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相干反斯托克斯拉曼原理

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相干反斯托克斯拉曼散射(cars)成像光源

相干反斯托克斯拉曼散射(cars)成像光源

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。

航空发动机光学测试方法

航空发动机光学测试方法

相干反斯托克斯拉曼散射(CARS)测温 原理
• 两束强单色激光：v1, v2 v1：固定频率；v2：可调谐，假设v1>v2 • 调谐v2使v1-v2=Δv Δv ：介质内某一拉曼散射的频移值 • Δv 与 v3 相互作用，产生相干信号光束 v4=v3±(v1-v2)=v3±Δv • 第四束波的空间方向 k4 =k3 ± ( k1 - k2 )
相干反斯托克斯拉曼散射(CARS)测温 CARS测温——高温火焰(1730°C)
N2分子的Q支CARS光谱 (a)实验谱 (b)计算谱 注：因氮是供气燃烧的主要组分，且在燃烧过程中保持不变，故为理想的温度指 示器。
相干反斯托克斯拉曼散射(CARS)测温 EKSPLA CARS光谱仪
除了CARS光谱仪外，不同CARS应用需要搭建不同的CARS 测试结构，因此此类产品大多属于定制。
j K j
2 j j
2 4 2 j j
j Kj
j
2 4 2 j j
Kj
2 4 0c 4 N j T
h s4 j
j
j T 为引起j阶跃迁能级间的相对布居差。 其中：N为待测组分的数密度；
相干反斯托克斯拉曼散射(CARS)测温 参考文献
[1] 李麦亮. 激光光谱诊断技术及其在发动机燃烧研究中的应用[D]. 国防科学技术 大学, 2004. [2] 刘正帆. 基于光纤束的相干反斯托克斯拉曼散射显微内窥成像系统研究[D]. 北 京理工大学, 2015. [3] 赵阳. 飞秒CARS在分子超快动力学与气体燃烧测温中的应用研究[D]. 哈尔滨工 业大学, 2015. [4] /doi/10.1002/9783527628148.hoc028/pdf. [5] /sites//files/Al111.pdf. [6] /channel_1044.html. [7] Roy S, Gord J R, Patnaik A K. Recent advances in coherent anti-Stokes Raman scattering spectroscopy: Fundamental developments and applications in reacting flows[J]. Progress in Energy and Combustion Science, 2010, 36(2): 280-306. [8] Bohlin A, et al. Development of two-beam femtosecond/picosecond one-dimensional rotational coherent anti-Stokes Raman spectroscopy: Time-resolved probing of flame wall interactions[J]. Proceedings of the Combustion Institute, 2015, 35(3): 3723-3730. [9] Slipchenko M N, Cheng J X. Nonlinear Raman Spectroscopy: Coherent Anti-Stokes Raman Scattering (CARS)[M]. Encyclopedia of Biophysics. Springer Berlin Heidelberg, 2013: 1744-1750.

相干反斯托克斯拉曼散射显微成像技术

相干反斯托克斯拉曼散射显微成像技术

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。

相干反斯托克斯拉曼光谱cars-姚波善

相干反斯托克斯拉曼光谱cars-姚波善
2014-4-3 相干反斯托克斯拉曼光谱法CARS 12
实验装置原理图
6、之后，光束先经过空间滤波器SF滤去共线的CARS信号，再经过干涉 滤光镜F滤掉残存的Vp和Vs。剩下的信号被聚焦于光导纤维OF中。 7、接着，信号经透镜L4聚焦到光谱仪SG的入口狭缝上，再被全息光栅 色散为所需色CARS光谱。CARS光谱成像于增强型电荷耦合器件（ICCD） 的靶面上。光学多通道分析仪采集这些信号后的得到含有温度信息的 CARS谱。
2014-4-3 相干反斯托克斯拉冲激光，经调解输出的倍频光以45度角入射到 分光镜BS1的反射面而被分成两部分：①透射部分进入染料激光器激发 斯托克斯束②反射部分作为泵浦束。 2、反射部分经BS2再次分束：①反射部分作为CARS的泵浦束； ②透射 部分则进入吸收腔T1，避免能量过大，致使气体击穿火辐射噪声。
0 自由空间介质的介电常数；为光束相交区长度；为光束强度 其中：c为光速； l I
三阶非线性极化率的表达式：
3 j i j nr
j
其中： 为组分第j阶跃迁谐振极化率的实、虚分量，这些组分的拉曼谐振j 正是要被检测； nr 为非谐振电子背景极化率
5
CARS原理
2 • 两束强单色激光： 1 ， 1 ：固定频率 2 ：可调谐，假设 1 2 • 调谐 2使 1 2 ：介质内某一拉曼散射的频移值（对应拉 曼散射始、终能级间的间隔） • 与 3 相互作用，产生相干信号光束
4 3 1 2 3
2014-4-3 相干反斯托克斯拉曼光谱法CARS 13
相干反斯托克斯拉曼散射(CARS)显微光谱仪
2014-4-3
相干反斯托克斯拉曼光谱法CARS

