利用超陡滤波片简化的相干反斯托克斯拉曼散射光谱装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了利用超陡滤波片简化的相干反斯托克斯拉曼散射光谱装置及方法，包括依次沿激光脉冲方向设置的棱镜对、超陡长通滤波片、分束镜、物镜、聚光透镜、第一超陡短通滤波片、第二超陡短通滤波片、透镜以及第二光谱仪，分束镜的正下方设置有用于根据分束镜反射光束检测超陡长通滤波片产生的超陡边沿波长的第一光谱仪，待测样品设置在物镜和聚光透镜之间。本发明专利技术利用超陡滤波片产生的超陡边沿，实现探测光子频率位置的标记，将陷波滤波片移出系统外，进一步简化单光束CARS系统。

Simplified coherent anti-Stokes Raman scattering spectrometer using ultra-steep filter and its method

【技术实现步骤摘要】
利用超陡滤波片简化的相干反斯托克斯拉曼散射光谱装置及方法
本专利技术涉及振动模式和分子结构检测领域，具体涉及一种利用超陡滤波片简化的相干反斯托克斯拉曼散射光谱装置及方法。
技术介绍
作为检测振动模式和分子结构最有用的光学技术之一，自发拉曼散射(SPR)光谱已经得到了的广泛应用。然而由于其自身信号强度弱的问题，SPR很难用于生物医学的快速成像。相干反斯托克斯拉曼散射(CARS)的信号强度相比SPR要高5，6个数量级，在生物医学研究中得到广泛应用，尤其是在活细胞成像方面。CARS是一种三阶非线性光学过程，其中频率为ωP的泵浦光子和频率为ωS的斯托克斯光子在频率Ω＝ωP-ωS处相干地激发分子振动。随后使用频率为ωPR的探测光子探测激发的振动，在频率为ωaS＝ωPR+Ω处生成蓝移的反斯托克斯光子。尤其是，在人们利用两束重合的飞秒激光脉冲实现了活细胞的三维成像以后，CARS显微成像技术引起了人们极大的兴趣。CARS通常通过使用多光束或多光源方案(以满足泵浦光子，斯托克斯光子以及探测光子的频率成分要求)来执行，要求所有激发光束必须在空间上重叠。尽管如此，作为三阶非线性效应的CARS过程，由于其固有的非共振信号往往比所需要的共振信号强两个数量级以上，而且，所测CARS光谱是非共振信号和共振新的干涉，这大大限制了CARS技术的发展。为了克服这一局限性，人们证明了偏振CARS显微技术,大大地抑制了非共振信号，但所需要的共振信号强度也不可避免地减弱大约一个数量级。为简化CARS的复杂系统，且降低非共振信号的贡献，人们已经使用脉冲整形器成功演示了单光束CARS光谱。与替代方案相比，单波束CARS由于其自身的简单、紧凑性尤其具有吸引力。在单光束CARS中，所有必需的泵浦光子，斯托克斯光子和探测光子同时由单个宽带飞秒激光器提供。利用单光束CARS提取物质的振动谱或拉曼谱时，通常利用两种方法。一种是通过扫描泵浦光子与探测光子之间的时间差来分辨，即当该时间差等于分子振动周期的整数倍时，该振动得到了选择激发。另一种方法是通过标定探测光子的频率位置(ωPR)，测量蓝移反斯托克斯光子的光谱(ωaS)，拉曼光谱可以通过公式Ω＝ωaS-ωPR提取。利用相位整形将一束宽带宽飞秒脉冲变为脉冲链，通过扫描脉冲链的子脉冲之间的固定时差可以选择激发分子的振动。由于非共振信号对于相位非常敏感，但共振信号却不敏感，因而相位整形还有助于提高信噪比，实现高光谱分辨率的单光束CARS。然而，这种方案由于整形技术的复杂性以及较低的探测灵敏度使其很难得到广泛的应用。