[发明专利]用于受激拉曼检测的设备和方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于检测样本中的受激拉曼散射(SRS)类型的共振非线性光学信号的设备和方法。本发明尤其适用于显微镜学成像、光谱学、以及散射介质(诸如生物介质)中的高光谱成像。

背景技术

每一个化学键都拥有特定于它的振动频率。旨在使用光和物质之间的相互作用来获得关于这些分子振动的信息的方法被称为振动光学技术。这些技术中最著名的是红外(IR)光谱学，在IR光谱学中，观察存在于样本中的化学键的特定吸收线。在1928年发现，拉曼散射(以发现该效应的物理学家Chandrasekhara Venkata Raman命名)使得可见光可被用于获得与光束相互作用的分子的振动光谱。在拉曼散射过程中，入射在分子上的角频率ω_P的泵波非弹性地散射成为所谓的角频率ω_S的斯托克斯波以及所谓的角频率ω_AS的反斯托克斯波。所产生的波和泵波之间的频率差取决于(角频率Ω_R的)分子拉曼跃迁，以使得ω_P-ω_S＝ω_AS-ω_P＝Ω_R。从该过程的光子学观点来讲，斯托克斯波和反斯托克斯波分别对应于来自基本或激发振动能级的吸收。从激发振动能级产生反斯托克斯波的过程的可能性比产生斯托克斯波的过程小得多，斯托克斯波是在自发拉曼光谱学中在实践中观察到的唯一的波。斯托克斯波的光谱分布的严密研究提供关于存在于样本中的化学键的密度的信息。该自发非弹性散射过程与荧光相比是非常无效的(拉曼有效截面约为10^-30cm²/分子，与荧光团的1-光子有效吸收截面(其达到10^-16cm²/分子)相比较)。

称之为相干反斯托克斯拉曼散射(CARS)和受激拉曼散射(SRS)的受激拉曼技术是相对于自发拉曼散射过程而言提供大约10⁷的放大的相干拉曼散射过程。在这些技术(参见图1A)中，角频率ω_p和ω_s(或频率ν_p和ν_s)的两个激光脉冲(其角频率差被设置为等于期望探测到的振动能级的角频率Ω_R)被注入到将被分析的介质中。分别被表示为泵脉冲和斯托克斯脉冲的这些脉冲创建使角频率Ω_R的振动模式进入共振的频率跳动。在CARS过程中，该共振用泵束探测，泵束诱导角频率ω_AS的反斯托克斯散射。受激拉曼散射(SRS)是使用由于由泵场和斯托克斯场诱导的非线性场与激发(泵)场的相互作用而导致的非线性响应的过程，因此，与CARS过程相反，它在与泵脉冲和斯托克斯脉冲相同的频率上被观察到。它导致从泵束到斯托克斯束的能量转移。因此，受激拉曼散射涵盖两个过程，SRL(指受激拉曼损耗)过程和SRG(指受激拉曼增益)过程，这两个过程分别在泵束中引起强度损耗ΔI_SRL以及在斯托克斯束中引起强度增益ΔI_SRG(参见图1B)。例如在N.Bloembergen的综述文章(“The stimulated Raman effect”,American Journal of Physics,35:989-1023,1967年)中描述了SRS过程。已经表明，泵束的强度的降低ΔI_SRL和斯托克斯束的强度的增益ΔI_SRG与三阶非线性磁化率的虚部(Im(χ_R⁽³⁾))成比例。这些量的测量因此使得拉曼光谱的严谨计算变成可能。最近，振动光学技术更多地集中于SRS技术，与CARS技术相反，SRS技术不受总是存在于CARS中的非共振背景制约，并且与化学物种浓度是线性关系。

SRS显微镜学是利用飞秒SRS光谱学领域中的新进展的新技术。在2007年，Ploetz等人(“Femtosecond Stimulated Raman Microscopy”,Applied Physics B,87(3):389-393,2007)开发了第一台基于递送飞秒脉冲和皮秒脉冲的放大激光系统的SRS显微镜。该类型的系统诱发强SRS信号，但是却不适合于生物成像。具体而言，所用的(大约nJ的)高峰功率损坏样本，并且低重复率(1kHz)与快速扫描显微镜学不兼容。