Диссертация (1104775), страница 19
Текст из файла (страница 19)
4.14), установленной в оптическом плечеволны накачки.Излучение, доставленное до тестового образца по световоду, жестко фокусировалось в образец микроскопным объективом Olympus x40 с числовой апертурой NA = 0.65, формируя пиковую интенсивность в фокальном пятне около6×109 Вт/см2 . В качестве тестовых образцов использовался кусок кварцевого стекла для записи нерезонансного фона и кусок полистирола для оценки спектрального разрешения схемы КАРС, а также временного искажения импульсов, вноси-92Рисунок 4.14: Оптическая система для проведения спектроскопии, микроскопиии эндоскопии когерентного комбинационного рассеяния света на базе лазерногогенератора сверхкоротких импульсов Mira HP (Coherent) на кристалле Ti:sapphire.Ti:S – лазерный генератор на кристалле Ti:S; OPO – параметрический генераторсвета (ПГС); PBS – поляризационный делитель; λ/2 – полуволновая пластинка;DG – дифракционная решетка; FM – откидывающееся зеркало; EOM – электрооптический модулятор; T – телескоп; OD – линия оптической задержки; Fiber –световод доставки; MOD – моторизированная линия оптической задержки; DM –дихроичное зеркало; SPF – фильтр высоких частот; BPF – оптический полосовойфильтр; MO – микроскопный объектив; PD – кремниевый фотодетектор; PMT –фотоэлектронный умножитель (ФЭУ), Lock-in – синхронный детектор; PC – компьютер.мого дисперсионными и нелинейными эффектами в световодах.
Излучение, проходящее через образец в прямом направлении, отфильтровывалось фильтром высоких частот для подавления стоксовой волны. Сигнал КАРС отделялся от накачки дихроичным зеркалом, набором фильтров высоких частот и полосовых фильтров спектрального окна 600-700 нм, после чего детектировался фотоэлектронным умножителем (ФЭУ).
Перед объективом, фокусирующим излучение в образец, был установлен фильтр низких частот, пропускающий излучение с длинойволны больше 800 нм, что необходимо для подавления генерирующегося в световоде нерезонансного сигнала на антистоксовой частоте. Для реализации методики ВКР-спектроскопии последовательность импульсов волны накачки детектировалась кремниевым фотодетектором. Для подавления низкочастотных электрических шумов стоксова волна модулировалась по амплитуде электрооптическим93модулятором (EOM на рис. 4.14) с частотой 9.8 МГц или механическим прерывателем с частотой 1.4 кГц. Кремниевый фотодетектор и ФЭУ были подключены к высокочастотному синхронному усилителю Lock-in (HF2LI Zurich Instr.),осуществляющему демодуляцию сигнала.
Во всех представленных далее экспериментах энергии возбуждающих импульсов поддерживались на уровне 0.1-0.5нДж.В экспериментах по фемтосекундной микроспектроскопии комбинационного рассеяния света длина волны накачки составляла 824 нм, а стоксово излучениеперестраивалось в диапазоне от 1040 до 1200 нм. При использовании спектральноограниченных импульсов длительностью около 160 фс был реализован классический подход сканирования стоксовой волны по частоте, что приводило к вынужденному комбинационному ослаблению волны накачки в полистироле, толуолеи воде на комбинационных частотах около 3000 см-1 (рис.
4.15), где доминируютширокие линии колебаний CH- и OH-групп с центрами на 2900 и 3300 см-1 , соответственно. В таком случае спектральное разрешение методики не лучше 100см-1 , что не позволяет достоверно различать спектры близких по химическомусоставу веществ. Использование сверхкоротких импульсов в микроскопии ВКРсвета широко распространено для наиболее эффективного и быстрого зондирования веществ, обладающих широкими и уединенными линиями колебания CH- иCD-групп [42—44], а также позволяет дополнительно проводить микроскопию генерации оптических гармоник и флуоресцентную микроскопию многофотонноговозбуждения [45].В наших экспериментах линейно чирпированные импульсы накачки и стокса обладали длительностями Tpu = 3.7 пс и Tst = 3.2 пс и одинаковыми чирпамиα = 2.9 пс-2 , которые были сформированы в решеточных стретчерах. Изменяярасстояние между дифракционными решетками, можно управлять наведеннымлинейным чирпом импульсов, что позволяет подстраивать спектральное разрешение методик под задачи быстрой визуализации веществ с широкими линиями или спектрального разделения компонент с перекрывающимися резонансами.Длительность и фаза импульсов контролировалась при помощи кросскорреляционной методики стробирования излучения с разрешением по частоте XFROG.
