[发明专利]非线性拉曼光谱设备、显微光谱设备及显微光谱成像设备

说明书

技术领域

本发明涉及非线性拉曼光谱设备、显微光谱设备以及显微光谱成像设备，更具体地，本发明涉及对于使用宽带光源作为斯托克斯光束的多路相干反斯托克斯拉曼光谱的设备。

背景技术

激光拉曼光谱是一种用于分离从暴露于作为泵浦光束的单波长激光的试样散射出的光的分析技术。作为散射光的斯托克斯光束或反斯托克斯光束示出了相对于泵浦光束的波束位移量，并且观察该位移量作为特定光谱，该光谱对应于试样物质独特的分子振动模式。因此，连同红外线光谱，拉曼光谱已经广泛用作分子指纹领域的光谱，从而分析/评估物质，执行医学诊断并且研发诸如新药物和食物的有机物。

非线性拉曼光谱与上述激光拉曼光谱的相似之处在于是测量拉曼散射光的技术，而不同之处在于使用三阶非线性光学处理（third-order non-linear optical process）。三阶非线性光学处理要检测包括了作为激发光的泵浦光束、探测光束以及斯托克斯光束这三种入射光束中的散射光。这种三阶非线性光学处理的示例为CARS（相干反斯托克斯拉曼散射）、CSRS（相干斯托克斯拉曼散射）、受激拉曼损失光谱以及受激拉曼增益光谱。

对于CARS光谱，通常由泵浦光束以及波长比泵浦光束的波长更长的斯托克斯光束照射试样。在照射后，分离波长短于试样散射的泵浦光束的波长的非线性拉曼散射光，从而得到光谱（例如，参见日本未审查专利申请公开第5-288681号、2006-276667号以及2010-2256号）。同样，过去已经建议了使用白光作为光源用于生成斯托克斯光束的非线性拉曼光谱（参见日本未审查专利申请公开第2004-61411号（日本专利第3691813号））。

另一方面，在上述的CARS光谱中，数十飞秒到数十皮秒的超短脉冲光用作激光，用于生成泵浦光束和斯托克斯光束。在这种情况下，不利地是，产生的设备昂贵且复杂。为了避免该缺点，已经建议利用光子晶体光纤（PCF）通过增加脉冲宽度为0.1ns到10ns的脉冲光的带宽来生成超连续谱光的方法（参见日本未审查专利申请公开第2009-222531号）。

与过去的拉曼光谱相比，上述以CARS光谱等作为代表的非线性拉曼光谱可避免受到任何荧光背景的影响，并且进一步提高检测灵敏度。为此，已经将非线性拉曼光谱尤其作为生物系统的分子成像技术进行积极研发。

发明内容

然而，对于现有的非线性拉曼光谱，尤其是上述的多路CARS光谱，存在以下缺点：由于通过PCF、高度非线性光纤（HNLF）等生成宽带白光，导致光学损伤（尤其是靠近光入射端面的严重光学损伤），从而限制了最大的入射功率。

通常，使用PCF或HNLF可确保宽带特性这一优点，但在CARS光谱分析中，该优点转变为缺点，由于宽带特性导致每波长的光功率降低。PCF还具有需要对端面进行特殊处理的缺点。

而且，由PCF产生的超连续谱光（宽带光）的光束剖面通常不是理想的高斯光束剖面。具有这种光束剖面的激光不是理想的，原因在于其可能造成显微光谱技术和显微光谱成像所获得的图像劣化。

因此，期望提供高效、非常稳定并且小型的非线性拉曼光谱设备、显微光谱设备以及显微光谱成像设备。

为了解决上述问题，通过不断的实验和研究，本发明的发明人得出下面的结果。尤其地，用于生物系统时，重要的因素是在称为分子指纹区域的300cm^-1到3600cm^-1的分子振动光谱区域内的光谱。为此，对于使用了非线性拉曼光谱的显微光谱成像，为了提高作为输入激光束质量的非线性光学效应，需要高峰值功率、可用的高斯光束以及线性偏振状态。

当从单模光纤（SMF）发射的光的波长接近或长于SMF的截止波长，那么该光的空间强度分布为理想的高斯光束。因此，本发明的发明人已经研究使用廉价且容易得到的SMF来代替PCF和HNLF的可能性，用于生成针对斯托克斯光束的宽带白光。结果，发明人发现使用SMF可获得理想的高斯光束。

此外，非线性拉曼光谱期望包括了泵浦光束、探测光束以及斯托克斯光束的这三种光束的电场矢量对于所有点沿着同一方向，并且期望在产生这种光束的那部分中的偏振是线性的。关于这一点，本发明的发明人已发现使用任何特定的SMF，尤其是保偏单模光纤（PF-SMF），可获得卓越的线性偏振斯托克斯光束，从而提出了本发明。

即，根据本发明的实施方式的非线性拉曼光谱设备，包括：两个光源，每个都被配置为发射短脉冲激光；以及脉冲控制部，被配置为对从所述光源中的一个发射的短脉冲激光进行时间延迟。