法CARS光谱温度拟合

为了解决相干反斯托克斯喇曼散射（CARS）光谱CARSFT计算程序在温度拟合过程中,对初值依赖大、测量光谱信噪比差、不易收敛的问题,通过分析非线性迭代算法,采用了阻尼最小二乘算法对氮气CARS光谱进行温度拟合。针对CARS理论光谱计算公式较为复杂的特点,采用数值差分的方式来获得迭代计算时所需要的设计矩阵。分析了横向偏移、纵向偏移和温度三个主要参量对拟合残差的影响,发现纵向偏移的初值设置对温度拟合影响较大。拟合温度2000 K时的标准理论CARS光谱,设置偏离较大的初始值,采用阻尼最小二乘法获得了较好的结果。迭代计算167步后,温度拟合为2 005.6 K,残差为0.027 463。拟合光谱信噪比较差的CARS光谱,阻尼最小二乘法也能稳定收敛。结果验证了阻尼最小二乘法对初值的依赖不大,并且当拟合谱信噪比较差时也能收敛,可用于在恶劣环境下CARS测量光谱的拟合。     

硅甲烷射频放电分解动力学的CARS光谱研究

应用相干反斯托克斯喇曼光谱(CARS)技术对硅甲烷(SiH_4)的射频放电分解进行在位诊断.基于硅甲烷v_1振动模CARS信号强度的变化,研究了SiH_4-H_2及SiH_4-N_2体系中射频功率及总气压对硅甲烷分解速率的影响.此外,还用CARS方法检测硅甲烷分解的中间产物,得到信噪比较好的光谱,并试作了初步归属.     

基于硅波导的喇曼光放大器

在硅波导上添加反向偏压的PIN结构,当波导产生受激喇曼散射时,可以将波导中双光子吸收(TPA)产生的光生自由载流子扫出波导,降低了波导的非线性损失,极大地提高了硅波导中泵浦光对信号光的喇曼增益。为了应用已经非常成熟的硅工艺,并且应用硅波导使器件小型化,根据法布里-帕罗(F-P)腔和行波放大器理论,在硅波导两端的解理面蒸镀增透膜,应用这种波导的喇曼效应设计了一种光放大器,即基于硅波导的喇曼光放大器。建立了计算放大器增益的方程,给出了不同波导长度和输入功率情况下的放大器增益,得出适当增加波导长度和泵浦光功率可以得到较高喇曼增益的结论。基于硅的光放大器有较高的饱和功率且没有泵浦源的限制,通过调整泵浦激光的波长可以放大不同波长的信号光。     

LDS751染料的受激喇曼散射

报道了用532nm激光抽运LDS751染料产生720—780nm可调谐染料激光输出的同时,观察到喇曼频移为102和45cm-1的反斯托克斯线,前者谱线较强,后者较弱.与这两条强线对应的斯托克斯线未能观察到.另外,还观察到喇曼频移为34cm-1的一级和二级斯托克斯线与反斯托克斯线 关键词： LDS751染料 受激喇曼散射 喇曼位移 斯托克斯线 反斯托克斯线     

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。     

相干喇曼诱导甲烷V-T弛豫过程

本文首次报道了用相干喇曼激光诱导红外荧光的方法,研究多原子分于-OH_4的振动能转移过程,并测出v_4振动能级到平动能转移速率常数为:K_(VL)=(8±)×10_(-5).     

液相硝基甲烷分子振动特性的相干反斯托克斯拉曼散射光谱

构建时间分辨相干反斯托克斯拉曼散射（CARS）光谱系统,从微观层次研究硝基甲烷的分子相干振动动力学特性.实验中采用超连续白光作为斯托克斯光,通过调整斯托克斯光的时间延迟,得到不同振动模式的CARS光谱.通过对振动弛豫曲线的拟合,获得硝基甲烷分子不同振动模式的振动失相时间.结果表明C–H键伸缩振动比C–N键伸缩振动更容易受热声子的影响.在热加载下,硝基甲烷分子的C–H键有望首先被激发并引起初始化学反应.     

