專利名稱：非線性拉曼光譜設備、顯微光譜設備及顯微光譜成像設備的制作方法
技術領域：
本發明涉及非線性拉曼光譜設備、 顯微光譜設備以及顯微光譜成像設備，更具體地，本發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設備。
背景技術：
激光拉曼光譜是一種用于分離從暴露于作為泵浦光束的單波長激光的試樣散射出的光的分析技術。作為散射光的斯托克斯光束或反斯托克斯光束示出了相對于泵浦光束的波束位移量，并且觀察該位移量作為特定光譜，該光譜對應于試樣物質獨特的分子振動模式。因此，連同紅外線光譜，拉曼光譜已經廣泛用作分子指紋領域的光譜，從而分析/評估物質，執行醫學診斷并且研發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是測量拉曼散射光的技術，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包括了作為激發光的泵浦光束、探測光束以及斯托克斯光束這三種入射光束中的散射光。這種三階非線性光學處理的示例為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。對于CARS光譜，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。在照射后，分離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，從而得到光譜(例如，參見日本未審查專利申請公開第5-288681號、2006-276667號以及2010-2256號)。同樣，過去已經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(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，數十飛秒到數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，不利地是，產生的設備昂貴且復雜。為了避免該缺點，已經建議利用光子晶體光纖(PCF)通過增加脈沖寬度為O. Ins到IOns的脈沖光的帶寬來生成超連續譜光的方法(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光譜等作為代表的非線性拉曼光譜可避免受到任何熒光背景的影響，并且進一步提高檢測靈敏度。為此，已經將非線性拉曼光譜尤其作為生物系統的分子成像技術進行積極研發。
發明內容
然而，對于現有的非線性拉曼光譜，尤其是上述的多路CARS光譜，存在以下缺點由于通過PCF、高度非線性光纖(HNLF)等生成寬帶白光，導致光學損傷(尤其是靠近光入射端面的嚴重光學損傷)，從而限制了最大的入射功率。通常，使用PCF或HNLF可確保寬帶特性這一優點，但在CARS光譜分析中，該優點轉變為缺點，由于寬帶特性導致每波長的光功率降低。PCF還具有需要對端面進行特殊處理的缺點。
而且，由PCF產生的超連續譜光(寬帶光)的光束剖面通常不是理想的高斯光束剖面。具有這種光束剖面的激光不是理想的，原因在于其可能造成顯微光譜技術和顯微光譜成像所獲得的圖像劣化。因此，期望提供高效、非常穩定并且小型的非線性拉曼光譜設備、顯微光譜設備以及顯微光譜成像設備。為了解決上述問題，通過不斷的實驗和研究，本發明的發明人得出下面的結果。尤其地，用于生物系統時，重要的因素是在稱為分子指紋區域的SOOcnr1到seoocnr1的分子振動光譜區域內的光譜。為此，對于使用了非線性拉曼光譜的顯微光譜成像，為了提高作為輸入激光束質量的非線性光學效應，需要高峰值功率、可用的高斯光束以及線性偏振狀態。當從單模光纖(SMF)發射的光的波長接近或長于SMF的截止波長，那么該光的空間強度分布為理想的高斯光束。因此，本發明的發明人已經研究使用廉價且容易得到的SMF來代替PCF和HNLF的可能性，用于生成針對斯托克斯光束的寬帶白光。結果，發明人發現 使用SMF可獲得理想的高斯光束。此外，非線性拉曼光譜期望包括了泵浦光束、探測光束以及斯托克斯光束的這三種光束的電場矢量對于所有點沿著同一方向，并且期望在產生這種光束的那部分中的偏振是線性的。關于這一點，本發明的發明人已發現使用任何特定的SMF，尤其是保偏單模光纖(PF-SMF)，可獲得卓越的線性偏振斯托克斯光束，從而提出了本發明。