Врежиме работы с модулированными по фазе импульсами были получены КАРСи ВКР-спектры толуола (рис. 4.15б). На временных задержках 2480 фс, 460 фс,-270 фс, -1965 фс (синие кружки на рис. 4.15б) кросскорреляционной картиныбыли идентифицированы четыре пика толуола с частотами 2920 см-1 , 2983 см-1 ,942 8003 2003 600Спектральный сдвиг, см−1(а)Интенсивность, отн. ед.Сигнал ВКР, мкВ7060504030201003 200 3 100 3 000 2 9001.210.80.60.40.20−4 00004 000Временная задержка, фс3 0002 8002 6002 4002 200Спектральный сдвиг, см−1Спектральный сдвиг, см−1(б)Рисунок 4.15: (а) ВКР-спектры полистирола (квадраты), толуола (кружки) и воды (треугольники) записанные при помощи спектрально ограниченных фемтосекундных импульсов.
(б) Зависимости сигнала вынужденного комбинационногоослабления накачки (синяя сплошная линия) и когерентного антистоксова рассеяния света (зеленая пунктирная линия), записанные из толуола от времени задержки между фазомодулированными импульсами накачки и стокса (нижняя осьабсцисс) и от зондируемой рамановской частотой (верхняя ось абсцисс). Соответствие между горизонтальными осями можно восстановить по четырем хорошоразрешенным пикам толуола (синие кружки) с помощью линейного регрессионного анализа с коэффициентом R2 = 0.9997 (штрихпунктирная розовая линия).3003 см-1 и 3056 см-1 , что позволило определить соответствие между временными задержками и зондируемыми комбинационными частотами.
Форма КАРС- иВКР-спектров сильно различается для всех линий, кроме наиболее интенсивной,так как методики визуализируют различные части нелинейно-оптической воспри(3)имчивости χ(3) вещества: ICARS ∼ |χ(3) |2 и ∆ISRS ∼ Im(χres ). Квадратичная зависимость эффективности генерации КАРС-сигнала от количества комбинационноактивных молекул отражается в плохой чувствительности методики к слабым резонансам (2983 см-1 и 3003 см-1 ).
В случае сильной комбинационной линии вкладнерезонансного фона слабый, поэтому записанные разными методиками формылинии весьма схожи. Данная особенность спектра используется для проведенияколичественной спектральной визуализации тканей на основе отклика липидови белков методиками КАРС-микроскопии с высоким спектральным разрешени-95ем [49], т.к. ВКР-микроскопия остается технически более сложной и медленнойметодикой.Для успешной реализации методики спектральной фокусировки широкополосных импульсов важным фактором является качество фазового профиля предоставляемых генераторами фемтосекундных импульсов.
Сверхширокополосныеимпульсы длительностью порядка 10 фс удобны для зондирования большого количества резонансов в спектральной области шириной до 1500 см-1 и могут бытьэффективно растянуты твердотельными стретчерами, однако зачастую они изначально обладают нескомпенсированными нелинейными девиациями частоты,приводящие к ограничению селективности техники комбинационной спектроскопии на уровне 20-35 см-1 [132; 133].
Широко распространенные генераторы фемтосекундных импульсов длительностью около 100 фс работают в квазсолитонномрежиме [50], генерируют в хорошем приближении спектрально ограниченное илилинейно чирпированное излучение с шириной спектра около 300 см-1 , достаточной для проведения мультиплексной спектроскопии. Однако, эффективное растяжение таких импульсов возможно только при помощи призменных или решеточных стретчеров, как реализовано в нашей работе. Измеренная в экспериментеполная ширина по полувысоте линии толуола на 2983 см-1 равна 10 см-1 , что определяет нижний предел разрешающей способности спектрометра.
При идеальнойлинейной модуляции можно ожидать разрешение до 6.1 см-1 . Предусмотреннаяв экспериментальной схеме возможность в каждом из оптических путей излучению миновать дифракционные решетки позволяла проводить аккуратный анализ величина линейного чирпа и его нелинейные компоненты возбуждающих импульсов методикой XFROG при генерации суммарной частоты в кристалле BBO0.5 мм, когда один из возбуждающих импульсов оставался спектрально ограниченным (рис. 4.16). Записанные спектрограммы XFROG позволили восстановитьвременную огибающую импульсов и девиацию частоты (пунктирные линии нарис.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
