光场调控在相干拉曼散射光谱与成像中的应用(特邀)

相干拉曼散射以其无标记、高灵敏、化学特异性等优势,被广泛应用于生物、医学、物理和化学的光谱与成像应用。通过对光场各项参数的调控,从时域、频域、相位、偏振等特性入手,可以解决光谱与成像应用中的实际问题。本文以光场调控原理为主线,综述了相干拉曼散射光谱与成像应用的研究进展。

时域相干拉曼散射技术浅析(特邀)

相干拉曼散射(CRS)技术作为一种重要的无标记化学成像技术,通过相干激发分子协同振动对拉曼散射信号进行增益,显著地提高了成像速度,广泛应用于材料学、生物化学、肿瘤诊断、药代动力学等领域。超快脉冲激光器的出现实现了亚皮秒持续时间的脉冲输出,使得通过脉冲激发实现大量振动模式的同步相干激发成为新的CRS实现途径。从相干拉曼散射基本原理出发,介绍时域相干拉曼散射的主要实现途径,着重讨论时域受激拉曼散射(SRS)和时域相干反斯托克斯拉曼散射(CARS)的最新进展与应用。

非平衡等离子体流场相干反斯托克斯拉曼散射光谱计算及振转温度测量

高温非平衡问题是高超声速流动中最基本的科学问题之一,而热力学非平衡特性的准确表征是理解高温非平衡问题和高超声速空气动力学的基础,如何准确可靠地表征流场的热力学非平衡特性是解决高超声速飞行器在稀薄流域高温非平衡问题的关键.本文基于相干反斯托克斯拉曼散射基本原理,开发了面向非平衡流场的振转温度反演算法,并在宽温度范围静态环境开展验证.搭建了非平衡等离子体流场相干反斯托克斯拉曼散射测温实验平台并开展实验验证,结果表明微波等离子体处于热力学非平衡状态,并且振动温度和转动温度与微波功率成正比,而热力学非平衡度与微波功率成反比,当微波功率从80W增加至180 W时,等离子体电子数密度增加,中性粒子通过与电子碰撞获得能量使振动温度从(2201±43)K增加至(2452±56)K、转动温度从(382±20)K增加至(535±49)K;而处于振动激发态的分子通过振动-平动弛豫过程(对于N2分子弛豫速率与温度成正比)将部分振动能转化为平动能,导致振动温度与转动温度的差异降低,等离子体热力学非平衡度从0.83降低至0.78.

飞秒相干反斯托克斯拉曼散射光谱测温研究进展

当今世界大约90%的能量供应都是由燃烧生成的。在燃烧场中,火焰的温度影响着场中各种组分链式反应的途径和浓度,获取燃烧场温度信息可以为提高燃料燃烧效率,改进燃烧装置的设计提供重要的支撑依据。随着我国在航空、航天和航海这类高端制造业领域的不断发展,各种大型燃气轮机和超声速发动机的研发进入加速期,此类燃烧装置产生的火焰具有高温、高压、湍流超声速和持续时间短等特点。传统的接触式测温法难以对这类湍流燃烧场进行温度测量,近年以激光光谱法为代表的非接触式测温技术逐渐走向成熟,并获得了广泛地应用。与超短脉冲相结合的飞秒相干反斯托克斯拉曼散射光谱测温技术凭借可提供高时间分辨率(每秒可提供上千个测温数据)、高测温精度和高测温灵敏度等优势而被应用到各种高温、湍流等复杂燃烧场景温度诊断中。文章概述了飞秒相干反斯托克斯拉曼散射测温技术的基本原理,综述了该技术在稳态火焰、加热气体、模拟燃气轮机等燃烧环境中测温工作的研究进展,简要介绍了飞秒时间分辨相干反斯托克斯拉曼光谱的研究和应用,着重介绍了可以实现毫秒量级时间分辨率的飞秒啁啾探测脉冲相干反斯托克斯拉曼散射测温技术和混合飞秒/皮秒相干反斯托克斯拉曼散射测温技术的基本原理和应用进展。指出了三种测温技术的优缺点,并提出飞秒相干反斯托克斯拉曼散射测温技术目前需要关注并解决的技术问题,主要为在高温高压湍流燃烧等极端条件下实现高精度CARS光谱高保真反演出温度信息,以及高温高压湍流燃烧场极端条件下如何获得高信噪比CARS信号的问题。展望了今后的发展趋势:通过高时间分辨的测量,获得湍流火焰中温度的瞬时演化规律,并建立各种复杂火焰的温度演化信息数据库,为研究各种发动机机理提供支撑。