S卩，根據本發明的實施方式的非線性拉曼光譜設備，包括兩個光源，每個都被配置為發射短脈沖激光；以及脈沖控制部，被配置為對從所述光源中的一個發射的短脈沖激光進行時間延遲。在該設備中，該兩個光源可包括第一光源，被配置為產生短脈沖激光；以及第二光源，被配置為產生波長長于第一光源的波長的短脈沖激光。在這種情況下，脈沖控制部可對于第二光源發射的短脈沖激光進行時間延遲。此外，第一光源發射出的短脈沖激光可包括斯托克斯光束，第二光源發射出的光可以是泵浦/探測光束。通過脈沖控制部對第二光源發射出的短脈沖激光進行時間延遲，可同時由斯托克斯光束和泵浦/探測光束照射作為測量目標的樣本。此外，非線性拉曼光譜設備還可包括單模光纖，被配置為從第一光源發射出的短脈沖激光中產生作為連續白光的斯托克斯光束。此外,脈沖控制部可通過電控制(electrically control)第二光源而對短脈沖激光進行時間延遲。此外，非線性拉曼光譜設備還可包括檢測部，被配置為復合斯托克斯光束和泵浦/探測光束并且檢測其間的時間差，其中，檢測部的檢測結果可反饋至脈沖控制部。根據本發明的實施方式的顯微光譜設備和顯微光譜成像設備都包括上述的非線性拉曼光譜設備。根據本發明的實施方式，實現了小尺寸、具有高效率及出色穩定性的非線性拉曼光譜設備、顯微光譜設備以及顯微光譜成像設備。鑒于本發明的最佳模式實施方式(如附圖中所示)的下文具體描述，本發明的這些和其它目標、特征和優點將更加顯而易見。
圖I是示出了根據本發明的第一實施方式的非線性拉曼光譜設備的結構的示意圖；圖2是示出了通過使用長度為6m的單模光纖產生的斯托克斯光束的光譜的曲線圖，其中，水平軸表示波長，垂直軸表示強度；圖3是示出了當入射激發光束的偏振面與單模光纖的快軸或慢軸匹配時，從保偏單模光纖發射的光的波長分布的曲線圖，其中，水平軸表示波長，垂直軸表示強度；圖4是示出了通過使用長度為6m的單模光纖產生的斯托克斯光束和泵浦光束的光譜的曲線圖，其中，水平軸表示波長，垂直軸表示強度；圖5是厚度為2mm的聚甲基丙烯酸甲酯板的CARS光譜的曲線圖，其中，水平軸表示波數，垂直軸表示強度；圖6是根據本申請的第二實施方式的非線性拉曼光譜設備的結構的示意圖；圖7是根據本申請的第三實施方式的非線性拉曼光譜系統的結構的概念圖；圖8是示出了斯托克斯光束強度分布的自相關函數的曲線圖，其中，水平軸表示波數，垂直軸表示強度； 圖9是示出了斯托克斯光束強度分布的曲線圖，其中，水平軸表示波數，垂直軸表示強度；圖10是示出了根據表達式6通過將厚度為Imm的聚對苯二甲酸乙二醇酯板的CARS光譜歸一化而獲得的結果的曲線圖；圖11是示出了如何得出表達式7的條件表達式的曲線圖；圖12是示出了短波長側分量被LPF (低通濾光片)截止的斯托克斯光束的強度分布的曲線圖，其中，水平軸表示波長，垂直軸表示強度；圖13是基于圖12中的斯托克斯光束的強度分布所測量的厚度為Imm的聚對苯二甲酸乙二醇酯板的CARS光譜的曲線圖；圖14基于圖12中的斯托克斯光束的強度分布所測量的厚度為Imm的聚乙烯板的CARS光譜的曲線圖；圖15是示出了根據本發明的第四實施方式的非線性拉曼光譜設備的結構的概念圖；圖16是示出了在使用長度為12m的保偏單模光纖并且平均激勵功率是50mW時的斯托克斯光束的強度分布的曲線圖，其中，水平軸表不波長，垂直軸表不強度；圖17是示出了在通過波長為561nm的泵浦/探測光束的光譜和邊緣波長為605nm的長通濾光片之后，斯托克斯光束的強度分布的曲線圖，其中，水平軸表示波長，垂直軸表示強度；圖18是示出了圖17中的斯托克斯光束的強度分布的曲線圖，其中，水平軸表示波數，垂直軸表示強度；圖19是示出了在使用長度為6m的保偏單模光纖并且平均激勵功率是50mW時的斯托克斯光束的強度分布的曲線圖，其中，水平軸表不波長，垂直軸表不強度；圖20是示出了使用參照波長為561nm的泵浦/探測光束表達的拉曼位移量的、圖19中的斯托克斯光束的強度分布的曲線圖，其中，水平軸表示波數，垂直軸表示強度；
圖21是示出了根據本發明的第四實施方式的變型例的非線性拉曼光譜設備的結構的概念圖；圖22是示出了根據本發明 的第五實施方式的非線性拉曼光譜設備的結構的概念圖；以及圖23是示出了根據本發明的第六實施方式的非線性拉曼光譜設備的結構的概念圖。
