CARS光谱中非共振背景的分离和抑制方法的理论研究

摘要

相干反斯托克斯拉曼光谱（CARS）技术是一种典型的三阶非线性光谱技术。这项技术在分子振动弛豫，大分子研究等方面被广泛应用，由于其振动信号强，不需要荧光标识等优点被用作振动显微成像工具。利用CARS技术还可以对燃烧体系中的温度和浓度进行测量。在有机分子的CARS信号中，通常存在着非常多的振动态和严重的背景信号，这些都将造成有机分子的CARS光谱非常复杂，难于指认，其背景信号在很大程度上干扰了CARS光谱及CARS振动成像显微镜的应用。
　　本文阐述了CARS学技术的发现和发展，以及研究和应用的最新进展情况。并对CARS的原理进行了详细的分析，从经典的Maxwell方程和半经典的量子理论出发导出了CARS强度与三阶非线性极化率的关系，并介绍了利用易懂的Hellwarth图形导出三阶非线性极化率的详细表达式的方法，利用这种方法可以清楚地区分三阶非线性极化率中的非共振与共振贡献。
　　MultiplexCARS（MCARS）技术(也可称为多元CARS技术)由于能够同时激发多个振动模，所以具有测量范围广，测量时间短，不受激光功率波动等因素影响的优点，因而具有较高的信噪比，MCARS技术被用来同时测量复杂体系中的振动态，然而由于非共振背景信号的存在，直接利用MCARS光谱得到各振动态表征的物质的浓度等信息的方法不再准确。
　　在本文中，我们利用三阶非线性极化率中共振部分与自发拉曼线型之间的关系对聚碳酸酯（PC）MCARS实验测量结果进行了分析，对实验数据进行了理论拟合，将光谱中共振成分与非共振成分各自的贡献区分开来，这种方法以前只用于对蛋白质分子溶液组分的分析中，现在我们将它应用至有机分子薄膜的MCARS分析中。
　　本文还阐述了现存的多种抑制CARS信号中非共振背景噪声的方法，例如：偏振CARS、位相失匹配法、时间分辨探测CARS、干涉测量法等。其中详细介绍了利用电子共振与拉曼共振同时产生来抑制CARS信号中非共振背景信号的方法，并利用转换理论将物质的吸收谱与物质的拉曼共振谱联系起来，对实验中测得的苯二甲蓝锌（ZnPc）的独特的相干反斯托克斯拉曼激发线型（CEPs）进行了理论计算，对分子模型做不同的近似（Condon近似，绝热近似等），得到了与实验吻合的结果。利用此结果，我们可以直接将激发光的频率调谐至激发线型最大值处，实现CARS信号最大的信噪比。该方法可以很好的指导今后采用电子共振增强CARS法实现对有机分子的无共振背景信号的探测。

目录

论文

摘 要

Abstract

目 录

绪论

1.1 相干反斯托克斯拉曼光谱（CARS）的概念

1.2 CARS的发现和发展

1.3 CARS的现阶段的应用和研究状况

1.4 CARS的特点

第2章 理论基础

2.1 非线性光学和相干拉曼光谱

2.2 物质的非线性传递函数

2.3 相干反斯托克斯拉曼散射的信号

第3章 MCARS中的非共振背景信号的分离

3.1 CARS信号中的非共振背景信号

3.2 MCARS的特点及应用

3.3 MCARS的理论

3.4 MCARS信号强度与浓度的关系

3.5 CARS与Raman线型之间的关系

3.6 聚碳酸酯（PC）的MCARS实验光谱和拟合

3.7 本章小结

第4章 抑制非共振背景实验条件的计算

4.1 抑制非共振背景信号的方法

4.2 电子共振增强效应的实验方法

4.4 激发线型的转换理论

4.5 CEPs的计算结果

4.6 本章小结

结 论

参考文献

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