相干反斯托克斯拉曼光譜cars-姚波善

1、相干反斯托克斯拉曼光譜法(CARS) 姚 波 善目錄 概述 測量原理 測試裝置（典型的CARS測溫系統(tǒng)） CARS的優(yōu)點(diǎn) 實(shí)驗(yàn)應(yīng)用2021-10-29相干反斯托克斯拉曼光譜法相干反斯托克斯拉曼光譜法CARSCARS2 自發(fā)拉曼散射光的強(qiáng)度很弱，給測量帶來了許多困難。 實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，隨著激光功率的提高，由強(qiáng)激光電場誘導(dǎo)的二次以上的高階極化現(xiàn)象越來越顯著。 產(chǎn)生了一些新的拉曼散射現(xiàn)象：受激拉曼散射、受激拉曼增益散射與逆拉曼散射、相干斯托克斯拉曼散射與反斯托克斯拉曼散射、拉曼誘導(dǎo)克爾效應(yīng)等。 這些新的拉曼散射現(xiàn)象的共同特點(diǎn)是信號強(qiáng)度大，比自發(fā)拉曼散射光的強(qiáng)度提高109量級。 用相干拉曼散射進(jìn)行光譜測

2、量，發(fā)現(xiàn)了一些用自發(fā)拉曼散射無法發(fā)現(xiàn)的光譜信息。2021-10-29相干反斯托克斯拉曼光譜法相干反斯托克斯拉曼光譜法CARSCARS3概述 Maker和Terhune首先在1965年發(fā)現(xiàn)相干反斯托克斯效應(yīng)（CARS)，使CARS技術(shù)應(yīng)用于高分辨分子振動光譜和溫度、濃度測試的研究。 氣相CARS研究的一個(gè)應(yīng)用是對于燃燒體系中溫度和濃度的測量。2021-10-29相干反斯托克斯拉曼光譜法相干反斯托克斯拉曼光譜法CARSCARS4概述CARS原理 CARSCARS是一種特殊的四波混頻效應(yīng)。是一種特殊的四波混頻效應(yīng)。 特點(diǎn)：特點(diǎn)：三束入射光波中，兩束入射光的差頻與待測介質(zhì)的拉曼躍遷能級間隔產(chǎn)生共振，從

3、而使三次非線性電極化率得到共振增強(qiáng)，并產(chǎn)生第四束第四束向高頻方向移動的相干波信號向高頻方向移動的相干波信號，頻移值正好等于介質(zhì)拉曼光譜頻移值。2021-10-29相干反斯托克斯拉曼光譜法相干反斯托克斯拉曼光譜法CARSCARS52021-10-29相干反斯托克斯拉曼光譜法相干反斯托克斯拉曼光譜法CARSCARS6CARS原理 兩束兩束強(qiáng)單色激光強(qiáng)單色激光： ， ：固定固定頻率頻率 ：可調(diào)諧，假設(shè)：可調(diào)諧，假設(shè) 調(diào)諧調(diào)諧 使使 ：介質(zhì)內(nèi)某一拉曼散射的頻移值（對應(yīng)拉介質(zhì)內(nèi)某一拉曼散射的頻移值（對應(yīng)拉曼散射始、終能級間的間隔）曼散射始、終能級間的間隔） 與與 相互作用，產(chǎn)生相干信號光束相互作用，產(chǎn)生

4、相干信號光束 第四束波的空間方向第四束波的空間方向121212212 3431234312kkkk2021-10-29相干反斯托克斯拉曼光譜法相干反斯托克斯拉曼光譜法CARSCARS7CARS原理431234312kkkk131212a頻率為 的泵浦束和頻率為 的探測束（即由泵浦束頻率與拉曼頻移之差而成的斯托克斯束）借助幾何匹配技術(shù)被混頻。激光通過三階非線性極化率同介質(zhì)相互作用產(chǎn)生頻率為 的振蕩偏振，并發(fā)出CARS信號。1p2sa2apsppspa 氣體：三束波按氣體：三束波按同一方向同一方向?qū)崿F(xiàn)相位匹配作用實(shí)現(xiàn)相位匹配作用 固體、液體：當(dāng)兩入射光固體、液體：當(dāng)兩入射光成一定的夾角成一定的夾角

5、入射入射時(shí)才可實(shí)現(xiàn)相位匹配時(shí)才可實(shí)現(xiàn)相位匹配2021-10-29相干反斯托克斯拉曼光譜法相干反斯托克斯拉曼光譜法CARSCARS8CARS原理CARS相位匹配：氣體固液2021-10-29相干反斯托克斯拉曼光譜法相干反斯托克斯拉曼光譜法CARSCARS9CARS原理CARS信號強(qiáng)度與譜特征信號強(qiáng)度與譜特征待測的燃燒產(chǎn)物組分特征正是根據(jù)CARS譜的特征形狀（信號強(qiáng)度隨頻率的變化）和輻射強(qiáng)度來測量。溫度信息溫度信息來自譜形狀的特征分析，因?yàn)檫@些特征反映了不同振動轉(zhuǎn)動能態(tài)內(nèi)布局的玻爾茲曼分布。濃度信息濃度信息測量則是基于CARS信號的強(qiáng)度。2021-10-29相干反斯托克斯拉曼光譜法相干反斯托克斯拉

