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, T-CARS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。     

超衍射极限相干反斯托克斯拉曼散射显微成像技术及其探测极限分析

理论上提出一种突破衍射极限限制的相干反斯托克斯拉曼散射显微成像方法, 并对其探测极限进行分析.通过引入环形附加探测光与艾里斑周边的声子作用, 实现点扩展函数的改造, 提高相干反斯托克斯拉曼散射显微成像系统的横向空间分辨率. 随着分辨率的提高, 信号强度也随之降低, 尤其当应用于生物学、医学研究时, 样品分子数密度通常很低, 这将导致信号探测更加困难. 因此分析系统的探测极限, 确定超分辨体积元内的最小可探测分子数是展开超衍射极限相干反斯 托克斯拉曼散射显微成像实验研究的重要前提. 当泵浦光、斯托克斯光、探测光光强均达到极大值, 分辨率约40 nm三维空间内, 超衍射极限相干反斯托克斯拉曼散射显微成像系统的散粒噪声信噪比由曝 光时间与样品分子数密度决定. 曝光时间若取20 ms, 探测极限约为10³, 样品分子数目只有大于探测极限, 才能保证信号可以从噪声背景中提取出来. 关键词： 突破衍射极限 相干反斯托克斯拉曼散射 非线性光学 探测极限     

基于偏振探测的CARS非共振背景抑制与分离

为消除非共振背景干扰,提高相干反斯托克斯拉曼散射测量精度,研究了基于偏振探测的相干反斯托克斯拉曼散射非共振背景抑制与分离.首先,从理论上证明了相干反斯托克斯拉曼散射信号强度只取决于三阶非线性极化率共振部分,而与非共振部分无关,并且三阶极化率共振部分与非共振部分偏振方向不一致,为偏振相干反斯托克斯拉曼散射提供了理论支撑;然后,以平面火焰炉温度场为研究对象,设计了偏振相干反斯托克斯拉曼散射探测系统实施方案,并与热电偶、常规相干反斯托克斯拉曼散射两种方法在相同条件下开展了温度测量对比实验.实验结果表明:常规相干反斯托克斯拉曼散射方法的测量相对误差优于7%,测量相对不确定度优于7%;偏振相干反斯托克斯拉曼散射方法的测量相对误差优于4%,测量相对不确定度优于5%;相同工况条件下与常规相干反斯托克斯拉曼散射相比,偏振相干反斯托克斯拉曼散射最接近均值的拟合光谱更加平滑.偏振相干反斯托克斯拉曼散射具有更小的拟合误差,是一种更为有效的相干反斯托克斯拉曼散射诊断方法.     

二溴甲烷相干反斯托克斯拉曼光谱（CARS）的选择激发

相干反斯托克斯拉曼光谱（CARS）由于信号强度符合无损伤探测等特点，已经日益在生物显微成像、燃烧诊断等领域得到广泛应用。而影响CARS进一步应用的障碍在于非共振信号以及所要激发振动模式周围的能级的干扰。因此要实现对某一振动能级精确激发，或提高拉曼光谱的分辨率，对振动模式的选择激发是非常必要的。     

二硫化碳在四氢呋喃中的费米共振特性研究

费米共振现象广泛存在于分子的振动光谱中,如红外光谱、拉曼光谱等。变换浓度方法是光谱分析的一种主要手段。文章中测量了二硫化碳(CS_2)在四氢呋喃(THF)中不同浓度下的拉曼光谱,引入Bertran理论分析研究v_1-2v_2费米共振现象随浓度的变化规律。研究表明,随着二硫化碳体积浓度的降低,溶液中的费米共振特性参数(如光谱强度比、频率间隔、耦合系数、非谐力常数)将随溶剂效应的影响发生明显的变化。例如,光谱强度比逐渐减小,耦合系数逐渐增加等。这些变化不仅受到溶液散射系数的影响,更重要的是弱氢键的形成对振动光谱的影响。光谱图中还出现了拉曼谱线的非对称移动,基频v_1基本没有发生频移,倍频2v_2却逐渐向高波数方向移动,这与理论上的对称移动不相符。通过对分子间微观作用的研究,弱氢键的作用机理可以很好的解释这种现象。这些分析对于进一步研究溶剂效应对费米共振的影响意义重大,对于溶液中的分子振动光谱研究更加具有参考价值。     