锥形微纳光纤激发相干反斯托克斯拉曼散射光谱研究

从数值仿真和实验测量方面验证了使用锥形微纳光纤代替聚焦物镜产生相干拉曼散射信号的可行性。通过数值计算以及实验测量分析了超短脉冲在锥形微纳光纤中的传输特性,证明锥区长度为5cm的锥形微纳光纤可以有效保证超短脉冲在其中传输时的时域和谱域特性,并且功率衰减较小,850~1100nm波长范围内的实测插入损耗最大值不超过1.05dB,平均值0.84dB。然后,使用锥形微纳光纤成功探测到环己烷在2853cm^(-1)位置处的拉曼共振峰,证明了使用锥形微纳光纤激发相干拉曼光谱的可行性。使用锥形微纳光纤激发相干拉曼光谱具有信号激发灵活方便,摆脱了传统空间光学的约束,为相干反斯托克斯拉曼散射(coherent anti-Stokes Raman scattering,CARS)系统在内窥成像领域和微创检测领域的发展提供了一种新的途径。

用于水分子相干拉曼散射成像的光纤光源研究

水是生物体中含量最多的一种物质,了解生物体内水的分布对于理解水的生理功能来说至关重要。相干反斯托克斯拉曼散射(CARS)作为一种非侵入的成像技术,能够对生物体内的水分子进行实时且免标记的成像。因此,设计并搭建了用于水的CARS被动同步光纤激光器系统,该被动同步系统由掺铒和掺镱锁模光纤激光器构成,通过将主脉冲注入到从激光器腔内引入非对易相移,进而实现无源同步,同步失配距离达到347μm。结合功率放大技术、倍频技术和脉冲压缩技术,双路输出平均功率分别为146 mW和2 W,脉冲宽度分别为146.0 fs和9.1 ps。使用所搭建的同步光源在3156 cm^(-1)处对新鲜小鼠耳朵组织进行CARS成像,成像效果良好。该同步光纤光源有望推动CARS技术在快速、实时、高效病理学检测领域的应用。

相干拉曼散射显微术

相干拉曼散射显微术(Coherent Raman Scattering Microscopy)是一类植根于拉曼散射的光学显微成像方法,主要包含相干反斯托克斯拉曼散射(Coherent Anti-Stokes Raman Scattering,CARS)和受激拉曼散射(Stimulated Raman Scattering,SRS)两种方法.CARS/SRS显微术通过探测目标分子特定的振动来提供成像所需的衬度,通过非线性光学过程大大提高了检测的灵敏度,同时本征地具备三维成像能力.CARS和SRS显微术可以对脂类等不易被标记的物质成像,还可以很好地通过选择振动光谱,对生物体内特定小分子物质如药物等,以及生物大分子如核酸、蛋白质等进行无需标记的成像,因此成为极有潜力的活体(invivo)成像手段.本文主要介绍了CARS和SRS显微术的基本原理、实验操作及其在化学和生命科学中的应用.

光纤式相干拉曼散射成像光源研究进展

相干拉曼散射具有非侵入、无标记、化学特异性的优点,广泛用于生物组织成像、药代动力学等领域。主要介绍了光纤式相干拉曼散射(CRS)成像光源的实现方式及特点,总结了超连续谱展宽、孤子自频移和四波混频技术在提高双色超短脉冲输出功率、调谐范围、光谱分辨率方面的新进展。报道了基于四波混频的光参量振荡技术在产生可调谐双色超短脉冲方面的最新进展,采用全保偏光纤光路和光子晶体光纤,结合色散滤波和偏振操控技术,获得时间自同步、空间自重合、波长可调谐的双色超短脉冲,可实现脂类、蛋白和核酸的非侵入、无标记光谱检测与成像,为实现结构紧凑、使用方便、环境稳定的CRS提供了一个有效的技术途径。

相干拉曼散射显微技术及其在生物医学领域的应用

相干拉曼散射显微技术作为一种新型的成像技术,具有无标记、高特异性、非侵入等优点,已被广泛用于化学结构及物质成分分析。近年来,光子学、生物医学和显微成像技术等领域的相互交叉和融合发展,极大地推动了相干拉曼散射显微成像技术在生物医学领域的应用。简要介绍了相干拉曼散射显微成像的基本原理、分类、系统构成,同时概述了相干拉曼散射显微成像技术近年来在生物医学领域的应用,包括检测、脂类分析和蛋白质构象变化等,最后对其未来发展进行了展望。

相干反斯托克斯拉曼散射显微成像技术研究

基于全量子理论对相干反斯托克斯拉曼散射(CARS)过程进行了分析,在此基础上搭建了单频CARS显微成像系统,获得了不同尺寸聚苯乙烯微球高对比度的CARS显微图像.为了标定成像系统的空间分辨率,采用逐点扫描方式对直径为110 nm聚苯乙烯微球成像,从而重构出系统的点扩展函数.结果表明:该CARS显微成像系统的横向空间分辨率约为600 nm,而由阿贝衍射极限决定的理论空间分辨率约为300 nm.分析了导致分辨率降低的原因,并提出了解决方案.为实现纳米分辨的CARS显微成像打下了坚实的基础.