有机纳米分子聚集体PIC-I的Raman光谱研究

本文从分子聚集体ＰＩＣ－Ｉ的吸收光谱可观测到Ｊ－带的红移和窄化,并可算出１３６８ｃｍ－１振模,以及本实验条件下聚集体单体数目为Ｎ≈３链长为３×０．３ｎｍ＝０．９ｎｍ。测量了ＰＩＣ－Ｉ聚集体的荧光光谱,将它与吸收光谱相比较可以看出,聚集体吸收带（５７２．５ｎｍ）和荧光发射带（５７２．５ｎｍ）是共振的。系统地研究了ＰＩＣ－Ｉ聚集体的喇曼光谱（１００～１８００ｃｍ－１）,验证了振动模 １３６８ｃｍ－１的存在。     

聚合物电致发光器件工作层热效应的喇曼光谱研究

以喇曼光谱和红外测温仪为表征手段,研究了聚合物电致发光器件在施加不同电流密度的工作条件下器件内部热效应对器件老化的影响.通过实验得到器件内发光层的斯托克斯喇曼信号和反斯托克斯喇曼信号强度的比值,代入波尔兹曼方程计算得到该层对应的温度,从而达到精确测量器件内部工作温度的目的.通过对器件施加0～169 mA/cm2的电流密度,发现器件内部工作温度逐渐升高,最终达到有机层的玻璃化转变温度后,发光层材料发生相变,变成游离状的液态,这种状态不稳定,造成发光层材料的局部缺陷,使得器件阴阳极短接导致器件短路,从而发光失败.实验表明喇曼光谱是一种探测薄膜器件内部工作层温度的有效手段,     

聚合物电致发光器件工作层热效应的喇曼光谱研究

以喇曼光谱和红外测温仪为表征手段, 研究了聚合物电致发光器件在施加不同电流密度的工作条件下器件内部热效应对器件老化的影响. 通过实验得到器件内发光层的斯托克斯喇曼信号和反斯托克斯喇曼信号强度的比值, 代入波尔兹曼方程计算得到该层对应的温度, 从而达到精确测量器件内部工作温度的目的. 通过对器件施加0~169 mA/cm²的电流密度, 发现器件内部工作温度逐渐升高, 最终达到有机层的玻璃化转变温度后, 发光层材料发生相变, 变成游离状的液态, 这种状态不稳定, 造成发光层材料的局部缺陷, 使得器件阴阳极短接导致器件短路, 从而发光失败. 实验表明喇曼光谱是一种探测薄膜器件内部工作层温度的有效手段.     

基于CARS技术的超燃冲压发动机点火过程温度测量

相干anti-Stokes Raman散射（coherent anti-Stokes Raman scattering,CARS）技术作为一种非接触测量手段,已广泛应用于多种发动机模型燃烧室温度测量及地面试验.然而,目前的工作主要集中在稳态燃烧场温度的测量,缺乏用高分辨率的单脉冲来测量瞬变的燃烧火焰温度及组分浓度的研究.基于CARS理论,结合多参数拟合算法,开发了基于MATLAB的CARS光谱计算和拟合程序CARSCF;利用McKenna平面火焰炉在不同工况下进行了温度测量,并与DLR测量结果进行对比,结果显示开发的CARSCF具有较高的测量重复性和准确性;最后将CARS技术应用于测量超燃冲压发动机点火过程中的温度测量,获取了点火过程中的温度.结果显示,在来流Mach数为3的条件下,H₂/air点火过程中温度呈现急剧上升然后缓慢下降,而CARS信号则呈现急剧上升然后急剧下降随后又缓慢上升的趋势,并且在点火过程中最高温度为1 511 K.      