相干反斯托克斯拉曼散射显微成像技术及其在生物医学领域的应用_周前

相干反斯托克斯拉曼散射显微成像技术及其在生物医学领域的应用_周前

由 CARS 产生原理可以得知非共振背景噪声伴 随着 CARS 信号一同产生。在以上三种基本结构的 基础上 CARS 系统还通常采用偏振检测的方式来减 低非共振背景噪声， 即偏振探测 CARS （ polarization sensitivity detection CARS， PCARS ）［16］， PCARS 光 学系统的基本结构如图 2b 所示。 在泵浦光与斯托 CARS 过程的 克斯光偏振方向夹角为 Φ 的情况下， 共振部分 P
， 大大简化了 CARS 系统结构和调
如图 2 所示， 按照泵浦光、 斯托克斯光和信号采 CARS 显微成像系统被分为三 集光路位置的不同， 种 基 本 结 构， 分 别 是 前 向 探 测 CARS （ forwarddetected CARS， FCARS ） 、 后 向 探 测 CARS
第3 期
（ 3） nr
AR － Ω － （ ω p － ω s ） － iΓ R
CARS 信号、 非共振 CARS 信号和泵浦光作用下双 光子共振信号产生的过程。 在大多数情况下， 泵浦 光和探针光都来自于同一束激光 ， 则上述过程当中， CARS 信号强度正比于如下的 CARS 极化强度 p （ 3） ： p 其中 χ
CARS，and CCAR microscopes． P ’ s，polarizers； CARS，EOL’ s，objective lenses； S ’ s，samples； F ’ s，filters； HW， halfwave plate； D’ s，dichroic mirrors［15］ ．
［1 ， 2 ］
同样基于分子振动能级的相干反斯托克斯拉曼 Stokes Raman scattering，CARS ） 散射 （ coherent anti是一种三阶非线性光学过程， 其产生的受激共振信 号强于自 发 拉 曼 散 射 且 具 有 一 定 的 方 向 性， 使得 CARS 信号的收集效率更高， 与此同时 CARS 信号 频率高于激发光频率， 可以避开单光子荧光背景的 干扰。利用 CARS 光谱与传统共聚焦光学显微成像

太赫兹相干反斯托克斯拉曼散射

太赫兹相干反斯托克斯拉曼散射

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。

相干反斯托克斯拉曼光谱

相干反斯托克斯拉曼光谱
相干反斯托克斯拉曼光谱（Coherent anti-Stokes Raman spectroscopy，CARS）是一种非线性光谱技术，用于分析物质的分子振动信息。

