[發明專利]用于受激拉曼檢測的設備和方法

有效

• 申請號: 201480030366.1
• 申請日: 2014-03-25
• 公開（公告）號: CN105247350B
• 公開（公告）日: 2018-04-06
• 發明（設計）人: 帕斯卡爾·貝爾托;埃斯本·安德森;埃爾韋·里尼奧
• 申請（專利權）人: 艾克斯-馬賽大學;國家科學研究中心
• 主分類號: G01N21/65
• 分類號: G01N21/65
• 代理公司: 上海專利商標事務所有限公司31100
• 代理人: 陸嘉

技術領域

本發明涉及一種用于檢測樣本中的受激拉曼散射(SRS)類型的共振非線性光學信號的設備和方法。本發明尤其適用于顯微鏡學成像、光譜學、以及散射介質(諸如生物介質)中的高光譜成像。

背景技術

每一個化學鍵都擁有特定于它的振動頻率。旨在使用光和物質之間的相互作用來獲得關于這些分子振動的信息的方法被稱為振動光學技術。這些技術中最著名的是紅外(IR)光譜學，在IR光譜學中，觀察存在于樣本中的化學鍵的特定吸收線。在1928年發現，拉曼散射(以發現該效應的物理學家Chandrasekhara Venkata Raman命名)使得可見光可被用于獲得與光束相互作用的分子的振動光譜。在拉曼散射過程中，入射在分子上的角頻率ω_P的泵波非彈性地散射成為所謂的角頻率ω_S的斯托克斯波以及所謂的角頻率ω_AS的反斯托克斯波。所產生的波和泵波之間的頻率差取決于(角頻率Ω_R的)分子拉曼躍遷，以使得ω_P-ω_S＝ω_AS-ω_P＝Ω_R。從該過程的光子學觀點來講，斯托克斯波和反斯托克斯波分別對應于來自基本或激發振動能級的吸收。從激發振動能級產生反斯托克斯波的過程的可能性比產生斯托克斯波的過程小得多，斯托克斯波是在自發拉曼光譜學中在實踐中觀察到的唯一的波。斯托克斯波的光譜分布的嚴密研究提供關于存在于樣本中的化學鍵的密度的信息。該自發非彈性散射過程與熒光相比是非常無效的(拉曼有效截面約為10^-30cm²/分子，與熒光團的1-光子有效吸收截面(其達到10^-16cm²/分子)相比較)。

稱之為相干反斯托克斯拉曼散射(CARS)和受激拉曼散射(SRS)的受激拉曼技術是相對于自發拉曼散射過程而言提供大約10⁷的放大的相干拉曼散射過程。在這些技術(參見圖1A)中，角頻率ω_p和ω_s(或頻率ν_p和ν_s)的兩個激光脈沖(其角頻率差被設置為等于期望探測到的振動能級的角頻率Ω_R)被注入到將被分析的介質中。分別被表示為泵脈沖和斯托克斯脈沖的這些脈沖創建使角頻率Ω_R的振動模式進入共振的頻率跳動。在CARS過程中，該共振用泵束探測，泵束誘導角頻率ω_AS的反斯托克斯散射。受激拉曼散射(SRS)是使用由于由泵場和斯托克斯場誘導的非線性場與激發(泵)場的相互作用而導致的非線性響應的過程，因此，與CARS過程相反，它在與泵脈沖和斯托克斯脈沖相同的頻率上被觀察到。它導致從泵束到斯托克斯束的能量轉移。因此，受激拉曼散射涵蓋兩個過程，SRL(指受激拉曼損耗)過程和SRG(指受激拉曼增益)過程，這兩個過程分別在泵束中引起強度損耗ΔI_SRL以及在斯托克斯束中引起強度增益ΔI_SRG(參見圖1B)。例如在N.Bloembergen的綜述文章(“The stimulated Raman effect”,American Journal of Physics,35:989-1023,1967年)中描述了SRS過程。已經表明，泵束的強度的降低ΔI_SRL和斯托克斯束的強度的增益ΔI_SRG與三階非線性磁化率的虛部(Im(χ_R⁽³⁾))成比例。這些量的測量因此使得拉曼光譜的嚴謹計算變成可能。最近，振動光學技術更多地集中于SRS技術，與CARS技術相反，SRS技術不受總是存在于CARS中的非共振背景制約，并且與化學物種濃度是線性關系。

SRS顯微鏡學是利用飛秒SRS光譜學領域中的新進展的新技術。在2007年，Ploetz等人(“Femtosecond Stimulated Raman Microscopy”,Applied Physics B,87(3):389-393,2007)開發了第一臺基于遞送飛秒脈沖和皮秒脈沖的放大激光系統的SRS顯微鏡。該類型的系統誘發強SRS信號，但是卻不適合于生物成像。具體而言，所用的(大約nJ的)高峰功率損壞樣本，并且低重復率(1kHz)與快速掃描顯微鏡學不兼容。