一种高灵敏度受激拉曼光谱仪的制作方法

1.本发明涉及光谱仪技术领域，尤其涉及一种高灵敏度受激拉曼光谱仪。


背景技术：

2.受激拉曼光谱是一种广泛应用于物理、化学、生物等领域的光谱学技术。受激拉曼散射是一种三阶非线性光学现象。两束高强度的激光与物质相互作用，当两束光的光子能量差(称为拉曼位移)与物质的能级差一致时，其中一束光(称为斯托克斯光)会被受激放大，而另一束光(称为泵浦光)会减弱。受激拉曼光谱被广泛应用在测量物质不同状态下的结构，以及通过光谱数据用来获得物质其他性质，比如燃烧状态的温度，显微受激拉曼可以用来通过细胞成像研究生物中的现象等。常规的受激拉曼光谱仪，两束光都采用高稳定性激光器输出的激光，收集时间在1秒钟时，灵敏度可以达到10-7
。但是在快速扫描，比如成像时，这个灵敏度还是限制了成像的速度，进而影响了数据采集效率。


技术实现要素：

3.发明目的：为了克服背景技术的不足，本发明公开了一种高灵敏度受激拉曼光谱仪。
4.技术方案：本发明所公开的高灵敏度受激拉曼光谱仪，包括：
5.第一激光源，发出脉冲激光作为受激拉曼光谱中的泵浦光；
6.第二激光源，发出脉冲激光作为受激拉曼光谱中的斯托克斯光；
7.合束镜，所述第一激光源和第二激光源的激光通过合束镜合束并经过样品；
8.滤光片、第一光电探测器，经过样品的激光穿过滤光镜滤去泵浦光的波长，由第一光电探测器探测；
9.所述第一激光源和第二激光源至合束镜的光路中，其中一条光路通过斩波器调制，输出调制后的激光脉冲序列，另一条光路依次经过半波片和第一偏振分光片，分出额外光路由第二光电探测器探测，通过旋转半波片，来调节进入所述样品和进入所述第二光电探测器的光强比例；
10.跨阻放大器、锁相放大器、脉冲发生器及斩波器驱动电源，所述第一光电探测器和第二光电探测器同向并联，与跨阻放大器连接，所述跨阻放大器输出电压信号进入锁相放大器，所述斩波器驱动电源驱动斩波器，所述脉冲发生器触发所述锁相放大器和斩波器驱动电源。
11.进一步的，所述第一激光源和第二激光源至合束镜的光路中，经半波片和第一偏振分光片分出的额外光路再经第二偏振分光镜与原光束合束，该额外光路与原光束时间上一前一后经过合束镜，与另一激光源的光合束并经过样品，再经第三偏振分光镜后由第二光电探测器探测。
12.进一步的，所述样品两侧分别设有第一聚焦镜和第二聚焦镜，所述第一激光源和第二激光源的激光合束后依次通过第一聚焦镜、样品及第二聚焦镜。
13.进一步的，所述第一光电探测器和第二光电探测器为等效电流噪声低的光电二极管和雪崩光电二极管。
14.进一步的，所述跨阻放大器的带宽与斩波器输出的激光调制频率匹配。
15.进一步的，测量时，挡住斩波器所在光路的激光源，调节半波片，将第一光电探测器和第二光电探测器接收到的光电信号调平衡，使锁相放大器得到的信号尽可能小，构成平衡探测结构。
16.有益效果：与现有技术相比，本发明的优点为：可以用更弱的光获得同样信噪比的受激拉曼光谱，从而避免激光对样品的损坏；或者用同样强度的光，可以用更短的时间获得同样好信噪比的光谱，从而提高信号采集效率，在成像应用中，就可以更快获得成像。
附图说明
17.图1为本发明测量受激拉曼光谱中斯托克斯光的增强光路图；
18.图2为本发明测量受激拉曼光谱中泵浦光的减弱光路图；
19.图3为本发明受激拉曼光谱中同光路平衡探测方案。
具体实施方式
20.下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步的说明。
