專利名稱：非線性拉曼光譜儀器、非線性拉曼光譜系統(tǒng)及其方法
技術領域：
本發(fā)明涉及非線性拉曼光譜儀器以及使用該儀器的非線性拉曼光譜系統(tǒng)和非線性拉曼光譜方法。更詳細地，本發(fā)明涉及對于使用寬帶光源作為斯托克斯光束的多路相干反斯托克斯拉曼光譜的儀器、系統(tǒng)和方法。
背景技術：
激光拉曼光譜是使用具有單一波長的激光作為泵浦光束來照射試樣并獲得該試樣的散射光光譜的分析方法。觀察斯托克斯光束或反斯托克斯光束(即上述散射光)的波數(shù)相對于泵浦光束的波數(shù)的位移量作為特定物質(zhì)光譜，該光譜對應于試樣物質(zhì)獨特的分子振動模式。因此，連同紅外線光譜，拉曼光譜已經(jīng)廣泛用作分子指紋領域的光譜，從而分析和評估物質(zhì)，執(zhí)行醫(yī)學診斷并且研發(fā)諸如新藥物和食物的有機物。
非線性拉曼光譜與上述激光拉曼光譜的相似之處在于測量拉曼散射光，而不同之處在于使用三階非線性光學處理(third-order non-linear optical process)。三階非線性光學處理要檢測作為激發(fā)光束的三種入射光(即，泵浦光束、探測光束以及斯托克斯光束)中的散射光。實例包括CARS (相干反斯托克斯拉曼散射)、CSRS (相干斯托克斯拉曼散射)、受激拉曼損失光譜以及受激拉曼增益光譜。在CARS光譜中，通常由泵浦光束以及波長比泵浦光束的波長更長的斯托克斯光束照射試樣，從波長短于試樣散射的泵浦光束的波長的非線性拉曼散射光中獲得光譜(例如，參見日本未審查專利申請公開第5-288681號，日本未審查專利申請公開第2006-276667號以及日本未審查專利申請公開第2010-2256號)。同樣，過去已經(jīng)建議了使用白光作為光源用于生成斯托克斯光束的非線性拉曼光譜方法(參見日本未審查專利申請公開第2004-61411號(日本專利第3691813號))。另一方面，在上述的CARS光譜中，數(shù)十飛秒到數(shù)十皮秒的超短脈沖光用作激光，用于生成泵浦光束和斯托克斯光束。在這種情況下，存在的問題是，用于CARS中的儀器昂貴且復雜。為了避免該問題，已經(jīng)建議利用光子晶體光纖(PCF)使用由脈沖寬度為O. Ins到IOns的短脈沖所激發(fā)的超連續(xù)譜光的方法(參見日本未審查專利申請公開第2009-222531號)。與過去的拉曼光譜相比，上述以CARS光譜作為代表的非線性拉曼光譜可避免熒光背景的影響，并且進一步提高檢測靈敏度。為此，已經(jīng)將非線性拉曼光譜尤其作為生物系統(tǒng)的分子成像技術進行積極研發(fā)。
發(fā)明內(nèi)容
然而，在上述非線性拉曼光譜中，尤其是多路CARS光譜中，利用PCF、高度非線性光纖(HNLF)等生成寬帶白光，因此導致較大的光學損耗(尤其是靠近入射端面的光學損耗)，從而限制最大的入射功率。通常，當使用PCF或HNLF時，優(yōu)點在于可確保其光譜的寬闊性。然而，在CARS光譜中，過度的寬闊性造成每單位波長的光功率密度下降。同樣，PCF的問題在于要進行特殊的端面處理。而且，從PCF產(chǎn)生的超連續(xù)譜光(光束)的光束剖面通常不是理想的高斯光束剖面。具有該光束剖面的激光不是優(yōu)選的，原因在于其可能造成顯微光譜技術或顯微光譜成像所獲得的圖像劣化。因此，主要是期望提供高效、非常穩(wěn)定并且小型的非線性拉曼光譜儀器、非線性拉曼光譜系統(tǒng)以及非線性拉曼光譜方法。為了解決上述問題，通過不斷的實驗和研究，發(fā)明人得出下面的結果。尤其地，用于生物系統(tǒng)時，重要的是在稱為分子指紋區(qū)域的SOOcnr1到seoocnr1的分子振動光譜區(qū)域內(nèi)獲得光譜。為此，在通過非線性拉曼光譜技術的顯微光譜成像中，為了提高代表輸入激光束質(zhì)量的非線性光學效應，需要高峰值功率、高斯光束以及線性偏振狀態(tài)。
