北京大学未来技术学院,国家生物医学成像科学中心,北京 100871
相干拉曼散射(CRS)技术作为一种重要的无标记化学成像技术,通过相干激发分子协同振动对拉曼散射信号进行增益,显著地提高了成像速度,广泛应用于材料学、生物化学、肿瘤诊断、药代动力学等领域。超快脉冲激光器的出现实现了亚皮秒持续时间的脉冲输出,使得通过脉冲激发实现大量振动模式的同步相干激发成为新的CRS实现途径。从相干拉曼散射基本原理出发,介绍时域相干拉曼散射的主要实现途径,着重讨论时域受激拉曼散射(SRS)和时域相干反斯托克斯拉曼散射(CARS)的最新进展与应用。
拉曼光谱技术 相干拉曼散射 受激拉曼散射 相干反斯托克斯拉曼散射 时域 频域 激光与光电子学进展
2024, 61(6): 0618007
1 上海理工大学光电信息与计算机工程学院,上海 200093
2 复旦大学物理学系表面物理国家重点实验室,上海 200433
水是生物体中含量最多的一种物质,了解生物体内水的分布对于理解水的生理功能来说至关重要。相干反斯托克斯拉曼散射(CARS)作为一种非侵入的成像技术,能够对生物体内的水分子进行实时且免标记的成像。因此,设计并搭建了用于水的CARS被动同步光纤激光器系统,该被动同步系统由掺铒和掺镱锁模光纤激光器构成,通过将主脉冲注入到从激光器腔内引入非对易相移,进而实现无源同步,同步失配距离达到347 μm。结合功率放大技术、倍频技术和脉冲压缩技术,双路输出平均功率分别为146 mW和2 W,脉冲宽度分别为146.0 fs和9.1 ps。使用所搭建的同步光源在3156 cm-1处对新鲜小鼠耳朵组织进行CARS成像,成像效果良好。该同步光纤光源有望推动CARS技术在快速、实时、高效病理学检测领域的应用。
光纤激光器 被动同步 非线性光学 相干反斯托克斯拉曼散射 光学学报
2023, 43(23): 2336001
大连理工大学光电工程与仪器科学学院, 辽宁 大连 116000
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、 高光谱成像等方法进行分析鉴别, 这些方法需要较长时间的等待或预处理, 且易受主观因素的影响。 因此提出一种快速、 准确鉴别环境中是否含有微塑料的技术是必要的。 相干反斯托克斯拉曼散射(CARS)光谱成像技术是一种基于化学键振动的非侵入性、 非破坏性且无需特殊标记的实时成像方法, 由此提出使用多通道图像采集(含有白光通道成像及CARS光谱成像)的方法快速、 准确鉴别环境中微塑料的分布。 将直径为10 μm的聚苯乙烯微球掺入到收集的海水及沙子中, 模拟被微塑料污染的海水及沙子, 在不作任何处理的情况下对海水及沙子进行多通道图像采集。 通过多通道图像采集可以快速直观地检测到海水中聚苯乙烯微球的分布。 在对沙子中的聚苯乙烯微球进行多通道图像采集的同时, 采用拉曼光谱检测与之对照。 在拉曼光谱检测中, 聚苯乙烯微球的信号易受沙子荧光信号干扰, 且只有在激光聚焦在聚苯乙烯存在的位置时, 才能检测到微弱的信号。 在多通道图像采集检测中, 可以看到沙子中存在的聚苯乙烯微球, 且采用形态学分析中先腐蚀后膨胀的开运算算法同时结合中值滤波的算法后, 可以实现突出显示聚苯乙烯信号的目的。 多通道图像采集可以在无任何预处理的情况下检测出海水及沙子中的微塑料, 具有快速简便的优势, 对实现环境中微塑料的检测具有一定的潜在应用价值。
拉曼光谱 相干反斯托克斯拉曼散射 微塑料 聚苯乙烯 Raman Spectrum Coherent anti-Stokes Raman scattering Microplastics Polystyrene 光谱学与光谱分析
2022, 42(4): 1022
上海理工大学 光电信息与计算机工程学院, 上海 200093
实验展示了一种双色被动同步的全保偏光纤激光器, 该激光器可产生宽带光谱有望用于相干反斯托克斯拉曼散射光谱探测。激光器由掺镱与掺铒的光纤激光器组成, 采用注入式被动同步的方式, 在150 μm腔长失配距离内获得稳定的被动同步状态。其中掺铒激光器由高非线性光纤光谱展宽至1000~1700 nm, 与掺镱激光器输出光在空间中合束后通过和频晶体产生和频信号。被动同步双色光纤激光器可作为相干反斯托克斯拉曼散射的稳定、宽光谱探测超快光源, 有望实现宽光谱多个拉曼峰同时探测。
光纤激光器 激光同步 超连续谱产生 相干反斯托克斯拉曼散射 fiber laser laser synchronization supercontinuum generation coherent anti-Stokes Raman scattering
1 河北工业大学先进激光技术研究中心,天津 ,300401
2 河北省先进激光技术与装备重点实验室,天津 ,300401
利用单个飞秒激光振荡器作为激发源,搭建了光谱聚焦相干反斯托克斯拉曼散射(CARS)显微成像系统,采用SF10材质的玻璃棒对飞秒脉冲引入啁啾,以提高光谱分辨率,实现单一拉曼位移探测。实验以三聚氰胺为样品,开展了光谱聚焦CARS显微成像研究。同时,在光谱聚焦CARS显微成像系统的泵浦和斯托克斯光路中插入半波片,通过旋转半波片角度,进而改变线偏振激发脉冲的偏振方向。并研究了样品特定区域的共振信号/非共振背景的比值随半波片偏转角度的变化趋势,得到了样品特定区域的共振信号/非共振背景的比值最大时半波片的偏转角度。
显微 相干反斯托克斯拉曼散射 显微成像 光谱聚焦 三聚氰胺 非共振背景 激光与光电子学进展
2022, 59(10): 1018001
1 深圳市计量质量检测研究院, 广东 深圳 518055
2 哈尔滨工业大学物理系, 广东 深圳 518055
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。
相干反斯托克斯拉曼散射 非线性光学 Gouy相移 CARS Nonlinear optics Gouy phase shift 光谱学与光谱分析
2021, 41(11): 3648
光子学报
2021, 50(10): 1011003