相干反斯托克斯拉曼光谱学效应

1930年诺贝尔物理学奖——拉曼效应1930年诺贝尔物理学奖授予印度加尔各答大学的拉曼（SirChandrasekhara V enkata Raman，1888——1970），以表彰他研究了光的散射和发现了以他的名字命名的定律。

在光的散射现象中有一特殊效应，和X射线散射的康普顿效应类似，光的频率在散射后会发生变化。

频率的变化决定于散射物质的特性。

这就是拉曼效应，是拉曼在研究光的散射过程中于1928年发现的。

在拉曼和他的合作者宣布发现这一效应之后几个月，苏联的兰兹伯格（ndsberg）和曼德尔斯坦（L.Mandelstam）也独立地发现了这一效应，他们称之为联合散射。

拉曼光谱是入射光子和分子相碰撞时，分子的振动能量或转动能量和光子能量叠加的结果，利用拉曼光谱可以把处于红外区的分子能谱转移到可见光区来观测。

因此拉曼光谱作为红外光谱的补充，是研究分子结构的有力武器。

1921年夏天，航行在地中海的客轮“纳昆达”号（S.S.Narkunda）上，有一位印度学者正在甲板上用简便的光学仪器俯身对海面进行观测。

他对海水的深蓝色着了迷，一心要追究海水颜色的来源。

这位印度学者就是拉曼。

他正在去英国的途中，是代表了印度的最高学府——加尔各答大学，到牛津参加英联邦的大学会议，还准备去英国皇家学会发表演讲。

这时他才33岁。

对拉曼来说，海水的蓝色并没有什么稀罕。

他上学的马德拉斯大学，面对本加尔（Bengal）海湾，每天都可以看到海湾里变幻的海水色彩。

事实上，他早在16岁（1904年）时，就已熟悉著名物理学家瑞利用分子散射中散射光强与波长四次方成反比的定律（也叫瑞利定律）对蔚蓝色天空所作的解释。

不知道是由于从小就养成的对自然奥秘刨根问底的个性，还是由于研究光散射问题时查阅文献中的深入思考，他注意到瑞利的一段话值得商榷，瑞利说：“深海的蓝色并不是海水的颜色，只不过是天空蓝色被海水反射所致。

”瑞利对海水蓝色的论述一直是拉曼关心的问题。

相干反斯托克斯拉曼散射（Coherent Anti-Stokes Raman Scattering, CARS）成像是一种重要的激光显微成像技术，它通过激光诱导的拉曼散射来获取样品的化学成分和分布信息。

CARS成像具有高灵敏度、快速成像速度和非侵入性等优势，因此在生物医学、材料科学、化学分析等领域得到了广泛应用。

1. CARS成像原理CARS成像利用来自样品的非弹性散射光谱信息。

当样品中的分子受到两个泵浦激光和一个Stokes激光的共振激发时，会发生拉曼散射现象。

泵浦激光的频率差值和Stokes激光的频率相匹配时，就会产生CARS 信号。

通过探测CARS信号的频率和幅度，可以获取样品内部的化学成分信息，实现成像显示。

2. CARS成像光源为了实现高质量的CARS成像，选择合适的光源对成像效果至关重要。

常用的CARS成像光源包括：- 飞秒激光：飞秒激光具有短脉冲宽度和高峰值功率的特点，能够提供高分辨率和高信噪比的CARS成像。

然而，飞秒激光成本高昂，需要复杂的调谐和对齐。

- 窄线宽激光器：窄线宽的激光器在CARS成像中也有着广泛的应用，它能够提供稳定的激光源，适用于长时间成像和实验。

- 光纤光源：光纤激光器由于其紧凑、便携和易于控制的特点，也被广泛应用于CARS成像。

如脉冲光纤激光器可以提供高峰值功率的激光源，适合于实验室和野外环境下的应用。

3. CARS成像光源的选择针对不同的CARS成像应用需求，需要根据样品特性、成像深度、成像速度和预算等因素选择合适的光源。

在生物医学应用中，对活体生物进行CARS成像时，需要考虑光源的安全性和组织透过性。

对于化学分析和材料科学研究，需要关注信噪比和空间分辨率等参数。

在选择CARS成像光源时，需要综合考虑上述因素，选择适合的光源，以获得高质量的CARS成像效果。

4. 结语CARS成像光源的选择对CARS成像的质量和应用效果起着至关重要的作用。

在今后的研究和实践中，科研人员应该根据具体的成像需求，在光源光学性能、安全性和成本等方面进行充分考虑，选择最适合的CARS成像光源，为CARS成像技术在生物医学、化学和材料科学等领域的应用提供更多可能。