另一方面，如果發(fā)射光的波長接近或長于單模光纖(SMF)的截止波長，那么從SMF中發(fā)射的光的空間強度分布為理想的高斯光束。因此，發(fā)明人已經(jīng)研究使用廉價且容易得到的SMF來代替PCF或HNLF，用于生成針對斯托克斯光束的寬帶白光。結果，發(fā)明人已發(fā)現(xiàn)使用SMF也可獲得理想的高斯光束。而且，在非線性拉曼光譜中，泵浦光束、探測光束以及斯托克斯光束的三個脈沖的偏振面(電場矢量的方向)彼此理想地匹配。關于這一點，發(fā)明人已發(fā)現(xiàn)使用特定的SMF，尤其是保偏單模光纖(PF-SMF)，可獲得優(yōu)越的線性偏振斯托克斯光束，從而實現(xiàn)本發(fā)明的實施方式。S卩，根據(jù)本發(fā)明的實施方式的非線性拉曼光譜儀器，包括光源單元，發(fā)射的脈沖光束具有O. 2ns到IOns的脈沖寬度、50W到5000W的脈沖峰值功率以及500nm到1200nm的波長；以及單模光纖，從脈沖光束產(chǎn)生的連續(xù)白光通過該單模光纖，并且利用由脈沖光束所形成的泵浦光束兼探測光束(pump-cum-probe beam)以及由連續(xù)白光所形成的斯托克斯光束照射待測的試樣，從而獲得拉曼光譜。在該儀器中，例如，保偏單模光纖可用作單模光纖。在這種情況下，可設置半波板，該半波板旋轉從光源單元引入的脈沖光束的偏振面，并且偏振面被半波板旋轉為與單模光纖的快軸或慢軸平行的脈沖光束進入單模光纖。同樣，可設置將泵浦光束兼探測光束的偏振面的方向與斯托克斯光束的偏振面一致的半波板。另一方面，單模光纖的纖維長度(例如)可以是Im到20m。而且，可進一步設置光學纖維，通過該光學纖維調(diào)整泵浦光束兼探測光束的光路長度，從而用泵浦光束兼探測光束以及斯托克斯光束同時照射試樣。在這種情況下，當通過光纖輸入等于或低于數(shù)mW的低激勵功率時，可使用單模光纖或保偏單模光纖作為光學纖維。當輸入的激勵功率等于或大于數(shù)mW時，酌情增大纖芯，并且可使用纖徑等于或大于8 μ m的保偏單模光纖、芯徑等于或小于100 μ m的多模光纖、大模場光纖或光子晶體大模場光纖。根據(jù)本申請的另一實施方式的非線性拉曼光譜系統(tǒng)包括上述非線性拉曼光譜儀器以及將非線性拉曼光譜儀器中測量到的拉曼分光光譜歸一化的計算單元。在該系統(tǒng)中，在計算單元中，當ω和ω'均表示波數(shù)(cnT1)時，根據(jù)下面的表達式1，從泵浦光束的功率Pp和斯托克斯光束的強度光譜分布Ss(CO)中可計算歸一化因子Rn(CO),并且根據(jù)下面的表達式2，使用歸一化因子Rn(CO)來歸一化測量光譜\(ω)，以得出歸一化光譜Sn (ω)。表達式I
權利要求
1.一種非線性拉曼光譜儀器，包括 光源單元，發(fā)射脈沖寬度為0. 2ns至10ns、脈沖峰值功率為50W至5000W并且波長為500nm到1200nm的脈沖光束；以及 單模光纖，經(jīng)由所述單模光纖從所述脈沖光束中產(chǎn)生連續(xù)白光；其中， 利用由所述脈沖光束形成的泵浦光束兼探測光束以及由所述連續(xù)白光形成的斯托克斯光束照射待測的試樣，從而獲得拉曼光譜。