基于相干反斯托克斯拉曼散射的二维温度场扫描测量

开展了基于相干反斯托克斯拉曼散射(CARS)技术的二维温度场扫描测量研究。通过同步扫描测量点及信号接收端的方式,实验测量了甲烷/空气预混火焰水平截面离散点的温度,并插值重建了二维温度场;用同步扫描法调节测量点与火焰的位置,实现了在扫描过程中对火焰同一空间位置的温度测量,排除了火焰空间分布不均匀性对扫描测温结果的附加影响。最后分析了提出的扫描CARS测量系统在实验设定状态下的扫描测温A类不确定度。结果显示:在扫描测量同一空间位置的实验中,测得该点平均温度为2 074K;测温A类不确定度优于21K。本研究量化了扫描CARS温度测量系统的不确定度,提高了扫描温度测量结果的可信度,为后续稳态火焰温度分布高精度测量、计算机流体动力学(CFD)模拟验证及燃烧基本问题研究奠定了实验基础。

高光谱相干拉曼散射技术及其应用

生物样品存在着丰富的物质信息,每一种物质都有其自身独特的性质及功能,对这些物质在生物体内的产生、转运、分布等进行研究可以使我们更加深入地了解生物系统。具备良好化学特异性的光学显微镜为这些研究提供了强大且可靠的工具。拉曼散射技术由于解决了荧光显微镜所需的外源性标记所带来的问题,极大地促进了生物医学的发展。高光谱相干拉曼散射(hyperspectral coherent Raman scattering,HS-CRS)技术可对不同成分物质进行无标记化学成像,通过同时提供图像和光谱信息,对样品内物质的性质、含量和分布状况做出判断,为科研人员提供了更多维度的物质信息。HS-CRS技术在近几十年内进行了不断的技术更新并在生物医学领域完成新的技术应用,本文对主要的HS-CRS技术的实现形式及方案进行了介绍,并总结了HS-CRS技术在生物医学领域的应用。

液相硝基甲烷分子振动特性的相干反斯托克斯拉曼散射光谱

构建时间分辨相干反斯托克斯拉曼散射(CARS)光谱系统,从微观层次研究硝基甲烷的分子相干振动动力学特性.实验中采用超连续白光作为斯托克斯光,通过调整斯托克斯光的时间延迟,得到不同振动模式的CARS光谱.通过对振动弛豫曲线的拟合,获得硝基甲烷分子不同振动模式的振动失相时间.结果表明C-H键伸缩振动比C-N键伸缩振动更容易受热声子的影响.在热加载下,硝基甲烷分子的C-H键有望首先被激发并引起初始化学反应.

时间分辨相干反斯托克斯拉曼散射显微成像技术中光的干涉

时间分辨相干反斯托克斯拉曼散射显微成像技术中的泵浦光和探测光采用同一波长,可以很大程度上降低成像系统对光源的要求。采用振幅矢量叠加法理论上计算了波长相同的两束光经由物镜产生的双光束干涉,分析了产生的CARS信号强度波动的原因,并提出通过调整泵浦光与探测光的偏振方向相互垂直的方案消除干涉项,这样可以实现时间分辨CARS消除非共振背景的同时,保证产生的信号稳定。

采用圆偏振啁啾飞秒激光脉冲操控CS_2分子的相干拉曼散射过程

采用两束圆偏振啁啾飞秒激光脉冲,非共线相干激发三原子分子CS2液体.在相位匹配的方向上,探测到由CS2频率为397cm-1的振动模式产生的强度对称分布的相干反斯托克斯拉曼散射(CARS)信号和相干斯托克斯拉曼散射(CSRS)信号.当调整两束激发光的圆偏振状态时,CARS,CSRS信号的强度、偏振、波长均发生规律性的改变:CARS,CSRS信号的强度分布反映了CS2在不同极化状态下的受激拉曼散射截面大小;信号光的偏振方向决定于角动量守恒定律;信号波长的移动体现了CS2不同振转能级之间的跃迁.上述信息对了解CS2分子和其分子的CARS和CSRS效应的机理和行为是有参考意义的.