第36卷 第10期中 国 激 光Vol.36,No.102009年10月CHINESE JO URNA L OF LASERSOctober,2009文章编号:025827025(2009)1022477208相干反斯托克斯拉曼散射显微成像技术尹 君1,2林子扬2 屈军乐2 于凌尧2 刘 星2 万 辉2 牛憨笨21华中科技大学光电子科学与工程学院,湖北武汉4300742深圳大学光电子学研究所,光电子器件与系统(教育部/广东省)重点实验室,广东深圳518060摘要 回顾了相干反斯托克斯拉曼散射(CARS)显微成像技术的理论和技术的发展,介绍和比较了CAR S 显微成像技术对抽运光源的要求,以及典型的CARS 显微成像系统。

对CARS 显微成像技术中无法避免的最重要的非共振背景噪声问题做了详细的分析,对不同的抑制非共振背景噪声的方法进行了比较和讨论,对CARS 显微成像技术目前存在的问题和可能解决途径进行了简要的分析。

关键词 激光光学;显微成像方法;相干反斯托克斯拉曼散射;非共振背景噪声;超连续谱;光子晶体光纤中图分类号 O437.3;Q631 文献标识码 A doi :10.3788/CJL 20093610.2477Coh er en t Ant i 2St ok es Ra man Scat tering Micr oscopic Ima ging Techn iqueY in Jun 1,2 Lin Ziyang 2 Qu Junle 2 Y u Linyao 2 Liu Xing 2 Wan Hui 2 Niu Hanben 21College of Optoelect r onic Scien ce a nd Engin eer ing ,Hu azhon g Un iver sity of S cience an d Technology ,Wuha n ,Hu bei 430074,China2Key La bor a tor y of O pt oelectr on ic Devices a nd Syst em s of Ministr y of Educa tion an d Gua ngdong Pr ovince ,Instit ute of O pt oelectr on ics ,Shenzhen Un iver sit y ,S hen zhen ,Gua ngdong 518060,Chin aAbstr a ct I n this pape r,theor etical and technical development of coher ent anti 2Stoke s Raman scatte ring (CA RS)microscopy is r eviewe d.The re quire me nts of CA RS micr oscopy on the pump laser sour ce and typical e xpe rime ntal instr ume ntation ar e discussed and compared.We inve stigate the non 2r esonance background noise which is the most cr itical problem and can not be avoide d in the CA RS micr oscopy.Differ ent me thods for suppre ssing non 2re sonant background noise are pre sented and compared.Finally,a brief analysis of e xisting problems in CA RS microscopy and possible solutions is presented.Key wor ds laser optics;microscopic imaging me thod;cohere nt anti 2Stokes Raman scatter ing;non 2r esonance background noise;super continuum;photonic cr ystal fiber收稿日期:2009207208;收到修改稿日期:2009208210基金项目:国家自然科学基金(60627003)、广东省高等学校科技创新团队项目(06CXT D009)和教育部高等学校博士学科点专项基金(2007059000)资助课题。

太赫兹相干反斯托克斯拉曼散射（THz-CARS）显微镜太赫兹振动模式被认为存在于生物大分子中，对阐明其相应的生物功能具有重要的意义。

然而，在THz区域缺乏一种可靠的高分辨率振动成像方法，要观察这些生物大分子的低频振动模式，尤其是在生物组织中，非常具有挑战。

所以，振动光谱成像在生物医学研究中具有重要的应用价值。

然而，因目前尚未有方法同时具有足够的灵敏度和高空间分辨率，振动成像在太赫兹区域(< 300cm−1)生物相关条件下目前是不可用的。

近日，来自以色列的研究人员研制了一种具有高灵敏度和高空间分辨率的太赫兹相干反斯托克斯拉曼散射(THz -CARS)显微镜，该显微镜利用相应组分的低频聚焦模式对生物组织进行化学选择性成像，填补了现有的THz区域的振动成像空白，可用于观察胶原蛋白和非胶原蛋白等生物大分子，该方法在生物医学研究中可能会有更广泛的应用。

THz-CARS显微镜工作原理图采用钛-蓝宝石激光器（80MHz重复频率，20fs脉宽，<0.2 nJ/pulse），THZ-CARS信号、SHG 信号、FWM信号和TPEF信号分别由相应的PMT-C、PMT-S、PMT-F和PMT-T光电倍增管采集。

作为一种重要且丰富的结构蛋白，胶原蛋白广泛存在于许多生物组织中，如肌腱，皮肤，牙齿和骨骼。

研究团队对胶原蛋白（collagen, C）和羟基磷灰石（Hydroxyapatite, HA）进行了测量。

图（a）显示了在具有白光的偏光显微镜下骨性骨的概况；图（b）选择150μm×190μm 的感兴趣区域（ROI）来执行THZ-CARS测量；图（c）显示了两个不同像素的原始测量THz-CARS 光谱，图（d）显示了相应的THz-CARS分辨拉曼光谱。

空间分辨率：1μm，比例尺：20μm。

基于这些测量，研究团队证明了该技术能够区分骨骼中的胶原蛋白和HA。

从图（e）可以看出HA在薄片或间隙薄片周围的强烈反应，从图（f），可以观察到反映骨内胶原蛋白的亮点。