采用圆偏振啁啾飞秒激光脉冲操控CS2分子的相干拉曼散射过程

采用两束圆偏振啁啾飞秒激光脉冲,非共线相干激发三原子分子CS₂液体. 在相位匹配的方向上,探测到由CS₂频率为397 cm^-1的振动模式产生的强度对称分布的相干反斯托克斯拉曼散射(CARS)信号和相干斯托克斯拉曼散射(CSRS)信号. 当调整两束激发光的圆偏振状态时,CARS,CSRS信号的强度、偏振、波长均发生规律性的改变:CARS,CSRS信号的强度分布反映了CS₂ 在不同极化状态下的受激拉曼散射截面大小;信号光的 关键词： 啁啾脉冲 相干反斯托克斯拉曼散射(CARS) 相干斯托克斯拉曼散射(CSRS) 2')" href="#">CS₂     

利用径向呼吸模及其倍频模的共振特性精确测定单壁碳纳米管的电子跃迁能量

提出一个根据拉曼基频模及其倍频模的斯托克斯和反斯托克斯拉曼成分的不同共振行为来探测样品与激光共振的系统能级的方法.此方法被应用到不均匀单壁碳纳米管束样品中某一径向呼吸模频率为219波数的金属型碳纳米管.通过分析呼吸模及其倍频模和切向模的共振行为,获得了该碳纳米管的电子跃迁能量,并获得纳米管C-C最近邻重叠积分因子为2.80 eV.此数值可以很好的解释单壁碳纳米管径向呼吸模的共振行为. 关键词： 单壁碳纳米管 呼吸模 共振拉曼散射 电子跃迁能     

分子间费米共振增强二元溶液体系的受激拉曼散射研究

研究了液芯光纤内不同体积比的甲苯和间二甲苯二元混合溶液的受激拉曼散射.实验结果表明:在不同的体积比之下二元溶液的环呼吸振动模式1002 cm^-1,甲基的CH伸缩振动模式2920 cm^-1 以及芳香环CH对称伸缩振动模式3058 cm^-1的拉曼带同时产生受激拉曼辐射,并且2920 cm^-1 和 3058 cm^-1 拉曼带的一阶受激拉曼散射阈值要低于1002 cm^-1拉曼带的二阶 关键词： 分子间费米共振 二元溶液 受激拉曼散射 拉曼散射截面     

几种外场对费米共振的影响:费米共振的拉曼光谱研究

费米共振是分子内和分子间发生的基团间的振动耦合和能量转移现象。有关外场中费米共振的认识、拉曼光谱的研究方法及应用均待开发和推广。本文系统阐述了利用高压DAC技术、变温技术特别是课题组独创的变换溶剂浓度、LCOF等方法获得的有关费米共振的研究成果,即分子场、压力场、温度场等外场对分子内和分子间费米共振的影响:(1)分子场中a.由C_5H_5N在CH_3OH和H_2O中拉曼光谱变化研究表明溶剂效应对费米共振有明显影响;b.通过改变溶液浓度发现了其他方法未能发现的费米共振双线对非对称移动及双线对中倍频的基频亦受费米共振调谐的现象;c.溶液中的氢键、反氢键使分子基团重组而对费米共振产生显著影响;d.C_7H_8和m-C_8H_(105分子间发生会费米共振,且费米共振特性随溶液浓度明显改变;(2)压力场中a.随压强增加谱线蓝移,且频差△随压强改变而引起W改变;b.随压强增加CCl_4在C_6H_6中的v_1+v_4~v_3的W减小速度比纯液体中快,费米共振消失提前。这表明,压强引起的费米共振现象可揭示溶剂效应机理;(3)温度场中温度会影响分子费米共振特性,且对不同分子影响亦不同,温度对CO_2的费米共振影响较大,而对CS_2几乎无影响。本文对分子谱线的认证与归属、分子构象的确定及异构体的鉴别、氢键对分子结构与性质的影响等方面的研究提供了系统的理论与实验依据。     