利用CARS方法研究超短脉冲激光的脉冲宽度

在理论上提出了利用两光束CARS/CSRS方法测量超短脉冲激光的三阶相关函数。实验上在几种样品中测量了CARS/CSRS的时间特性,得到了泵浦光脉冲,SCDL输出光脉冲以及受激喇曼散射光脉冲的宽度。     

Chemical imaging of glucose by CARS microscopy

Glucose is one of the most fundamental molecules within life and bioengineering sciences. Present understanding of its role in cellular and bioengineering processes relies primarily on invasive, large‐scale biochemical analysis, providing no spatial information on glucose pools or fluxes. This work identifies an emerging microscopy technique based on coherent anti‐Stokes Raman scattering (CARS), which fulfills the need of quantitative imaging of glucose at the single‐cell level with submicrometer resolution. No sample preparation with reporter molecules is required, ensuring that the low‐weight metabolite is studied under natural conditions. The potential of CARS microscopy is illustrated by quantitatively mapping glucose fluxes and distributions in a microfluidic bioreactor and in lipid‐bilayer vesicles, the latter as a model for glucose transmembrane transport. Furthermore, the metabolic response to a glucose pulse was monitored in living yeast cells. This study signifies a new era within CARS microscopy for its use of monitoring carbohydrates, in particular glucose which is one of the most abundant molecules in nature. Copyright © 2010 John Wiley & Sons, Ltd.     

Selective excitation and suppression of coherent anti-Stokes Raman scattering by shaping femtosecond pulses

Femtosecond coherent anti-Stokes Raman scattering (CARS) suffers from poor selectivity between neighbouring Raman levels due to the large bandwidth of the femtosecond pulses. This paper provides a new method to realize the selective excitation and suppression of femtosecond CARS by manipulating both the probe and pump (or Stokes) spectra. These theoretical results indicate that the CARS signals between neighbouring Raman levels are differentiated from their indistinguishable femtosecond CARS spectra by tailoring the probe spectrum, and then their selective excitation and suppression can be realized by supplementally manipulating the pump (or Stokes) spectrum with the $\pi $ spectral phase step.     

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.     

相干反斯托克斯拉曼散射显微镜的成像特性

对自身不发荧光且不便于荧光标记的化学或生物学样品，集相干反斯托克斯拉曼散射与激光共焦扫描显微镜于一身的相干反斯托克斯拉曼散射显微镜是一种好的选择。因为相干反斯托克斯拉曼散射是一种非线性过程，相干反斯托克斯拉曼散射显微镜的显微成像特性与一般的共焦显微镜非常不同。首先计算了焦点附近相干反斯托克斯拉曼散射激发场的偏振分布，然后，利用格林函数方法，得到了以赫兹偶极子为源的波动方程的精确解，发现对于不同的成像配置和样品形状，像场的相干反斯托克斯拉曼散射场分布非常不同，因此传统的显微镜成像表征方式（如点扩展函数）将不再能描述相干反斯托克斯拉曼散射显微镜的成像特性。     

Coherent coupling between vibrational modes of C-H bonds at different positions studied by femtosecond time-resolved coherent anti-Stokes Raman scattering

We performed femtosecond time-resolved coherent anti-Stokes Raman scattering(fs-CARS) measurements on liquid toluene and PVK film.For both samples,we selectively excited the CH stretching vibrational modes and observed the expected quantum beat signals.The frequency of the well-defined beats is in good agreement with the energy difference between the two simultaneously excited modes,which demonstrates that a coherent coupling between the vibrational modes of the C-H chemical bonds exists at the different positions of the molecules.The dephasing times of the excited modes are obtained simultaneously.     

Tracking molecular structure deformation of nitrobenzene and its torsion-vibration coupling by intense pumping CARS

The structural deformation induced by intense laser field of liquid nitrobenzene(NB) molecule,a typical molecule with restricting internal rotation,is tracked by time- and frequency-resolved coherent anti-Stokes.Raman spectroscopy(CARS) technique with an intense pump laser.The CARS spectra of liquid NB show that the NO_2 torsional mode couples with the NO_2 symmetric stretching mode,and the NB molecule undergoes ultrafast structural deformation with a relaxation time of 265 fs.The frequency of NO_2 torsional mode in liquid NB(42 cm~(-1)) at room temperature is found from the sum and difference combination bands involving the NO_2 symmetric stretching mode and torsional mode in time- and frequency-resolved CARS spectra.