[發明專利]非線性拉曼光譜儀器、非線性拉曼光譜系統及其方法

無效

• 申請號: 201210080841.9
• 申請日: 2012-03-23
• 公開（公告）號: CN102735674A
• 公開（公告）日: 2012-10-17
• 發明（設計）人: 玉田作哉
• 申請（專利權）人: 索尼公司
• 主分類號: G01N21/65
• 分類號: G01N21/65
• 代理公司: 北京康信知識產權代理有限責任公司 11240
• 代理人: 余剛;吳孟秋

技術領域

本發明涉及非線性拉曼光譜儀器以及使用該儀器的非線性拉曼光譜系統和非線性拉曼光譜方法。更詳細地，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儀器、系統和方法。

背景技術

激光拉曼光譜是使用具有單一波長的激光作為泵浦光束來照射試樣并獲得該試樣的散射光光譜的分析方法。觀察斯托克斯光束或反斯托克斯光束(即上述散射光)的波數相對于泵浦光束的波數的位移量作為特定物質光譜，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，從而分析和評估物質，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測量拉曼散射光，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作為激發光束的三種入射光(即，泵浦光束、探測光束以及斯托克斯光束)中的散射光。實例包括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。

在CARS光譜中，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，從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中獲得光譜(例如，參見日本未審查專利申請公開第5-288681號，日本未審查專利申請公開第2006-276667號以及日本未審查專利申請公開第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方法(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，存在的問題是，用于CARS中的儀器昂貴且復雜。為了避免該問題，已經建議利用光子晶體光纖(PCF)使用由脈沖寬度為0.1ns到10ns的短脈沖所激發的超連續譜光的方法(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光譜作為代表的非線性拉曼光譜可避免熒光背景的影響，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，在上述非線性拉曼光譜中，尤其是多路CARS光譜中，利用PCF、高度非線性光纖(HNLF)等生成寬帶白光，因此導致較大的光學損耗(尤其是靠近入射端面的光學損耗)，從而限制最大的入射功率。

通常，當使用PCF或HNLF時，優點在于可確保其光譜的寬闊性。然而，在CARS光譜中，過度的寬闊性造成每單位波長的光功率密度下降。

同樣，PCF的問題在于要進行特殊的端面處理。

而且，從PCF產生的超連續譜光(光束)的光束剖面通常不是理想的高斯光束剖面。具有該光束剖面的激光不是優選的，原因在于其可能造成顯微光譜技術或顯微光譜成像所獲得的圖像劣化。

因此，主要是期望提供高效、非常穩定并且小型的非線性拉曼光譜儀器、非線性拉曼光譜系統以及非線性拉曼光譜方法。

為了解決上述問題，通過不斷的實驗和研究，發明人得出下面的結果。尤其地，用于生物系統時，重要的是在稱為分子指紋區域的300cm^-1到3600cm^-1的分子振動光譜區域內獲得光譜。為此，在通過非線性拉曼光譜技術的顯微光譜成像中，為了提高代表輸入激光束質量的非線性光學效應，需要高峰值功率、高斯光束以及線性偏振狀態。

另一方面，如果發射光的波長接近或長于單模光纖(SMF)的截止波長，那么從SMF中發射的光的空間強度分布為理想的高斯光束。因此，發明人已經研究使用廉價且容易得到的SMF來代替PCF或HNLF，用于生成針對斯托克斯光束的寬帶白光。結果，發明人已發現使用SMF也可獲得理想的高斯光束。

而且，在非線性拉曼光譜中，泵浦光束、探測光束以及斯托克斯光束的三個脈沖的偏振面(電場矢量的方向)彼此理想地匹配。關于這一點，發明人已發現使用特定的SMF，尤其是保偏單模光纖(PF-SMF)，可獲得優越的線性偏振斯托克斯光束，從而實現本發明的實施方式。