CARS结合了拉曼光谱和激光非线性光学技术。

在CARS技术中，两个激光光束同时作用于物质样品上。

一个光束是频率高的泵浦光，另一个是频率低的拉曼光。

当这两束光作用于样品上时，它们与样品中的分子振动模式相互作用，产生一个新的频率低于泵浦光的信号，这被称为CARS信号。

通过检测和分析CARS信号的强度和频率，可以获得样品中分子的振动信息。

相比传统的拉曼光谱技术，CARS具有快速、灵敏、非破坏性等优点。

它能够实时获得分子振动信息，不需要显微镜，适用于各种样品类型，包括液体、气体和固体。

CARS技术在许多领域中有广泛应用，包括生物化学、材料科学、环境科学等。

它可以用于分析化学反应动力学、表面催化过程、生物分子结构等的研究。

同时，CARS还可以应用于药物开发、环境监测、生物医学成像等方面的应用。

相干反斯托克斯喇曼散射光谱在推进剂火焰温度和浓度测…

相干反斯托克斯喇曼散射光谱在推进剂火焰温度和浓度测…冯振芳;高稚允
【期刊名称】《红外与激光技术》
【年(卷),期】1995(024)003
【摘要】本文介绍了相干反斯托克斯喇曼散射光谱测量推进剂火焰温度的浓度的原理，给出了实验原理图，表明了ＣＡＳＲＳ技术在推进剂火焰温度和浓度测量中具有明显的优越性和实际意义。

【总页数】6页(P51-55,F004)
【作者】冯振芳;高稚允
【作者单位】不详;不详
【正文语种】中文
【中图分类】V512
【相关文献】
1.相干反斯托克斯喇曼光谱单脉冲测量火焰温度 [J], 耿辉;李麦亮;周进
2.相干反斯托克斯喇曼散射光谱的理论计算 [J], 冯伟;何伟;商砚冰
3.时间分辨相干反斯托克斯拉曼散射显微成像技术中光的干涉 [J], 刘伟;刘双龙;陈丹妮;屈军乐;牛憨笨
4.宽带相干反斯托克斯喇曼散射法诊断固体燃剂燃烧场 [J], 胡志云;张振荣;刘晶儒;关小伟;黄梅生;叶锡生
5.化学激励钠原子相干反斯托克斯受激喇曼散射 [J], 孙程远
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相干反斯托克斯拉曼原理

相互作用长度。
4
CARS原理
CARS显微成像技术利用待测样品分子所固有的分子振动光谱
信号作为显微成像的对比度，能够在无需引入外源标记的条件下
快速获取分子的空间分布图像以及分子之间相互作用的功能信息。
CARS信号强度高，具有强的方向性，另一方面，CARS信号的波长
相对于激发光蓝移，因此CARS显微成像技术能够在高荧光背景条
高的信噪比。调节在探测器前安装的偏振片消除
偏振方向与共振信号不同的非共振背景噪声。
7
相位控制和整形的方法通过对飞秒宽度的 和 进行相位整形，在不同的
光谱成分的相干叠加中引入一个相位失配量，从而达到抑制非共振背景噪
声的目的。
8
外差干涉方法利用共振和非共振部分的本质差异，即共振是复数量，
包含实部
这种方式受到来自溶剂的和样品自身较强的非共振背景噪声的干扰，因此，F-CARS适用于获
取能够产生较大共振信号的特定分子振动图像。图(b)和(c)所示的背向探测CARS和相向激发
CARS显微镜在光路中引入了相位失配量，因此可以有效地减少非共振背景噪声的干扰，大大
改善了图像的对比度。
11
相干反斯托克斯拉曼散射(CARS)显微光谱仪
2 ሿ是 0， ，其中 是收集透镜的圆锥角，在后向(-z)探测方式
中是 − ， 是入射角，表示探测位置。
10
CARS显微成像技术的实现
图中P为偏振片；OL为物镜；S为样品；F为滤波片；D为双色镜。
前向探测CARS显微镜，能够以较小的光功率激发待测样品，产生较强的CARS信号。但是
相干反斯托克斯拉曼成像
(CARS)
1
CARS原理
CARS过程是一个四波混频的非线性光学过程，在这一过程中包含

