宽带相干反斯托克斯拉曼散射光谱探测和显微成像研究
Study on Broadband Coherent Anti-stokes Raman Scattering Spectroscopy and Microscopy
相干反斯托克斯拉曼散射(coherent anti-Stokes Raman scattering,CARS)显微成像技术基于物质分子固有的振动光谱,无需预标记处理即可对样品分子进行有效地识别和定位,同时还具有高灵敏度、高时间和空间分辨率、高数据获取速率等优点,因而可对细胞内的生物组织、生物大分子进行无损、原位、活体、实时的光谱探测和显微成像,并已广泛地应用于细胞生物学中对脂质、蛋白质和核酸的研究中.一直以来,CARS显微成像技术多基于分子内某一特定化学键的振动光谱来表征特定分子,显然依靠单一化学键对细胞内种类繁多且结构复杂的生物分子进行准确地识别和定位是比较困难的.为了能获得分子的完整CARS光谱信息,以准确地识别细胞内不同种类的生物分子,须经常改变泵浦光或斯托克斯光的中心波长.为此,已有学者提出采用窄线宽的泵浦光和宽带的斯托克斯光来激发样品分子中的多个化学键产生共振,从而获得宽带CARS光谱信号以准确地识别分子.目前的宽带CARS受限于超连续谱的时间频谱结构,通常采用双色CARS机制,即超短激光脉冲同时作为泵浦光和探测光、超连续谱仅做斯托克斯光,因而这种方案很难在获取生物分子完整CARS光谱的同时,通过时间分辨探测方法来有效地消除非共振背景对共振信号的影响.本论文提出一种基于光纤飞秒激光器和全正色散光子晶体光纤的三色宽带CARS光谱探测方法,该方法采用1064nm飞秒激光脉冲泵浦NL-1050-NEG全正色散光子晶体光纤,产生具有较好时间谱结构的超连续谱(光谱宽度大于500 nm、脉冲宽度小于220 fs)同时作为泵浦光和斯托克斯光,不仅可以同时获取样品分子的完整CARS光谱信息,还可通过时间分辨探测方法来有效地抑制非共振背景,提高分子识别的准确度.此外,还可通过控制超连续谱脉冲与探测光脉冲间的时间延迟来测量拉曼振动键的振动退相时间,这对于研究分子动态过程、分子间的相互作用等具有重要参考价值.本论文的主要研究工作如下:1.编写了用于CARS二维点扫描成像的系统控制程序和图像重构程序,为验证该程序的可靠性,我们基于实验室已有的钛宝石飞秒激光器和光学参量振荡器搭建了单频CARS显微成像系统,并完成了对聚苯乙烯微球的亚微米CARS显微成像以及CARS显微成像系统空间分辨率的标定.2.为实现宽带CARS光谱探测,数值模拟了飞秒激光脉冲在双零色散光子晶体光纤和全正色散光子晶体光纤中传输时超连续谱的产生过程,在对比分析这两类光纤中超连续谱的产生机制和特点的基础上,指出全正色散光子晶体光纤产生的超连续谱具有很高的相干度和稳定性,特别适用于时间分辨光谱探测系统,并提出将基于全正色散光子晶体光纤的超连续谱用于三色宽带CARS光谱探测和显微成像.3.搭建了基于钛宝石激光器的宽带CARS光谱探测和显微成像系统,实现了对纯二甲基亚砜液体样品的宽带光谱探测,在实验上证明了该类宽带CARS信号的产生机制为双色CARS机制,并完成了对聚苯乙烯微球的宽带CARS光谱探测和显微成像.4.基于光纤飞秒激光器,设计并搭建了三色宽带CARS光谱探测和显微成像系统,实现了纯苯甲腈样品分子完整CARS光谱信息的同时获取,并通过时间分辨探测的方法使非共振背景得到了有效地抑制,最后测量了纯苯甲腈液体样品各振动模式的振动退相时间.本论文工作的创新点为:1.首次将全正色散光子晶体光纤产生的超连续谱用于宽带时间分辨CARS光谱探测和显微成像.经色散补偿后超连续谱在较宽的光谱范围内具有极好的时间频谱结构(光谱宽度大于500 nm、脉冲宽度小于220 fs)、光谱连续性和均匀性,并且具有高稳定性和高光能利用率等优点.2.提出并实现了一种可同时获取生物分子完整CARS谱的三色宽带CARS光谱探测和显微成像方法.该方法可实现振动频率在3003600 cm-1范围内所有振动模式的同时测量,并可通过时间分辨探测来有效地抑制非共振背景,以及对样品分子内所有振动模式退相时间的测量.
- 作者：
- 刘双龙
- 学位授予单位：
- 深圳大学
- 专业名称：
- 光学工程
- 授予学位：
- 博士
- 学位年度：
- 2017年
- 导师姓名：
- 屈军乐；牛憨笨
- 中图分类号：
- TP391.41
- 关键词：
- 相干反斯托克斯拉曼散射；光子晶体光纤；超连续谱；全正色散；完整CARS光谱
- coherent anti-Stokes Raman scattering; photonic crystal fiber; supercontinuum; all-normal dispersion; whole CARS spectrum;