21.实施例1
22.如图1所示，一种高灵敏度受激拉曼光谱仪，包括：
23.第一激光源1，发出的脉冲激光作为受激拉曼光谱中的泵浦光；第二激光源2发出的脉冲激光作为受激拉曼光谱中的斯托克斯光。(通常为了实现高灵敏度，两个激光源都采用高稳定性的锁模激光源。如第一激光源是超快激光器泵浦的光参量振荡器，第二激光源是超快激光振动器直接输出的激光。)
24.第一激光源1发出的激光经所述斩波器7(由斩波器驱动电源14驱动)调制，输出调制后的激光脉冲序列，频率为f。第二激光源2发出的激光，经半波片8和第一偏振分光片9，分成两束光。两束光可以通过旋转半波片8，来调节进入所述样品4和进入所述第二光电探测器10的光强比例。经第一偏振分光片9的一束光，经反射镜，被所述第二光电探测器10探测；另一束光经所述合束镜3，与第一激光源1发出的光，合束后一起经过第一聚焦镜15，样品11，经第二聚焦镜16准直，滤光片5滤去泵浦光的波长而不滤掉斯托克斯光，被所述第一光电探测器6探测。泵浦光与斯托克斯光经过样品后，会发生受激拉曼效应，斯托克斯光会被放大。所述第一光电探测器6探测到的光信号，是输入的斯托克斯光的信号加上受激拉曼增强的信号之和。
25.所述第一光电探测器6和第二光电探测器10，可以是等效电流噪声低的光电二极管，雪崩光电二极管等。所述第一光电探测器6和第二光电探测器10同向并联后，与所述跨阻放大器11连接，跨阻放大器11的带宽与所述第一激光源1经所述斩波器7输出的激光调制频率f匹配。这就构成了平衡探测的结构。跨阻放大器11输出的电压信号进入所述锁相放大器12。所述锁相放大器12探测到频率为f的交流信号。所述的脉冲发生器13触发所述的锁相放大器12和所述的斩波器驱动电源14。
26.本实施例中，是测量的斯托克斯光增强信号。增强的信号与泵浦光和斯托克斯光
的入射光强都是正比关系，如下式
27.δis∝ipis
28.其中i
p
是泵浦光强，is是斯托克斯光的光强。
29.实施时，需要在挡住第一激光源1的情况下，调节所述半波片8，将两个光电探测器接收到的光电信号调平衡，使锁相放大器得到的信号尽可能小，这是高灵敏探测的关键。这个平衡，需要在所述第一激光源1和第二激光源2发出的任意波长的组合下实现，才能保证在采集受激拉曼光谱的任何拉曼位移时都能达到高灵敏度。
30.常规的受激拉曼光谱，并不采用平衡探测方式，而是只用一个光电探测器，没有参考光的信号。在没有参考光信号的时候，跨阻放大器11输入端的电流是斯托克斯光和受激拉曼增强的光电流之和。而平衡探测结构下，跨阻放大器11输入端的电流只是受激拉曼增强的光电流。前者常规方法中的等效电流噪声由下式给出：
[0031][0032]
其中，i
pn
是光电探测器的等效电流噪声，比如典型值10fa/hz
1/2
；i
tn
是跨阻放大器的等效电流噪声，比如1mhz带宽的典型值270fa/hz
1/
2；i
ln
是斯托克斯光的等效电流噪声,可以由二极管的响应度计算得到，如下公式
[0033]iln
＝p
ln
·
r(λ)
[0034]
其中p
ln
是光的等效噪声，r
λ
是光电二极管的在波长λ时的响应系数，比如在800nm处响应系数为0.5a/w。通过样品的斯托克斯光平均功率是40mw，～0.5nj每个脉冲，重频80mhz，那么探测光的等效电流强度(i
l
)是20ma。斯托克斯光采用超快激光器直接输出的激光，在1mhz时的等效功率噪声典型值是i
l
的10-7
，那么i
ln
(1mhz)＝2na/hz
1/2
，这是in的主要来源。如果锁相放大器的测量带宽是1hz，灵敏度(对应信噪比是1:1的情况下)就是in/i
l
＝1
×
10-7
。在低功率斯托克斯光条件下，信噪比会逐渐下降。
[0035]
本实例中，平衡探测条件下的等效电流噪声由下式给出：
[0036][0037]
其中，i
p1n
和i
p2n
分别是两个光电探测器的等效电流噪声，cmrr是两个光电二极管的共模抑制比。cmrr通常都可以做到40-60db(对应100-1000)。同样用上述条件估算，由于平衡探测的原因，大大降低了光噪声。最后可以算得in/i
l
＝1
×
10-9
或者1
×
10-10
(对应cmrr是40和60)，信噪比提高了2-3个量级。因此，这个实施例中，如果我们对灵敏度的要求是1
×
10-7
，我们对第一激光源1的稳定性要求就可以降低到1
×
10-4
和1
×
10-5
。这种激光稳定性，就可以用超连续白光或者光参量放大器，而不需要光参量振荡器等昂贵的激光器了。
[0038]
所述的第一聚焦镜15和第二聚焦镜16，如果都采用物镜，就可以实现成像功能。
[0039]
实施例2
[0040]
如图2所示，本实施例的结构与实施例1的结构基本一致。实施例1测量的是斯托克斯光的增强，而实施例2是测量的泵浦光的减弱。下面只详述差别的地方。
[0041]
本实施例中，目的是实现目前常规受激拉曼仪的灵敏度，但是第一激光源1只需要用价格低廉、结构简单的超连续白光光源或者光参量放大器。第一激光源1发出的光经由半
波片8和偏振分光镜9分出一部分光，被第一光电探测器6探测。第二激光源2发出的激光经所述斩波器7调制，输出调制后的激光脉冲序列，频率为f.滤光片5滤去斯托克斯光的波长而不滤掉泵浦光。其他都与实施例1相同。根据实施例1的分析，最主要的噪声源是光噪声。实施例2中，通过平衡探测，可以将激光源1的光噪声按照cmrr的值来降低，从而将光噪声的等效电流噪声降低100-1000倍，实现灵敏度1
×
10-6
到1
×
10-7
，使整套仪器的成本大大降低。
[0042]
实施例3
[0043]
如图3所述，本实施例的结构与实施例1的结构基本一致。下面只详述差别的部分。
[0044]
本实施例与实施例1的差别主要在平衡探测结构中测量的两束光路有差别。第二激光源2发出的光经由半波片8和第一偏振分光镜9分出一部分光，经过一个光程再经第二偏振分光镜17与另外一束光合束。合束后的光在空间上重合，但是时间上一个在前一个在后，它们经所述合束镜3，与第一激光源1发出的光合束。合束后的光经过第一聚焦透镜15，样品11，第二聚焦透镜16，在样品11上第一激光源1发出的光只与第二激光源2发出的一前一后两束光中的某一束光在时间上重合，产生受激拉曼效应，这一束斯托克斯光会发生增强，而不与另外一束光在时间上重合，不会产生受激拉曼效应。经过第三偏振分光镜18，产生受激拉曼效应的斯托克斯光被第一光电探测器6探测，未发生斯托克斯光增强的另外一束光被第二光电探测器10探测。所述第一光电探测器6和第二光电探测器10需要保证所探测的光程相同或相近，才能保证好的平衡探测效果。本实施例最大的优势在于，只需要在挡住所述第一激光源1发出的光，通过调节所述半波片8，实现进入所述第一光电探测器6和第二光电探测器10的光强相同，实现平衡探测。这个技术尤其适合受激拉曼显微成像。不管第二激光源2发出的激光功率是否稳定，因激光照射到样品的位置变换，样品对光的散射、透射、吸收都会发生变化，由于平衡的两路光通过的光路始终是一致的，就能始终保证平衡。