【摘要】：相干反斯托克斯拉曼散射技術(shù)(Coherent anti-Stokes Raman Scattering,CARS)是基于物質(zhì)分子固有振動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)特性獲取信號(hào),因此可以在無(wú)需標(biāo)記的前提下,通過(guò)光與物質(zhì)相互作用產(chǎn)生非線性信號(hào)。CARS屬于三階非線性效應(yīng),因此具有高靈敏、高空間分辨率以及三維層析能力等特點(diǎn),廣泛應(yīng)用于活細(xì)胞的光譜探測(cè)與顯微成像中,使在自然的微環(huán)境中觀測(cè)完整的樣品和活體細(xì)胞成為可能。一直以來(lái),CARS多是基于分子內(nèi)某一特定化學(xué)鍵產(chǎn)生的反斯托克斯信號(hào)表征特定分子,然而,這種靠單一化學(xué)鍵區(qū)分細(xì)胞內(nèi)種類繁多的生物分子是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。因此,為了能夠準(zhǔn)更加準(zhǔn)確、快速地識(shí)別不同的分子,需要盡可能同時(shí)獲取分子完整的CARS光譜。本文將超連續(xù)譜光源與超窄帶通濾光片結(jié)合提出一種高譜分辨寬帶CARS光譜探測(cè)方法,即:超短激光脈沖分為兩路,一路泵浦光子晶體光纖產(chǎn)生的超連續(xù)譜做斯托克斯光,另一路經(jīng)過(guò)窄帶濾光片,得到光譜寬度約為0.7 nm,脈寬展寬至皮秒量級(jí)的激光脈沖同時(shí)作為泵浦光和探測(cè)光,兩路激光脈沖合束后被顯微物鏡聚焦于樣品上,從而產(chǎn)生具有高光譜分辨率的寬帶CARS光譜。論文的主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn):1.提出一種具有高譜分辨率寬帶CARS光譜探測(cè)方法,進(jìn)行理論分析和數(shù)值模擬,證明方法的可行性;2.搭建了一套高譜分辨寬帶CARS光譜探測(cè)系統(tǒng),一次性獲得苯甲腈樣品分子在500-3500 cm-1范圍內(nèi)的6個(gè)CARS特征峰。本論文的主要內(nèi)容有:1.對(duì)比傳統(tǒng)單頻CARS與寬帶CARS,提出高譜分辨率寬帶CARS方法。2.利用對(duì)稱分步傅里葉法數(shù)值求解非線性薛定諤方程,模擬了超短激光脈沖在光子晶體光纖中傳輸時(shí)在時(shí)間域和頻譜域的演化情況,為產(chǎn)生適用于高譜分辨率寬帶CARS光譜探測(cè)的超連續(xù)譜光源提供了理論基礎(chǔ)。3.基于高譜分辨寬帶CARS方法,對(duì)聚苯乙烯珠與苯甲腈內(nèi)多個(gè)分子共振鍵進(jìn)行光譜探測(cè)模擬,獲得聚苯乙烯珠與苯甲腈內(nèi)多個(gè)分子共振鍵的高譜分辨率寬帶CARS光譜。4.搭建了一套高譜分辨寬帶CARS光譜探測(cè)系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了苯甲腈樣品分子振動(dòng)500-3500 cm-1內(nèi)多個(gè)分子共振鍵同時(shí)探測(cè)。
[Abstract]:The coherent anti-Stokes Raman scattering (Coherent anti-Stokes Raman Scattering,CARS) technique is based on the inherent vibration and rotational characteristics of matter molecules, so it can be used without labeling. The nonlinear signal is produced by the interaction of light and matter. CARS is a third order nonlinear effect, so it has the characteristics of high sensitivity, high spatial resolution and three-dimensional tomography, so it is widely used in the spectral detection and microscopic imaging of living cells. It is possible to observe intact samples and living cells in a natural microenvironment. All along, CARS is based on the anti-Stokes signal generated by a specific chemical bond within a molecule to characterize a particular molecule. However, it is far from enough to distinguish a wide variety of biological molecules within cells by a single chemical bond. Therefore, in order to identify different molecules more accurately and quickly, complete molecular CARS spectra should be obtained simultaneously. In this paper, a high spectral resolution wideband CARS spectral detection method is proposed by combining the supercontinuum light source with the ultra-narrow band pass filter. The ultrashort laser pulse is divided into two channels, and the supercontinuum spectrum generated by the photonic crystal fiber is pumped one way to make the Stokes light. The other way through the narrow band filter, the laser pulse with a spectral width of about 0.7 nm, pulse width up to picosecond is obtained, and the laser pulse is simultaneously used as the pump light and the detection light. The two laser pulses are combined with the beam and then focused on the sample by the microscope objective lens. Thus, broadband CARS spectra with high spectral resolution are generated. The main innovation points of this paper are as follows: 1. A broadband CARS spectral detection method with high spectral resolution is proposed. Theoretical analysis and numerical simulation are carried out to prove the feasibility of the method. 2. A set of high spectral resolution wideband CARS spectral detection system was set up. Six CARS characteristic peaks of benzonitrile samples in the range of 500-3500 cm-1 were obtained at one time. The main contents of this thesis are as follows: 1. Compared with traditional single frequency CARS and wideband CARS, a high spectral resolution wideband CARS method is proposed. 2. The nonlinear Schrodinger equation is solved numerically by using the symmetric discrete step Fourier method. The evolution of ultrashort laser pulses in the time domain and the spectrum domain is simulated when they propagate in photonic crystal fibers. It provides a theoretical basis for the generation of supercontinuum spectral light source for broadband CARS spectral detection with high spectral resolution. Based on the high spectral resolution wideband CARS method, the spectral simulation of multiple molecular resonance bonds in polystyrene beads and benzonitrile was carried out, and the high spectral resolution broadband CARS spectra of polystyrene beads and benzonitrile were obtained. 4. A high spectral resolution wideband CARS spectral detection system was set up to detect the molecular vibration of benzonitrile samples simultaneously in 500-3500 cm-1.
【學(xué)位授予單位】：深圳大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號(hào)】：O433

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本文編號(hào)：2333953