腔内倍频拉曼激光器以及相干反斯托克斯共线相位匹配的理论研究

Keywords: Solid-state Raman lasers; Intracavity frequency doubling; Rate equations; Raman crystals; Coherent anti-Stokes Raman scattering; Raman resonant four-wave mixing; Collinear phase matching
下面对腔内倍频拉曼激光器的发展和研究现状、相干反斯托克斯拉曼激光器等作出介 绍，最后给出本文的研究内容。
1.1 腔内倍频拉曼激光器的发展及研究现状
ωL
Hale Waihona Puke ωSν=1ωRν=0 (a)
ωL
ωas
ωR
(b)
图 1.1 受激拉曼散射原理图 拉曼散射是一种由分子和晶格振动引起的非弹性散射[5]，散射光频率与入射光频率之差 等于分子内部振动或转动频率。拉曼散射光带有分子结构的信息，在光谱学方面有着广泛的
由于固体拉曼介质的优良特性，固体拉曼激光器的研究在近年来已经成为了非线性光学 和固体激光器领域的一个研究热点[12]。俄罗斯科学家在拉曼激光器的研究和固体拉曼介质 的生长等方面都居世界领先水平，俄罗斯科学家 T. T. Basiev 和 A. A. Kaminskii 在拉曼激光器 的研究和固体拉曼介质的生长等方面做出了许多开创性的工作[13]。美国科学家 J. T. Murray 对内腔式的固体拉曼激光器进行了大量研究[14]。德国科学家 H. J. Eichler 对自拉曼激光器 进行了详细的研究[15]。澳大利亚科学家[16]、中国台湾的 Y. F. Chen[17]以及山东大学的张 行愚研究小组[18-19]等对固体拉曼激光器方面的工作也进行了大量的广泛的研究。
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与减弱的分布。在不同的成像平面图像强度变化的关系中，包含了通过 试片后平面波所改变的相位信息，而TIE就是描述强度分布与相位分布之 间的关系式。因此，可以通过测量不同成像平面的强度分布，求解TIE得 到其相位信息。
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CARS原理
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CARS原理
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CARS原理
CARS显微成像技术利用待测样品分子所固有的分子振动光谱 信号作为显微成像的对比度，能够在无需引入外源标记的条件下 快速获取分子的空间分布图像以及分子之间相互作用的功能信息。 CARS信号强度高，具有强的方向性，另一方面，CARS信号的波长 相对于激发光蓝移，因此CARS显微成像技术能够在高荧光背景条 件下工作，并具有较高的探测灵敏度。 通常CARS显微成像技术使用高峰值功率、高重复频率的近红 外波长的脉冲激光作为激发光，生物样品的吸收和散射小，减小 了光致损伤，同时能够穿透较厚的生物样品获取其内部结构的三 维层析图像。
CARS显微镜在光路中引入了相位失配量，因此可以有效地减少非共振背景噪声的干扰，大大
改善了图像的对比度。
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相干反斯托克斯拉曼散射(CARS)显微光谱仪
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基于强度传输方程的相位恢复算法
波传播示意图如图所示。通过试片后的平面波(plane wave)，传播方 向会发生改变，也就是相位发生了改变，在成像平面上呈现出强度增强
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CARS显微成像技术的实现
CARS显微成像系统利用高灵敏度探测器在远场收集CARS信号， 则探测位置上的强度可的实现
图中P为偏振片；OL为物镜；S为样品；F为滤波片；D为双色镜。
前向探测CARS显微镜，能够以较小的光功率激发待测样品，产生较强的CARS信号。但是 这种方式受到来自溶剂的和样品自身较强的非共振背景噪声的干扰，因此，F-CARS适用于获 取能够产生较大共振信号的特定分子振动图像。图(b)和(c)所示的背向探测CARS和相向激发
相干反斯托克斯拉曼成像 (CARS)
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CARS原理
CARS过程是一个四波混频的非线性光学过程，在这一过程中包含 特定的拉曼活性分子的振动模式与导致分子系统中基态至激发态振动 跃迁的入射光场相互作用的过程。
(a)表示拉曼共振和非共振单光子增强对CARS过程的贡献， (b)表示拉曼共振和非共振双光子增强对CARS过程的贡献。
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非共振背景噪声的抑制
在生物样品中，样品所处的液体环境产生的非共振背景噪声常常 淹没样品产生的较弱的CARS信号。因此，抑制来自待测样品自身的 和其所处溶液环境的非共振背景噪声是提高CARS显微成像技术光谱 选择性、探测灵敏度、时间和空间分辨率的关键。为实现这一目标， 结合不同的CARS显微成像方法，提出了众多抑制非共振背景噪声的 方案，如偏振探测、时间分辨探测、相位控制和整形及外差干涉方 法等。