2.根據(jù)權利要求I所述的非線性拉曼光譜儀器，其中，所述單模光纖是保偏單模光纖。
3.根據(jù)權利要求2所述的非線性拉曼光譜儀器，進一步包括 半波板，旋轉從所述光源單元引入的所述脈沖光束的偏振面；其中 偏振面被所述半波板旋轉為與所述單模光纖的快軸或慢軸平行的所述脈沖光束進入所述單模光纖。
4.根據(jù)權利要求2所述的非線性拉曼光譜儀器，進一步包括半波板，將所述泵浦光束兼探測光束的偏振面的方向與所述斯托克斯光束的偏振面的方向一致。
5.根據(jù)權利要求I所述的非線性拉曼光譜儀器，其中，所述單模光纖的纖維長度為Im到 20m。
6.根據(jù)權利要求I所述的非線性拉曼光譜儀器，進一步包括光學纖維，通過所述光學纖維調(diào)整所述泵浦光束兼探測光束的光路長度，使得利用所述泵浦光束兼探測光束以及所述斯托克斯光束同時照射所述試樣。
7.根據(jù)權利要求6所述的非線性拉曼光譜儀器，其中，所述光學纖維為纖芯徑等于或大于8 y m的保偏單模光纖、芯徑等于或小于100 u m的多模光纖、或大模場光纖或光子晶體大模場光纖。
8.根據(jù)權利要求I所述的非線性拉曼光譜儀器，進一步包括 長通濾波片，設置在所述單模光纖的出射側。
9.一種非線性拉曼光譜系統(tǒng)，包括 根據(jù)權利要求I所述的非線性拉曼光譜儀器；以及 計算裝置，將所述非線性拉曼光譜儀器中所測量的拉曼分光光譜歸一化。
10.根據(jù)權利要求9所述的非線性拉曼光譜系統(tǒng)，其中，在所述計算裝置中，當《和 均表示波數(shù)(cm—1)時，根據(jù)下面的表達式(A)從所述泵浦光束的功率Pp和所述斯托克斯光束的強度光譜分布Ss ( )計算歸一化因子&( )，并且根據(jù)下面的表達式(B)，使用所述歸一化因子Rn( )將測量光譜Sc( )歸一化，以得出歸一化的光譜Sn( )，
11.根據(jù)權利要求10所述的非線性拉曼光譜系統(tǒng)，其中，在所述單模光纖的出射側設置有當所述泵浦光束的波長為Xp(nm)并且測量最大波數(shù)為coJcnT1)時在短波長側的邊緣波長XJnm)在下面的表達式(C)所表示的范圍內(nèi)的長通濾光片或帶通濾光片，
12.—種非線性拉曼光譜方法，包括 從光源單元發(fā)射脈沖寬度為0. 2ns至10ns、脈沖峰值功率為50W至5000W并且波長為500nm至1200nm的脈沖光束； 經(jīng)由單模光纖從所述脈沖光束中產(chǎn)生連續(xù)白光；以及 利用由所述脈沖光束形成的泵浦光束兼探測光束以及由所述連續(xù)白光形成的斯托克斯光束照射待測量的試樣，從而獲得拉曼光譜。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種非線性拉曼光譜儀器、非線性拉曼光譜系統(tǒng)及其方法。該非線性拉曼光譜儀器包括光源單元和單模光纖，光源單元發(fā)射的脈沖光束具有0.2ns到10ns的脈沖寬度、50W到5000W的脈沖峰值功率以及500nm到1200nm的波長，經(jīng)由單模光纖從脈沖光束中產(chǎn)生連續(xù)白光。用脈沖光束所形成的泵浦光束兼探測光束以及連續(xù)白光所形成的斯托克斯光束照射待測的試樣，以獲得拉曼光譜。
文檔編號G01N21/65GK102735674SQ20121008084
公開日2012年10月17日 申請日期2012年3月23日 優(yōu)先權日2011年3月31日
發(fā)明者玉田作哉 申請人:索尼公司