利用时间分辨相干反斯托克斯拉曼散射技术研究光催化产氢反应动力学

基于飞秒再生放大器及飞秒光学参量放大器输出的激光脉冲,搭建了宽带时间分辨相干反斯托克斯拉曼散射(CARS)测试装置,并利用该装置研究了氢气与空气混合气体中氢气的相对含量,探测相对延时与CARS光谱之间的关系.通过调整延时,获得了无非共振背景干扰的氢气CARS信号.实验中测得的CARS信号强度与氢气浓度(分压)的平方呈良好的线性关系,符合CARS理论预测.同时测得的实验数据的信噪比表明:在当前的实验条件下,在氢气与空气混合气的总压为0.1MPa时,该装置可以对氢气的浓度进行测量,且其检测极限可低至0.2%.本文还利用该装置对三联吡啶苯乙炔Pt配合物-Co配合物-三乙醇胺(TEOA)的三元化学催化体系的产氢动力学行为进行了研究,通过改变pH值讨论了该催化体系的产氢动力学机制.结果表明过高的质子浓度会降低体系的产氢效率,这可能是因为在酸性条件下,作为质子和电子供体的三乙醇胺分解被抑制,电子供应中断,导致产氢反应的停止.

相干反斯托克斯拉曼散射显微成像技术及其在生物医学领域的应用

相干反斯托克斯拉曼散射(CARS)成像技术是一种具有高信号强度、高化学选择性、无需外源标记的显微成像新技术。本文在简介CARS成像基本原理的基础上,综述了CARS显微成像技术的发展、与其它技术相结合等研究新方向,以及在生物医学领域的应用进展。

基于混合飞秒/皮秒相干反斯托克斯拉曼散射的动态高温燃烧场温度测量

温度测量对燃烧过程中的污染控制与节能减排具有重要意义,而实际应用中复杂的动态高温燃烧场对温度测量技术的测量精度与响应速度提出了严格的要求.相干反斯托克斯拉曼散射技术作为一种较为先进的光谱测温技术,具有较高的空间分辨率,可以在高温环境下实现准确的温度测量,具有应用于复杂燃烧场的潜力.针对复杂的动态高温燃烧场的测温需求,本文提出了一种基于二次谐波带宽压缩方法的混合飞秒/皮秒相干反斯托克斯拉曼散射测温方法,实现了对动态高温燃烧场温度的准确测量与动态响应.实验中利用标准燃烧器模拟了1700—2200 K温度范围内的动态高温燃烧场,利用该测温方法,以千赫兹的光谱采集速率,对模拟的动态火焰的温度进行了连续70 s测量.测量结果显示,该方法在高温下温度测量的相对误差小于1.2%,相对标准偏差小于1.8%,同时能动态追踪0.2 s内的温度变化过程,验证了该方法测温的准确性、稳定性以及响应速度,为复杂的动态高温燃烧场的温度测量提供了一种新的测量方案.

纳米分辨相干反斯托克斯拉曼散射显微成像

采用附加探测光声子耗尽法来实现超衍射极限相干反斯托克斯拉曼散射显微成像.此方法引入一束环形分布的附加探测光来消耗点扩展函数周边的相干声子,实现点扩展函数的改造,从而达到超越衍射极限的空间分辨率.为了获得更高的空间分辨率和更佳的相位匹配条件,通常需采用高数值孔径物镜对抽运光、斯托克斯光和探测光进行聚焦,此时标量衍射理论不再成立.基于矢量衍射理论,分析了线偏振光、圆偏振光先后经过螺旋相位片和高数值孔径物镜后的光强分布,结果表明:圆偏振光在高数值孔径物镜后焦平面的光强分布呈中心对称状,较线偏振环形光更适合作为附加探测光.此外,采用全量子理论分析了附加探测光声子耗尽法.结果表明:当附加探测光与探测光强度比为80时,成像系统的横向空间分辨率可以达到45 nm;继续提高附加探测光强度,空间分辨将进一步提高.

基于光强传输方程相位成像的宽场相干反斯托克斯拉曼散射显微背景抑制

相干反斯托克斯拉曼散射(CARS)显微能够对样品的特殊化学组分进行选择性成像,无需荧光标记,在生物医学领域被广泛应用.然而,传统的CARS图像往往存在非共振背景信号.本文将基于光强传输方程的单光束相位成像技术用于CARS显微成像,来抑制CARS的非共振背景信号.该方法通过记录样品在三个相邻平面上的CARS图像,然后利用光强传输方程获取CARS光场的相位分布,最后利用共振CARS信号和非共振背景信号在相位上的差异,实现了对背景噪声的抑制.该方法无需参考光,通过三次测量可完成CARS的背景噪声抑制,具有良好的应用前景.