[发明专利]一种提高精度的相干反斯托克斯拉曼散射光梳光谱探测方法

说明书

技术领域

本发明属于激光光谱技术领域，具体涉及一种新型的利用飞秒光学频率梳实现高精度相干反斯托克斯拉曼散射光梳光谱探测的方法。

背景技术

相干反斯托克斯拉曼散射（Coherent Anti-Stokes Raman Scattering, CARS）过程一直以来都被作为一种具有高灵敏度、高光谱分辨率的光谱探测方法，应用于物理、化学、材料科学、医药学、生物学以及生命科学等众多的研究领域中。通过对CARS光谱的研究，人们可以获得更多定性与定量的关于物质组成信息，如原子、分子等的能级结构、电子的组态、分子的几何形状、反应动力学等多方面物质结构的知识。与现有的其它显微成像技术相比，CARS光谱探测技术具有信号强度高，方向性好，灵敏度和探测效率高的优势。

然而，对于传统的CARS光谱技术，非共振背景噪声的存在严重影响CARS系统的探测灵敏度和光谱选择性，已成为其实用化的瓶颈。现有的抑制非共振背景噪声的方案，包括偏振探测、时间分辨探测、相位控制和整形。偏振探测方案要求光源为线偏振态，并且精密控制泵浦光和斯托克斯光的偏振夹角；时间分辨探测采用超短脉冲激光作为激发光，在泵浦光、探测光和斯托克斯光之间引入时间延迟来消除噪声，其精度依赖于激光的带宽和光谱的线宽；相位控制和整形的方法采用空间光调制器，在不同光谱成分间引入相位失配来抑制背景噪声，但其光谱分辨率受激光光谱带宽内空间调制器分辨率的限制。

除此之外，至今发展的超分辨光学成像技术无法实现宽频谱且高精度的光谱探测和光谱成像，极大地限制了现有技术在细胞分子原位识别、细胞分子图谱表征的重大基础问题方面的应用；在高端装备制造工业应用等领域，同时需要实现大视场的非接触式检测和空间高分辨率的测量，通常大视场光学成像的空间分辨率低，而显微光学成像的观测视场小，在现有的技术框架下，两者无法统一；为获得高精度的测量和高灵敏度的痕量分析，通常需要凭借对信号长时间的时间积分来实现，无法获得快速、实时的测量结果；现有的光谱成像分析设备的测量精度取决于光谱仪的分辨精度，需要采用复杂、昂贵的光谱测量设备，导致光谱成像分析仪的复杂度和成本大大提高。

综上所述，目前的CARS光谱测量与检测技术仍存在不足。

发明内容

本发明的目的是针对上述现有技术的不足之处，提供一种提高精度的相干反斯托克斯拉曼散射光梳光谱探测方法，该方法利用光学频率梳作为光谱测量系统的光源，有效改进了传统的相干反斯托克斯光谱测量系统，并结合双光梳光外差技术实现了一种快速、高精度、高灵敏度的相干反斯托克斯拉曼散射（CARS）光谱检测方法。

实现本发明目的的具体技术方案是：

    一种提高精度的相干反斯托克斯拉曼散射光梳光谱探测方法，其特点在于采用两台飞秒光梳发生器作为CARS系统的泵浦-探测光源和斯托克斯（Stokes）光源，有效提高光谱测量的光谱分辨精度；经过CARS光谱测量系统后，产生的反斯托克斯信号光与参考光梳进行拍频和双光梳光外差探测；并且在探测部分采用偏振相关平衡探测技术，消除泵浦光引入的干扰，从而实现高灵敏度、高频率分辨精度、快速、实时的CARS光梳光谱探测；其中：

所述的飞秒光梳发生器是指脉冲载波包络相位和脉冲重复频率稳定的锁模激光器。

所述的相干反斯托克斯拉曼散射光谱测量是指利用两束及以上的激光，分别用作泵浦光ω₁，探测光ω₂（ω₂可以等于ω₁），斯托克斯光ω₃（通常ω₃<ω₁=ω₂）；三束光同时经过待测物体，在相干拉曼效应作用下，产生第四束光即反斯托克斯信号光ω₄=ω₁+ω₂-ω₃或ω₄=2ω₁-ω₃，其中信号光携带了物质振动能级的分布信息，可以用于标定物质的振动能级光谱，即实现对物质CARS光谱的测量。