具體實施例方式在下文中，將參照附圖描述本發明的實施方式。下面的描述在各方面都是描述性的并且不限于下面的實施方式。按照下列順序進行描述。I.第一實施方式(使用單模光纖用于產生斯托克斯光束的示例性設備)2.第二實施方式(在泵浦光束及探測光束的光路上包括光纖的示例性設備)3.第三實施方式(包括用于將測量光譜歸一化處理的計算部的示例性系統)4.第四實施方式(包括兩個光源的示例性設備)5.第四實施方式的變型例(包括反饋機構的示例性設備)6.第五實施方式(包括AOTF(聲光可調濾光片)的示例性設備)7.第六實施方式(使用鎖相放大器的示例性設備)[I.第一實施方式][設備的整體結構]首先，描述根據本發明的第一實施方式的非線性拉曼光譜設備。圖I是該實施方式的非線性拉曼光譜設備的結構的示意圖。該實施方式的非線性拉曼光譜設備I為CARS光譜設備，并且如圖I所示，被配置為包括光源部10、泵浦/探測光束發生部20、斯托克斯光束發生部30、光束照射部40以及測量部50。[光源部10]光源部10至少設置有發射脈沖光的激光器11以及偏振光束分離器13，該分離器將脈沖光劃分至泵浦/探測光束發生部20以及斯托克斯光束發生部30。光源部10朝著泵浦/探測光束發生部20以及斯托克斯光束發生部30發射預定的脈沖光。只要能夠生成脈沖寬度為O. 2ns到10ns、脈沖峰值功率為50W到5kW以及波長為500nm到1200nm的脈沖光束，激光器11并不受類型限制。例如，這種激光器的代表是便宜且小型的調Q型Nd: YAG激光器，該激光器在1064nm處振蕩并且生成亞納秒重復脈沖。這種調Q型激光器并不是唯一選擇，例如還可使用鎖模Nd = YAG激光器，NdiYVO4或Nd = YLF皮秒激光器以及Yb摻雜光纖皮秒激光器等。
當短波長光用于測量時，來自上述的激光器中的任意一個光可被用作激發光以使用諸如KTP (鉀鈦磷)或LBO (三硼酸鋰)的用于二次諧波發生的光學晶體產生SHG (二次諧波發生)光。在這種情況下，激發光束的波長為1064nm時，在二次諧波發生引起波長轉換之后的波長為532nm。同樣，在該實施方式的非線性拉曼光譜設備I中，可適當地使用發射波長為532nm或1064nm光的任何激光器。
此處，從光源部10中發射的脈沖光的波長并非受限于上述這些，例如，在Nd:YAG激光器的情況下，除了波長為1064nm的光束，該激光器還可振蕩波長為1319nm，1122nm和946nm的光束。在Nd: YVO4激光器的情況下，除了波長為1064nm的光束，該激光器還可振蕩波長為1342nm和914nm的光。而且，Nd: YLF激光器可用于振蕩波長為1053nm或1047nm的光，Yb:YAG激光器可用于振蕩波長為1030nm的光。對于使用這些波長作為基波的二次諧波發生，可獲得波長除了為532nm，還可以是660nm, 561nm, 473nm, 671nm, 457nm, 527nm, 523nm 以及 515nm 的 SHG 光束。此處關注的是，如果脈沖寬度短于0.2ns，那么激光器機構復雜且昂貴。另一方面，如果脈沖寬度超過10ns，那么每次出射的脈沖能量過大，具體而言，激光光束的脈沖能量大于等于5 μ J，可能對光纖端面造成損害，或者使得斯托克斯光束的特性不穩定。同樣，操作激光器時的功率消耗必然增大。鑒于此，從激光器11中發射的脈沖光束的脈沖寬度優選地為 O. 4ns 到 5ns。為了產生三階非線性光學效應，以便在長度較短的光纖中獲得連續白光，脈沖光束的峰值功率優選為高。因此，在該實施方式的非線性拉曼光譜設備I中，由于期望高峰值功率，為了防止脈沖能量增大，減小脈沖寬度，從而減少每次出射的脈沖能量，以便防止平均功率隨著重復率而增大。例如，如果脈沖寬度在上述范圍內，并且重復率為IOkHz到50kHz，那么平均功率被控制為小于等于250mW。例如，滿足這種規格的光源部10可以被配置為包括設置有用于二次諧波發生的KTP晶體的SHG單元的無源調Q型Nd: YAG固體激光器(由ALPHALAS GmbH生產的PLUSELASP-1064-300)。在該結構中，可發射(例如)波長為532nm、平均功率為100mW、脈沖寬度為600ps、以及重復率為30kHz的光束。可替換地，光源部10可設置位于激光器11和偏振光束分離器13之間的半波板