拉曼散射在共振及近共振时的条件：广义短时间近似

研究了频率失谐时共振拉曼散射的动力学过程．当入射光子能量远离共振吸收能量时,时域内的失相使散射过程变快．这使得频率失谐如同照相机的快门功能,具有规律的散射持续时间,为普通的稳态测量提供了控制散射时间的有效工具．基于这个理论对两个多模式模型系统以及反式-1,3,5-己三烯和鸟嘌呤-胞嘧啶Watson-Crick碱基对分子的共振拉曼光谱进行了研究．除了这些特殊的物理效应,快散射机制可以简化光谱,同时使散射理论得到简化．当入射光子频率在共振区域时,拉曼光谱中会出现较强的多倍频成分;当入射光子频率与第一共振吸收频率之间的失谐量为振动能量时,在快散射过程中,这些多倍频成分逐渐消失．因此,利用入射光子与共振频域的失谐可以明显地简化拉曼光谱,从复杂光谱中去除多倍频和软模的影响,并且可以避免共振态的解离和荧光衰减引起的干扰．     

High-spectral-resolution coherent anti-Stokes Raman scattering with interferometrically detected broadband chirped pulses

To achieve high-spectral-resolution multiplex coherent anti-Stokes Raman scattering (CARS), one typically uses a narrowband pump pulse and a broadband Stokes pulse. This is to ensure a correspondence between anti-Stokes and vibrational frequencies. We obtain high-resolution CARS spectra of isopropanol, using a broadband chirped pump pulse and a broadband Stokes pulse, by detecting the anti-Stokes pulse with spectral interferometry. With the temporally resolved anti-Stokes signal, we can remove the chirp of the anti-Stokes pulse and restore high spectral resolution while also rejecting nonresonant scattering.     

紧聚焦条件下相干反斯托克斯拉曼散射信号场的矢量分析

在相干反斯托克斯拉曼散射(coherent anti-Stokes Raman scattering,CARS)显微镜中,共线传输的紧聚焦高斯光束激发具有不同形状和尺寸的待测样品所产生的CARS信号场的空间分布决定了整体系统的结构特点.建立了紧聚焦条件下球形样品产生CARS信号场的理论模型.利用矢量波动方程分析了紧聚焦条件下线偏振的高斯光束的光场强度和相位分布.利用格林函数求解该模型中CARS信号场的矢量波动方程,模拟计算得到了不同直径球形样品的远场CARS信号场的空间分布.理论分析和模拟计算结果表明,对于小体积的球形样品,前向和背向传输的CARS信号场强度接近,因此采用大数值孔径物镜背向探测方式即可获得高对比度图像.对于大体积球形样品,CARS信号场的强度大幅增强,且发射方向主要集中在前向的一定立体角内.因此,采用小数值孔径物镜即可有效收集前向传输的CARS信号.     

在单模光纤中放大的反斯托克斯拉曼背向自发散射的温度效应

在单模光纤中,输入的激光功率大于阈值时．出现放大的反斯托克斯拉曼背向自发散射现象。实验发现：放大的反斯托克斯拉曼背向自发散射具有温度效应．与反斯托克斯拉曼背向自发散射一样,放大的拉曼散射光的光子通量受到光纤温度的调制。反斯托克斯拉曼背向白发散射的放大效应抑制了单模光纤中的相干噪声,改善了系统的信噪比。实验还发现．放大的反斯托克斯扎曼背向自发散射空域曲线上放大的端点位置随激发功率的增高前移并具有一定的规律性。放大的反斯托克斯拉曼背向自发散射的温度效应作为一种新的测温原理,已应用于远程30km分布光纤温度传感器系统。     