6、曼光譜法CARSCARS10CARS原理CARS信號強(qiáng)度與譜特征信號強(qiáng)度與譜特征如假設(shè)氣相介質(zhì)的折射率為1，單色激光源、頻率Va的CARS信號強(qiáng)度為：三階非線性極化率的表達(dá)式： 323220aapsII Ilc其中：c為光速； 自由空間介質(zhì)的介電常數(shù)；為光束相交區(qū)長度；為光束強(qiáng)度0lI 3jjnrji其中： 為組分第j階躍遷諧振極化率的實(shí)、虛分量，這些組分的拉曼諧振j正是要被檢測； 為非諧振電子背景極化率nr 240222242444jjjjjjjjjjjjjsjjcKKTKNh其中：N為待測組分的數(shù)密度； 為引起j階躍遷能級間的相對布局差 jT實(shí)驗(yàn)裝置原理圖2021-10-29相干反斯托克斯

7、拉曼光譜法相干反斯托克斯拉曼光譜法CARSCARS111、激光器產(chǎn)生20HZ的脈沖激光，經(jīng)調(diào)解輸出的倍頻光以45度角入射到分光鏡BS1的反射面而被分成兩部分：透射部分進(jìn)入染料激光器激發(fā)斯托克斯束反射部分作為泵浦束。2、反射部分經(jīng)BS2再次分束：反射部分作為CARS的泵浦束； 透射部分則進(jìn)入吸收腔T1，避免能量過大，致使氣體擊穿火輻射噪聲。實(shí)驗(yàn)裝置原理圖2021-10-29相干反斯托克斯拉曼光譜法相干反斯托克斯拉曼光譜法CARSCARS123、BS2反射的泵浦束先后經(jīng)過全反射透鏡M1、M2產(chǎn)生一束反射光Vp，與經(jīng)M3全反射產(chǎn)生的Vs同時(shí)到達(dá)帶中心內(nèi)孔的環(huán)狀反射鏡AM。Vs直接通過，泵浦束則被AM

8、反射形成環(huán)狀光束，從而滿足相位匹配要求。4、環(huán)狀泵浦束與同軸對準(zhǔn)的斯托克斯束平行到達(dá)聚焦透鏡L1，并被其聚焦于測點(diǎn)產(chǎn)生CARS信號。5、所有頻率的信號又被透鏡L2形成平行光到達(dá)雙色鏡DM。這里將90%以上的非信號光反射掉。而CARS信號和剩下的小部分Vp與Vs透過DM。實(shí)驗(yàn)裝置原理圖2021-10-29相干反斯托克斯拉曼光譜法相干反斯托克斯拉曼光譜法CARSCARS136、之后，光束先經(jīng)過空間濾波器SF濾去共線的CARS信號，再經(jīng)過干涉濾光鏡F濾掉殘存的Vp和Vs。剩下的信號被聚焦于光導(dǎo)纖維OF中。7、接著，信號經(jīng)透鏡L4聚焦到光譜儀SG的入口狹縫上，再被全息光柵色散為所需色CARS光譜。CA

9、RS光譜成像于增強(qiáng)型電荷耦合器件（ICCD）的靶面上。光學(xué)多通道分析儀采集這些信號后的得到含有溫度信息的CARS譜。2021-10-29相干反斯托克斯拉曼光譜法相干反斯托克斯拉曼光譜法CARSCARS14相干反斯托克斯拉曼散射(CARS)顯微光譜儀CARS的優(yōu)點(diǎn)提供提供較高的信號光強(qiáng)或亮度較高的信號光強(qiáng)或亮度信號光束具有空間定向性，易于與入射光分離信號光束具有空間定向性，易于與入射光分離易于消除可能存在著樣品熒光輻射背底影響易于消除可能存在著樣品熒光輻射背底影響聚焦入射可提供較高的聚焦入射可提供較高的分辨率分辨率2021-10-29相干反斯托克斯拉曼光譜法相干反斯托克斯拉曼光譜法CARSCAR

10、S15實(shí)驗(yàn)應(yīng)用2021-10-29相干反斯托克斯拉曼光譜法相干反斯托克斯拉曼光譜法CARSCARS16CARS測溫測溫高溫火焰（高溫火焰（1730C)N2分子的Q支CARS光譜(a)實(shí)驗(yàn)譜，(b)計(jì)算譜注：因氮是供氣燃燒的主要組分，且在燃燒過程中保持不變，故為理想的溫度指示器。THANKS實(shí)驗(yàn)應(yīng)用2021-10-29相干反斯托克斯拉曼光譜法相干反斯托克斯拉曼光譜法CARSCARS18 兩束不同頻率的激光束入射到待測樣品中，并且至兩束不同頻率的激光束入射到待測樣品中，并且至少其中一束光的頻率是可調(diào)諧的；少其中一束光的頻率是可調(diào)諧的； 上述兩束入射光頻率之差可以調(diào)諧到與樣品本身的上述兩束入射光頻率

11、之差可以調(diào)諧到與樣品本身的拉曼躍遷頻率發(fā)生共振；拉曼躍遷頻率發(fā)生共振； 有關(guān)樣品光譜學(xué)的信息是通過對特定的信息光束獲有關(guān)樣品光譜學(xué)的信息是通過對特定的信息光束獲得的，這一信息光束可以是通過樣品后的一束入射得的，這一信息光束可以是通過樣品后的一束入射激光，也可以是通過多波混頻作用而產(chǎn)生的新的相激光，也可以是通過多波混頻作用而產(chǎn)生的新的相干輻射光束干輻射光束2021-10-29相干反斯托克斯拉曼光譜法相干反斯托克斯拉曼光譜法CARSCARS19效應(yīng)概述 強(qiáng)單色光作用下，很多待測介質(zhì)有可能產(chǎn)生熒光強(qiáng)單色光作用下，很多待測介質(zhì)有可能產(chǎn)生熒光輻射，從而形成干擾背底而降低所需要的相干光輻射，從而形成干擾背底而降低所需要的相干光信噪比，但是熒光輻射頻率通常低于