12。半波板12為偏振元件，其旋轉從激光器11中發射的光束的偏振面。當半波板12的光軸旋轉Θ時，激光束的偏振面在通過后旋轉了 2 Θ。據此，來自激光器11的光束分為垂直偏振光和水平偏振光。因此，在偏振光束分離器13內可適當地將光束分為激勵脈沖光束4以及泵浦/探測光束(后文中簡稱為泵浦光束)3。[泵浦/探測光束發生部20]泵浦/探測光束發生部20設置有光程調整機構，以便使來自光源部10的脈沖光束(泵浦光束3)與斯托克斯光束5 (稍后描述)同時進行照射。具體地說，通過由多個鏡22a到22d、23a、23b、24、25a以及25b反射泵浦光束3，調整泵浦光束的光程，從而調整與斯托克斯光束5的定時(timing)。在本文中，光程調整機構并非受限于圖I中所示的結構，如果利用鏡22a至22d、23a以及23b的光學布置就可以使泵浦光束3的光程與斯托克斯光束5的光程相同，那么可不必設置鏡24、25a以及25b。
當下面進一步描述的保偏單模光纖用作單模光纖32時，半波板21設置在第一鏡22a之前，以便使泵浦光束3的偏振面的方向與斯托克斯光束5的偏振面的方向一致。注意，當使用任何普通的單模光纖時，可不必使用這種半波板21。[斯托克斯光束發生部30]斯托克斯光束發生部30用于從來自光源部10的脈沖光束4中生成斯托克斯光束5 (即，連續白光)。斯托克斯光束發生部30至少設置有單模光纖32。此處，斯托克斯光束5的波長范圍包括對應于分子指紋區域(拉曼位移量為300cm-1到3600cm-1)的斯托克斯光束的波長，并且由下面的表達式I表示。在下面的表達式I中，λ表示斯托克斯光束的波長(nm)，λρ表示泵浦光束的波長(nm)。波數ω (cnT1)和波長λ (nm)之間的關系可由下面的表達式2表不。[表達式I]
權利要求
1.一種非線性拉曼光譜設備，包括 兩個光源，每個所述光源都被配置為發射短脈沖激光；以及 脈沖控制部，被配置為對從所述光源中的一個發射的所述短脈沖激光進行時間延遲。
2.根據權利要求I所述的非線性拉曼光譜設備，其中 所述兩個光源包括第一光源，被配置為產生短脈沖激光；以及第二光源，被配置為產生波長長于所述第一光源產生的短脈沖激光的波長的短脈沖光激光，以及所述脈沖控制部對從所述第二光源發射的短脈沖激光進行時間延遲。
3.根據權利要求2所述的非線性拉曼光譜設備，其中 從所述第一光源發射的短脈沖激光包括斯托克斯光束，來自所述第二光源的光是泵浦/探測光束，以及 通過所述脈沖控制部對從所述第二光源發射的短脈沖激光進行時間延遲，所述斯托克斯光束和所述泵浦/探測光束同時照射作為測量目標的樣本。
4.根據權利要求3所述的非線性拉曼光譜設備，還包括 單模光纖，被配置為從所述第一光源發射的短脈沖激光中產生為連續白光的所述斯托克斯光束。
5.根據權利要求2所述的非線性拉曼光譜設備，其中 所述脈沖控制部通過電控制所述第二光源來對所述短脈沖激光進行時間延遲。
6.根據權利要求5所述的非線性拉曼光譜設備，還包括 檢測部，被配置為將所述斯托克斯光束和所述泵浦/探測光束復合并且檢測所述斯托克斯光束和所述泵浦/探測光束之間的時間差，其中所述檢測部的檢測結果反饋至所述脈沖控制部。
7.根據權利要求4所述的非線性拉曼光譜設備，其中 聲光可調濾光片設置在所述單模光纖之后的后續級。
8.根據權利要求7所述的非線性拉曼光譜設備，其中 根據所述斯托克斯光束的強度分布來調節波長選擇時間或所述聲光可調濾光片的超聲強度。
9.根據權利要求7所述的非線性拉曼光譜設備，其中 通過使用所述聲光可調濾光片，執行對應于多個分子振動光譜的波長選擇，從而測量相干反斯托克斯拉曼散射光譜強度，并且執行相對于參考光譜強度的量比的測量和成像之O
10.根據權利要求4所述的非線性拉曼光譜設備，進一步包括 長通濾波片，設置在所述單模光纖的出射側。
11.一種顯微光譜設備，包括根據權利要求I所述的非線性拉曼光譜設備。
12.—種顯微光譜成像設備，包括根據權利要求I所述的非線性拉曼光譜設備。
全文摘要
本發明提供了一種非線性拉曼光譜設備、顯微光譜設備及顯微光譜成像設備。其中，該非線性拉曼光譜設備包括兩個光源和脈沖控制部。這兩個光源都被配置為發射短脈沖激光。該脈沖控制部被配置為對從光源中的一個發射出的短脈沖激光進行時間延遲。
文檔編號G01N21/65GK102778448SQ201210139289
公開日2012年11月14日 申請日期2012年5月7日 優先權日2011年5月13日
發明者玉田作哉 申請人:索尼公司