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。

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。

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。

利用作者自制的超连续谱激发时间分辨相干反斯托克斯拉曼散射(coherent anti-stokes Raman scattering, CARS)谱仪同时测得反映分子组成的各种振动谱以及这些振动模式各自的退相时间。 实验对苯甲腈样品分子振动谱中5个典型分子振动模式的振动弛豫过程进行了测量， 一次获得了这种分子各振动模式对应的退相时间。 在实验中发现苯甲腈苯环中的面内弯曲振动模中存在振荡衰减现象， 这是由两个相邻简正振动模同时被激发并叠加而产生的。 还对苯甲腈与无水乙醇混合后的三个更强的振动模的振动弛豫过程进行了测量， 并得到了这种混合物的振动退相时间。 这种方法具有检测样品自身特性和所处微环境变化的能力， 在生物学、 化学和材料科学等研究领域具有重要的应用前景。

利用半经典理论分析了三束中心频率不同的窄线宽激光光场在样品中的相互耦合过程,得到一组描述相干反斯托克斯拉曼散射(CARS)过程的耦合波方程。结合时间分辨方法的原理,得到了描述使用窄线宽激光脉冲的时间分辨CARS(T-CARS)方法的耦合波方程。采用数值模拟方法研究了T-CARS方法中CARS信号和非共振背景噪声与入射光场之间的关系以及分子振动的弛豫过程。说明分子振动的退相时间可以作为区分成份和结构相近的分子以及监测样品所处微环境变化的依据。基于使用窄线宽激光光源的T-CARS方法的理论分析说明了使用宽谱激光具有同时获取生物分子完整拉曼光谱的能力。

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CARS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。

建立了一台基于新研制的高重复频率皮秒扫描相机的双光子激发荧光寿命显微成像系统,重点介绍所研制的高重复频率皮秒扫描相机。为了在高时间分辨力的同时扩大时间测量范围，实现大面积两维空间高时间分辨取样测量，从而提高采样速率和更有效地发挥扫描相机的作用，设计和研制了一种大面积、高时间分辨力扫描变像管和一种重复频率高达1MHz的斜坡电压扫描电路。基于上述关键部件所研制的扫描相机具有重复频率高、扫描速度可调、时间分辨力高、工作面积大、非线性低、触发晃动小等优点。用钛宝石飞秒激光器作为激光脉冲源，通过脉冲提取器将76 MHz的高重复频率降低为1 MHz，采用可调延时器和标准具对扫描相机的时间分辨力、扫描速度和非线性进行标定。该系统的时间分辨力达到6.5 ps，非线性为2.60%，可测量的时间范围从十几皮秒到几十纳秒。测量了若丹明6G和香豆素314两种标准荧光染料的荧光寿命，取得了与参考文献一致的实验结果。