为了进一步简化CARS系统，使用陷波滤波器可以实现更简单的单波束CARS方法，无需脉冲整形器。通过在激光光谱上创建陷波特征(ωPR)，并在CARS谱上产生类似(尽管略微较弱)的特征(ωaS)。由于陷波滤波片的小巧、简单，容易安装于振镜扫描仪上对激光进行高频调制(高达几个kHz)。由于共振信号位置只与陷波频率位置ωPR有关，因此，可以利用自外差方法将非共振信号作为本地振荡器，除去非共振信号的同时放大较弱的共振信号。重要的是，这种方法可以用于所有基于光纤组件实现的CARS方案。这种方法还可以很容易地扩展到实现低频CARS光谱和显微镜，这对于研究大生物分子的低频振动模式很重要。相比普通的多光束CARS和基于脉冲整形器实现的单光束CARS方案而言，上述基于陷波滤波片实现的单光束CARS方案要简单、紧凑的多。然而，陷波滤波片的引入，使得该系统仍然比较昂贵，相对复杂。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供利用超陡滤波片简化的相干反斯托克斯拉曼散射光谱方法，以解决基于陷波整形实现的单光束CARS复杂、昂贵的问题，本专利技术利用超陡滤波片产生的超陡边沿，实现探测光子频率位置的标记，将陷波滤波片移出系统外，进一步简化单光束CARS系统。为达到上述目的，本专利技术采用如下技术方案：利用超陡滤波片简化的相干反斯托克斯拉曼散射光谱装置，包括依次沿激光脉冲方向设置的棱镜对、超陡长通滤波片、分束镜、物镜、聚光透镜、第一超陡短通滤波片、第二超陡短通滤波片、透镜以及第二光谱仪，分束镜的正下方设置有用于根据分束镜反射光束检测超陡长通滤波片产生的激发光谱超陡边沿波长的第一光谱仪，待测样品放置在物镜和聚光透镜之间。进一步地，所述棱镜对用于对激光脉冲进行色散补偿，且棱镜对设置在一维精密平移台上。进一步地，所述物镜置于第一三维精密平移台上；所述待测样品放置在石英玻璃管中，所述石英玻璃管置于第二三维精密平移台的样品槽上；所述聚光透镜置于第三三维精密平移台上。利用超陡滤波片简化的相干反斯托克斯拉曼散射光谱方法，包括以下步骤：步骤一：启动激光脉冲，待激光脉冲稳定后，将激光脉冲依次经过棱镜对、超陡长通滤波片、分束镜和物镜后导入待测样品，调节物镜和聚光透镜的位置使得第二光谱仪测量的CARS光谱强度最大；步骤二：利用第一光谱仪记录超陡长通滤波片产生的激发光谱超陡边沿的波长为λULPF1，同时记录这时的第二光谱仪测量的第一原始CARS光谱I1；然后旋转超陡长通滤波片使超陡边沿波长变化小于0.5nm，这时记录超陡长通滤波片产生的激发光谱超陡边沿波长为λULPF2时第二光谱仪测量的第二原始CARS光谱I2；步骤三：将第一原始CARS光谱I1和第二原始CARS光谱I2分别进行光滑处理，得到处理后的光谱的二次根，分别为和然后将第一原始CARS光谱I1和第二原始CARS光谱I2分别归一化，并将归一化的结果差分，即得待测样品的拉曼光谱，公式如下：进一步地，步骤一中激光脉冲在待测样品上的入射功率为10mW。进一步地，步骤一中通过调节第一超陡短通滤波片和第二超陡短通滤波片的相对角度，以保证放入待测样品后第二光谱仪探测到的全部是CARS信号，而没有泄漏的入射激光。进一步地，步骤一中通过调整物镜的位置使通过物镜的激光的焦斑位于待测样品的中部。进一步地，步骤三中利用Matlab软件的smooth函数将第一原始CARS光谱I1和第二原始CARS光谱I2分别光滑处理50次。