Stimulerad Raman-spridning (SRS)
Vi använder en optisk avbildningsteknik baserad på processen för stimulerad Raman-spridning (SRS) för att övervaka specifika ämnen med hög kemisk specificitet och hög rumslig och tidsmässig upplösning.
SRS-processen bygger på två laserstrålar kallade pump- och Stokes-strålar som sammanfaller rumsligt och tidsmässigt på provet under studie. När deras energiskillnad matchar en av de Raman-aktiva frekvenserna hos provmolekylen inträffar en icke-linjär interaktion. Detta åtföljs av en energiöverföring från pumpstrålen till Stokes-strålen. Intensiteten i pumpstrålen upplever en förlust som kallas stimulerad Raman-förlust (SRL), och intensiteten i Stokes-strålen upplever en ökning som kallas stimulerad Raman-gain (SRG). Stimulerad Raman-spridning är en känslig och molekylärt specifik process; dock är signalen svag och kan vara begravd i laserbruset. Vi utvecklade en optisk avbildningsteknik baserad på rumslig modulation av en av de två laserstrålarna (pumpstrålen eller Stokes-strålen) för att registrera den svaga SRS-signalen. Pumpstrålen är rumsligt modulerad med fransar som produceras i en Michelson-interferometer. För att skilja ut Stokes-strålen (SRS-signalen) från bakgrunden används Stokes-strålens förstärkning i rumslig frekvensdomän. I denna teknik använder vi en Q-switched Nd: YAG-laser med ett optiskt parametrisk oscillator (OPO)-system som källa för både pump- och Stokes-strålar samtidigt.
Den frekvensdubblade strålen (532 nm) från lasern används för att pumpa molekylerna under studie. Den frekvenstriplade (355 nm) strålen från samma laser används för att pumpa en optisk parametrisk oscillator (OPO). Stokes-strålen (från OPO) ställs in på en specifik våglängd så att frekvensskillnaden mellan pump- och Stokes-strålarna matchar en Raman-aktiv vibrationsmodus hos molekylen under studie. De två strålarna överlappar på provet och resulterar i en ökning av Stokes-strålens intensitet och en förlust av pumpstrålens intensitet genom SRS-processen. Två bilder av Stokes-strålen utan och med pumpstrålen fransar registreras. Den normaliserade bilden beräknas och Fourier-transformeras och Stokes-strålens förstärkning separeras från bakgrunden i Fourierrummet. Den experimentella uppsättningen visas i Fig.1.

Fig. 1. Den experimentella uppställningen av SRS-avbildningen. M: speglar, B.S: stråldelare, NL: negativ lins, L1: kollimerande lins, L2: bildlins, EF: kantfilter för 532 nm, F1: ett rött filter och F2: en absorberande filteruppsättning.
Vi tillämpade tekniken på fasta (polymetylmetakrylat (PMMA)), vätska (leverolja) och gaser (metan (CH4) och eten (C2H4)). Resultat från gasexperiment visas nedan. För metan och eten motsvarar de Raman-aktiva modena Stokes-våglängderna 629,93 nm och 634,05 nm, respektive. Resultat från ett metangasexperiment visas i fig. 2.

Fig. 2. Resultat från metanexperimentet. (a) En bild av pumpstrålekanterna med ett avstånd på 0,67 mm, (b, c) Stokes strålbilder utan respektive med pumpstrålekanterna närvarande, (d) kvoten mellan (c) och (b) bilderna och (e) ett tvärsnitt av storleken på Fouriertransformen av bilden i (d). Gastrycket är 12 bar, den genomsnittliga pumpens strålintensitet är 6 MW/cm2 och Stokes strålintensitet är 26 kW/cm2.
Fransmodulationen på grund av energiöverföring från pumpstrålen till Stokes-strålen under SRS-processen är tydligt synlig i den normaliserade bilden i Fig. 2(d). Tvärsnittet av magnituden i Fourier-transformen av den normaliserade bilden (Fig. 2(e)) visar lober som representerar SRS-förstärkningssignalen centrerad i närheten av +/- 1,5 mm-1, vilket motsvarar en fransavstånd på 0,67 mm. Därför kan den svaga SRS-signalen separeras från bakgrunden. Figur 3 visar beroendet av SRS-förstärkningssignalen från CH4-gasens tryck. Figuren visar att SRS-förstärkningssignalen ökar linjärt från 0,25 % vid ett gastryck på 1,0 bar till cirka 2,3 % vid 8,0 bar och sedan böjer den sig för att nå 2,6 % vid 12 bar. Detta resultat visar att tekniken är känslig för molekylkoncentrationen i interaktionsvolymen. För att undersöka teknikens kemiska specificitet användes en blandning av de två gaserna (CH4 och C2H4). Gasrummet trycktes med CH4-gas till 6,0 bar och trycktes sedan ytterligare från 6,0 till 12,0 bar med C2H4-gas. Stokes-strålens våglängd justerades från 628,00.

Fig. 3. SRS-förstärkningssignalens beroende av gastrycket. Den genomsnittliga pumpens strålintensitet är 6 MW/cm2 och Stokes strålintensitet är 26 kW/cm2.

Fig. 4. SRS-förstärkningssignalen vid olika våglängder av Stokes-strålen för en gasblandning av två gaser (CH4 och C2H4). Den genomsnittliga pumpens strålintensitet är 6 MW/cm2 och Stokes strålintensitet är 26 kW/cm2.
Uppdaterad: