一种太赫兹灵敏探测成像系统及方法与流程

本发明涉及材料检测，更具体地讲，涉及一种太赫兹灵敏探测成像系统及方法。

背景技术：

1、由于太赫兹成像技术具有广阔的应用领域和巨大的应用价值，使得其近年来一直是研究的热点。目前，传统太赫兹成像系统由于缺乏太赫兹波段的灵敏探测器件而无法实现高灵敏成像探测。近年来相干反斯托克斯拉曼散射的出现促进了生物医学和材料科学的发展，被用于各种应用，如癌症检测，代谢分析，药物发现等。双光梳相干反斯托克斯拉曼散射光谱（dc-cars），由于它具有快速获取指纹区高分辨率拉曼光谱的独特能力，尤其受到重视。然而，由于dc-cars 99%的激光能量没有用于cars（相干反斯托克斯拉曼散射）过程，其有效cars信号的占空比不到1%，这极大地限制了光谱采集率和信噪比。将太赫兹光谱灵敏探测通过特定振转能级激发转换到相干反斯托克斯拉曼散射光谱检测，并结合光梳频率调制提升其占空比，为发展新的太赫兹波段灵敏成像技术提供新方法。

技术实现思路

1、针对现有技术中存在的不足，本发明的目的之一在于解决上述现有技术中存在的一个或多个问题。例如，本发明的目的之一在于提供一种太赫兹灵敏探测成像系统及方法，该系统和方法通过太赫兹波对待测样品分子的激发，引起样品分子构型变化，产生拉曼峰的偏移，并利用双光梳拉曼成像技术，结合光梳频率调制技术，实现相干拉曼光谱的快速、高占空比测量，捕捉分子拉曼峰的改变；此外，结合拉曼信号增强技术，增强散射信号强度，提高了检测灵敏度，实现了对样品的灵敏探测与成像。

2、本发明的一方面提供了一种太赫兹灵敏探测成像系统，可以包括第一光梳光源、第二光梳光源、太赫兹光源、合束器、双色镜、第一聚焦透镜、第二聚焦透镜、滤光片以及光电探测器，其中，第一光梳光源与第二光梳光源的重复频率有微小差别，第一光梳光源输出光与第二光梳光源输出光在合束器共线后，依次通过双色镜和第一聚焦透镜聚焦于待测样品表面产生拉曼散射光信号，拉曼散射光信号通过第一聚焦透镜沿原光路返回后经双色镜反射至滤光片，滤光片过滤拉曼散射光信号后通过第二聚焦透镜聚焦于光电探测器；其中，第一光梳光源输出的光作为泵浦光，第二光梳光源输出的光作为探测光，当两光梳的时延大于泵浦光梳激发到的高能振动态的分子能级寿命时，第二光梳重复频率被调小，从而实现拉曼信号的持续探测；太赫兹光源输出太赫兹波后作用在待测样品表面，改变待测样品分子构型，使得待测样品表面产生的拉曼峰偏移，发生偏移的拉曼散射光信号沿原光路依次通过第一聚焦透镜后在双色镜发生反射至过滤片，过滤片滤出拉曼散射光后通过第二聚焦透镜聚焦后，传输至光电探测器收集测量以实现太赫兹光谱探测。

3、进一步地，第一光梳光源的重复频率与第二光梳光源的重复频率可以具有微小差别，即，其中，为重复频率差。

4、进一步地，泵浦光与探测光脉冲的时间延时可以为，其中表示脉冲对的个数。

5、进一步地，还可以包括信号发生器，信号发生器用于调制第二光梳光源的重复频率，当大于高能振动态的分子能级寿命后，信号发生器即将第二光梳光源的重复频率调制为。

6、进一步地，还可以包括粗糙金属，待测样品吸附在粗糙金属表面。

7、进一步地，还可以包括第一反射镜和第二反射镜，其中，第二光梳光源输出光经第一反射镜反射后输入至合束器；太赫兹波经第二反射镜反射后照射在待测样品表面；所述太赫兹波作用在待测样品表面上点与第一光梳光源输出光、第二光梳光源输出光经第一聚焦透镜聚焦在待测样品表面上的点为同一点，所述太赫兹波能够改变待测样品分子构型，使拉曼峰位置变化量为，其中，为太赫兹波频率，c为光速。

8、进一步地，合束片与第一光梳光源输出光传播方向、第二光梳光源输出光传播方向分别呈45度夹角；双色镜与拉曼散射光信号传播方向呈45度夹角。

9、进一步地，光电探测器可以为雪崩光电二极管探测器。

10、本发明的另一方面提供了一种太赫兹灵敏探测成像方法，应用于以上所述的太赫兹灵敏探测成像系统，可以包括以下步骤：将一束泵浦光与一束探测光共线后聚焦于待测样品表面，当两光梳间的时延小于被泵浦光梳激发到的高能振动态的分子能级寿命时，产生拉曼散射信号；在两光梳间的时延大于高能振动态的分子能级寿命后，通过信号发生器对光梳重复频率进行频率调制，立刻将第二光梳光源的重复频率调制为；将太赫兹波作用在待测样品表面，改变待测样品分子构型，使得待测样品表面产生的拉曼峰偏移；将被太赫兹激发导致的发生偏移的拉曼散射光信号过滤后聚焦于光电探测器上进行拉曼成像。

11、与现有技术相比，本发明的有益效果至少包括以下中的至少一项：

12、（1）本发明的系统和方法通过太赫兹波对待测样品分子的激发，会引起样品分子构型变化，产生拉曼峰的偏移，结合双光梳拉曼成像技术，捕捉分子拉曼峰的改变，将太赫兹波段测量转化为拉曼信号检测，拓宽了探测范围；

13、（2）本发明的系统和方法结合光梳频率调制技术实现了高占空比的拉曼信号测量，实现相干拉曼光谱的快速、高占空比的测量；

14、（3）本发明的系统和方法能够提高拉曼散射光信号强度，进而提高了检测灵敏度。

技术特征：

1.一种太赫兹灵敏探测成像系统，其特征在于，包括第一光梳光源、第二光梳光源、太赫兹光源、合束器、双色镜、第一聚焦透镜、滤光片、第二聚焦透镜以及光电探测器，其中，

2.根据权利要求1所述的太赫兹灵敏探测成像系统，其特征在于，第一光梳光源的重复频率与第二光梳光源的重复频率具有微小差别，即，其中，为重复频率差。

3.根据权利要求2所述的太赫兹灵敏探测成像系统，其特征在于，泵浦光与探测光脉冲的时间延时为，其中表示脉冲对的个数。

4.根据权利要求3所述的太赫兹灵敏探测成像系统，其特征在于，还包括信号发生器，信号发生器用于调制第二光梳光源的重复频率，当大于高能振动态的分子能级寿命后，信号发生器即将第二光梳光源的重复频率调制为。

5.根据权利要求1、2、3或4所述的太赫兹灵敏探测成像系统，其特征在于，还包括粗糙金属，待测样品吸附在粗糙金属表面。

6.根据权利要求1、2、3或4所述的太赫兹灵敏探测成像系统，其特征在于，还包括第一反射镜和第二反射镜，其中，第二光梳光源输出光经第一反射镜反射后输入至合束器；太赫兹波经第二反射镜反射后照射在待测样品表面；所述太赫兹波作用在待测样品表面上的点与第一光梳光源输出光、第二光梳光源输出光经第一聚焦透镜聚焦在待测样品表面上的点为同一点，所述太赫兹波能够改变待测样品分子构型，使拉曼峰位置变化量为，其中，为太赫兹波频率，c为光速。

7.根据权利要求1、2、3或4所述的太赫兹灵敏探测成像系统，其特征在于，合束片与第一光梳光源输出光传播方向、第二光梳光源输出光传播方向分别呈43~47度夹角；双色镜与拉曼散射光信号传播方向呈43~47度夹角。

8.根据权利要求1、2、3或4所述的太赫兹灵敏探测成像系统，其特征在于，光电探测器为雪崩光电二极管探测器。

9.一种太赫兹灵敏探测成像方法，其特征在于，应用于权利要求1至8中任意一项所述的太赫兹灵敏探测成像系统，包括以下步骤：

技术总结
本发明提供了一种太赫兹灵敏探测成像系统及方法。系统包括第一光梳光源、第二光梳光源、太赫兹光源、合束器、双色镜、第一聚焦透镜、滤光片、第二聚焦透镜以及光电探测器；第一光梳光源与第二光梳光源重复频率有微小差别，两光梳光源输出光在合束器共线后依次通过双色镜和第一聚焦透镜聚焦于待测样品表面产生拉曼散射光信号，两光梳的时延大于泵浦光梳激发到的高能振动态的分子能级寿命时，第二光梳重复频率被调小，实现拉曼信号的持续探测；太赫兹光源输出太赫兹波后作用在待测样品表面，引起样品分子构型变化，使拉曼峰位置变化。本发明系统和方法通过双梳拉曼成像、光梳频率调制及表面拉曼增强技术实现太赫兹光谱灵敏、快速、高占空比测量。

技术研发人员：曾和平,吕天健,闫明,李敏,王霄,姚天军,钱小伟,胡梦云
受保护的技术使用者：重庆华谱科学仪器有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15