与现有技术相比，本专利技术具有以下有益的技术效果：本专利技术充分利用超陡长通滤波片具有的多功能特性，即它不仅具有普通长通滤波片除去入射激光波长较短的部分谱，而且它具有类似于陷波滤波的特性，即在入射激光光谱上产生锐利的超陡边沿作为标记，同时可以产生延时探测的功能(类似于谐振腔的效果)。假定这个超陡边沿的频率为ωSE，那么，频率为ωaS的原始CARS光谱可以直接利用第二光谱仪测量，而超陡边沿的频率ωSE由第一光谱仪测量。因此，拉曼谱就可以根据公式Ω＝ωaS-ωSE提取出来。这里，超陡长通滤波片的陡度决定了CARS光谱分辨率。该陡度越陡，则CARS光谱分辨率越高。这样，将陷波滤波片移出基于陷波整形的单光束CARS系统，CARS光谱仍然具有较高的分辨率，更重要的是，大大地简化了单光束CARS光谱系统，使其更加紧凑、灵巧，易操作，同时大大地降低了CARS成本，为商业化应用铺平了道路。另外，由于超陡长通滤波片和超陡短通滤波片无限接近，这种基于超陡滤波片简化的单光束CARS方法更加适合于探测频率更低的振动模式，即太赫兹振动谱。早期理论预言，生物大分子(如蛋白和DNA)在太赫兹波段具有大振幅的振动模式，而且这些振动模式对于研究生物大分子的相应本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.利用超陡滤波片简化的相干反斯托克斯拉曼散射光谱装置，其特征在于，包括依次沿激光脉冲(1)方向设置的棱镜对(2)、超陡长通滤波片(3)、分束镜(4)、物镜(6)、聚光透镜(8)、第一超陡短通滤波片(9)、第二超陡短通滤波片(10)、透镜(11)以及第二光谱仪(12)，分束镜(4)的正下方设置有用于根据分束镜(4)反射光束检测超陡长通滤波片(3)产生的激发光谱超陡边沿波长的第一光谱仪(5)，待测样品(7)放置在物镜(6)和聚光透镜(8)之间。

【技术特征摘要】
1.利用超陡滤波片简化的相干反斯托克斯拉曼散射光谱装置，其特征在于，包括依次沿激光脉冲(1)方向设置的棱镜对(2)、超陡长通滤波片(3)、分束镜(4)、物镜(6)、聚光透镜(8)、第一超陡短通滤波片(9)、第二超陡短通滤波片(10)、透镜(11)以及第二光谱仪(12)，分束镜(4)的正下方设置有用于根据分束镜(4)反射光束检测超陡长通滤波片(3)产生的激发光谱超陡边沿波长的第一光谱仪(5)，待测样品(7)放置在物镜(6)和聚光透镜(8)之间。2.根据权利要求1所述的利用超陡滤波片简化的相干反斯托克斯拉曼散射光谱装置，其特征在于，所述棱镜对(2)用于对激光脉冲(1)进行色散补偿，且棱镜对(2)设置在一维精密平移台上。3.根据权利要求1所述的利用超陡滤波片简化的相干反斯托克斯拉曼散射光谱装置，其特征在于，所述物镜(6)置于第一三维精密平移台上；所述待测样品(7)放置在石英玻璃管中，所述石英玻璃管置于第二三维精密平移台的样品槽上；所述聚光透镜(8)置于第三三维精密平移台上。4.利用超陡滤波片简化的相干反斯托克斯拉曼散射光谱方法，采用权利要求1-3任一项所述的利用超陡滤波片简化的相干反斯托克斯拉曼散射光谱装置，其特征在于，包括以下步骤：步骤一：启动激光脉冲，待激光脉冲稳定后，将激光脉冲(1)依次经过棱镜对(2)、超陡长通滤波片(3)、分束镜(4)和物镜(6)后导入待测样品(7)，调节物镜(6)和聚光透镜(8)的位置使得第二光谱仪(12)测量的CARS光谱强度最大；步骤二：利用第一光谱仪(5)记录超陡长...

【专利技术属性】
技术研发人员：任立庆，王兆华，杨晓彤，吴雨亭，贺家乐，秦娜娜，
申请(专利权)人：榆林学院，
类型：发明
国别省市：陕西,61