超衍射极限相干反斯托克斯拉曼散射显微成像技术中空心光束的形成

空心光束的质量是超衍射极限相干反斯托克斯拉曼散射显微成像技术中决定成像质量的一个至关重要的因素. 本文基于菲涅耳衍射理论,分析了螺旋相位片法产生空心光束的物理机理,并且模拟了不同的入射条件对产生的空心光束的影响. 模拟结果表明:波长与相位片中心波长匹配且光强呈圆对称分布的高斯光垂直入射到相位片上,当高斯光束中心与相位片中心完全对准时,可获得较理想的空心光束;入射光光强分布的圆对称性以及入射光中心与相位片中心的对准程度都会影响产生的空心光束的强度分布;同时,高斯光束小角度倾斜入射时,空心光的强度分布仍呈圆对称,却在观察面发生一定的位移;此外,入射光中心波长偏离相位片中心波长不大时,对产生的空心光束的强度分布几乎没有影响. 上述分析结果对用于超衍射相干反斯托克斯拉曼散射显微成像技术中理想空心光束的获取具有重要的指导意义. 关键词： 空心光束 超衍射极限 相干反斯托克斯拉曼散射 螺旋相位片     

Selective excitation of molecular mode in a mixture by femtosecond resonance-enhanced coherent anti-Stokes Raman scattering spectroscopy

Femtosecond time-resolved coherent anti-Stokes Raman scattering (CARS) spectroscopy is used to investigate gaseous molecular dynamics. Due to the spectrally broad laser pulses, usually poorly resolved spectra result from this broad spectroscopy. However, it can be demonstrated that by the electronic resonance enhancement optimization control a selective excitation of specific vibrational mode is possible. Using an electronically resonance-enhanced effect, iodine molecule specific CARS spectroscopy can be obtained from a mixture of iodine-air at room temperature and a pressure of 1 atm (corresponding to a saturation iodine vapour as low as about 35 Pa). The dynamics on either the electronically excited state or the ground state of iodine molecules obtained is consistent with previous studies (vacuum, heated and pure iodine) in the femtosecond time resolved CARS spectroscopy, showing that an effective method of suppressing the non-resonant CARS background and other interferences is demonstrated.     

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.     

Fourier transform spectral interferometric coherent anti-Stokes Raman scattering (FTSI-CARS) spectroscopy

A novel Fourier transform spectral interferometric (FTSI) multiplex coherent anti-Stokes Raman scattering (CARS) technique is developed to extract the vibrational spectrum equivalent to the spontaneous Raman scattering. The conventional FTSI method is modified to use the internal nonresonant CARS signal as a local oscillator to perform spectral interferometry. Utilizing the causality of the coherent vibration (i.e., there should be no signal before the laser excitation), this new FTSI method recovers the entire complex vibrational spectral parameters. We demonstrate this technique with a previously reported single-pulse multiplex CARS method that uses a single phase-controlled broadband ultrafast laser pulse.     

Interferometric polarization coherent anti-Stokes Raman scattering (IP-CARS) microscopy

We report a novel interferometry-based polarization coherent anti-Stokes Raman scattering (IP-CARS) implementation for effectively suppressing the nonresonant background while significantly amplifying the resonant signal for vibrational imaging. By modulating the phase difference between the two interference CARS signals generated from the same sample and measuring the peak-to-peak intensity of the periodically modulated interference CARS signal, the IP-CARS technique yields a sixfold improvement in the signal-to-background ratio compared with conventional CARS while providing an approximately 20-fold amplification of the resonant CARS signal compared with conventional polarization CARS. We demonstrate this method by imaging 4.69 microm polystyrene beads and unstained human epithelial cells immersed in water.