[发明专利]一种相干反斯托克斯拉曼光谱扫描装置和方法

说明书

本发明公开了一种相干反斯托克斯拉曼光谱光谱扫描装置和方法。所述相干反斯托克斯拉曼光谱扫描装置包括第一激光部件、第二激光部件、光路部件、接收部件，照射在所述样品产生的反斯托克斯光束经过所述聚焦目镜后，与所述同步参考信号光电探测器产生的同步参考信号利用所述数字锁相放大技术做解调，获得各个波长的光强测量信息。本发明提供的相干反斯托克斯拉曼光谱光谱扫描装置和方法采用二极管探测器阵列作为光谱探测手段，由于二极管探测器阵列的输出并行高速的特点，可以更加精密的实现对各个波长的测量，具有极高的测量精确性、数据实时性。

技术领域

本发明涉及光谱测量和信号处理领域，具体公开了一种相干反斯托克斯拉曼光谱扫描装置和方法。

背景技术

相干反斯托克斯拉曼光谱是飞秒科学研究中一种重要的非线性光谱技术，利用飞秒激光脉冲作为泵浦光和斯托克斯光共同作用激发分子的拉曼振动模，并通过时间延迟探测光探测被激发的分子拉曼振动模的时间演化，最终获得被测分子的相干反斯托克斯拉曼光谱信号。实验中探测得到的相干反斯托克斯拉曼光谱信号不但能够反映物质微观的分子超快动力学过程，而且可以反映分子的宏观温度信息。因此，相干反斯托克斯拉曼光谱技术可以作为特定材料的检测手段。

相对于一般的拉曼散射光谱探测技术，相干反斯托克斯拉曼光谱具如下优点：1、相干反斯托克斯拉曼光谱是一种相干过程，这样就会使探测光谱的灵敏度大大提高；2、相干反斯托克斯拉曼光谱是三阶非线性过程，需要在满足相位匹配条件的方向上才能产生足够强相干反斯托克斯拉曼光谱信号，这就使得相干反斯托克斯拉曼光谱信号具有极强的方向性，信号强度高，信噪比高，灵敏度高；3，无非共振背景干扰，不存在光谱失真现象。

但是，相干反斯托克斯拉曼光谱获得被测分子的光谱信号相对于泵浦强度十分的微弱(〖10〗^(-4))。检测这样一个微弱的信号是一个巨大的挑战，现有的采集方法是使用锁相放大技术与电荷耦合器件或光电二极管对散射光谱做探测。然而如果观察时间不够并且激光强度波动，泵浦激光的光子散粒噪声通常大于感兴趣的相干反斯托克斯拉曼光谱信号，这就需要使用其它的方法对泵浦信号做一定的处理。此外，现有的相干反斯托克斯拉曼光谱成像系统的每单次扫描只能使用一个通道对拉曼振动频率进行成像，这也是目前相干反斯托克斯拉曼光谱成像系统的一个不足之处。

另外一方面，在飞秒激光光谱、拉曼光谱和荧光光谱测量等领域的研究中，需要利用光学多通道同步测量技术得到光谱分布信息。在信号光极其微弱的情况下，信号往往被淹没在背景噪声中，常用的光谱探测器件采用电荷耦合器件(Charge-Coupled Device，简称CCD)和光谱分析仪(Optical Spectrum Analyzer，简称OSA)进行长时间积分测量，不仅响应速度慢，也难以获得令人满意的信噪比。在非共线光参量放大飞秒时间分辨荧光光谱测量中，CCD和OSA还有不能抑制超荧光强干扰的弱点。锁相放大技术具有极高的噪声抑制能力，但常用的锁相放大器只能检测单一通道的信号，与之配合使用的只能是光栅扫描式单色仪，这种波长扫描测量方式需要较长的测量时间周期，在许多光谱测量中不适用。比如，在飞秒瞬态吸收光谱测量中，一个单波长的动力学测量时间通常需要几分钟，要获得一个光谱频段的扫描光谱需要几小时，这在实际的动力学测量实验中是不可行的。此外，由于CCD是内部线列式的传感器，探测的数据均以串行方法输出，对于数据实时性较高的测量中，其数据速度就不如光电二极管阵列。因此，在一些要求高精度、同步性要求较高的光谱测量中会更多的使用光电二极管阵列作为光电探测器。