Письма в ЖЭТФ, том 101, вып. 9, с. 665-670
© 2015 г. 10 мая
Мультимодальная микроспектроскопия нелинейного комбинационного рассеяния света с использованием сверхкоротких
чирпированных лазерных импульсов
А. А. Ланин+*, Е. А. Степанов+*, Р. А. Тихонов+, Д. А. Сидоров-Бирюков+*, А. Б. Федотов+*,
А. М. Желтиков+ *х °1)
+ Физический факультет, Международный лазерный центр, МГУ им. Ломоносова, 119992 Москва, Россия * Российский квантовый центр, 143025 Сколково, Россия х Texas А&М University, College Station ТХ, 77843 USA ° Национальный исследовательский центр "Курчатовский институт", 123098 Москва, Россия Поступила в редакцию 24 марта 2015 г.
Продемонстрированы физические принципы мультимодальной нелинейно-оптической микроспектроскопии, сочетающей в рамках единой оптической схемы методы когерентного и вынужденного комбинационного рассеяния света с использованием сверхкоротких чирпированных лазерных импульсов. На основе высокоточной компенсации нелинейных искажений фазы сверхкоротких импульсов в широкой полосе частот реализована лазерная микроспектроскопия высокого спектрального разрешения, позволяющая надежно разделять группы характеристических молекулярных колебаний с близкими частотами при анализе сложных многокомпонентных систем.
DOI: 10.7868/S0370274X15090027
Методы нелинейной оптики играют центральную роль в развитии неинвазивной микроскопии высокого пространственного разрешения. На протяжении последних полутора десятилетий явление когерентного антистоксова рассеяния света (КАРС) [1-3] с успехом используется для микроскопии живых систем [4,5], обеспечивая высокую химическую селективность, внутриклеточное пространственное разрешение и высокие скорости накопления изображений [6,7]. Благодаря этим преимуществам КАРС-микроскопия открывает уникальные возможности для регистрации внутриклеточной динамики [8], изучения липидных мембран [9] и нейрофизиологических исследований [10].
Основные физические факторы, ограничивающие использование КАРС в качестве техники микроскопии сложных биологических систем, связаны с наличием когерентного фона, обусловленного нерезонансными процессами четырехволнового взаимодействия, а также квадратичной зависимостью интенсивности сигнала КАРС от концентрации частиц, являющейся основным препятствием для КАРС-микроскопии одиночных молекул [1—3]. Обе проблемы в значительной степени решаются в схеме нели-
e-mail: zheltikov@physics.msu.ru
нейной микроскопии на основе вынужденного комбинационного рассеяния (ВКР) света, которая в последние годы находит все более широкое применение при решении задач микроскопии биологических объектов [И, 12].
Использование в схемах нелинейно-оптической микроскопии сверхкоротких лазерных импульсов неизбежно приводит к ограничениям на спектральное разрешение и, как следствие, затрудняет выделение полезного сигнала в задачах микроскопии многокомпонентных биологических систем. Однако благодаря когерентной природе лазерных импульсов спектральное разрешение таких методов микроскопии может быть существенно увеличено за счет использования фазово-модулированных (чирпированных) лазерных импульсов [13-17]. Линейный чирп задает взаимно однозначное соответствие между частотой и временем задержки между импульсами т. Это позволяет восстановить спектр комбинационно-активной моды на основе измерения интенсивности сигнала нелинейного комбинационного рассеяния как функции г [13-17].
В настоящей работе демонстрируются физические принципы мультимодальной нелинейно-оптической микроспектроскопии, сочетающей в рамках единой оптической схемы методы КАРС и
Рис. 1. (Цветной онлайн) Лазерный генератор на кристалле Ti:S: ОРО - параметрический генератор света (ПГС); PBS - поляризационный делитель; А/2 - полуволновая пластина; DG - дифракционная решетка; FM - откидывающееся зеркало; ЕОМ - электрооптический модулятор; Т - телескоп; OD - линия оптической задержки; MOD -моторизированная линия оптической задержки; DM - дихроичное зеркало; SPF - фильтр высоких частот; BPF - оптический полосовой фильтр; МО - микроскопный объектив; PD - кремниевый фотодетектор; РМТ - фотоэлектронный умножитель (ФЭУ); Lock-in - синхронный детектор; PC - компьютер
ВКР с использованием сверхкоротких чирпирован-иых лазерных импульсов. На основе высокоточной компенсации нелинейных искажений фазы сверхкоротких импульсов в широкой полосе частот реализована лазерная микроспектроскопия высокого спектрального разрешения, позволяющая надежно разделять группы характеристических молекулярных колебаний с близкими частотами при анализе сложных многокомпонентных физических, химических и биологических систем.
Реализованная в настоящей работе схема нели-нейно-оптичес кой микроспектроскопии основана на использовании пары сверхкоротких лазерных импульсов с идентичным линейным чирпом, играющих роль полей накачки и Стокса в процессах когерентного и вынужденного рассеяния света. Мгновенные частоты этих импульсов, шри и изменяются во времени как шри(щ) = = ш2+ащ, где
и шо - центральные частоты лазерных импульсов, а - параметр чирпа, щ и щ = Ш + т ~ время в бегущей системе отсчета, связанной с импульсом накачки, г - время задержки между импульсами. Спектр комбинационного возбуждения, обеспечиваемого такой парой импульсов, содержит компоненты на разностной частоте С1т(т) = {и}\ — шо) — ат. Измерение спектра комбинационного рассеяния производится путем сканирования частоты С1т(т) в окрестности частоты исследуемого молекулярного колебания Пд путем изменения задержки т. Предельное спектральное разрешение таких измерений определяет-
ся длительностями растянутых устройством формирования чирпа (стретчером) импульсов накачки и Стокса, Три и Т3г-. Шт{т) = 41п2^ТД + Т^и/Т^Три. Так как длительности Три и Т8( растянутых импульсов могут на порядки превышать длительности спектрально ограниченных импульсов, поддерживаемых полной шириной спектра полей накачки и Стокса, использование чирпированных импульсов в такой схеме нелинейно-оптических взаимодействий не только удобно с практической точки зрения, но и позволяет существенно увеличить спектральное разрешение нелинейной микроспектроскопии. Однако для реализации этой возможности требуется решить ключевую задачу подавления нелинейных искажений фазы сверхкоротких лазерных импульсов во всей полосе частот, необходимой для регистрации характеристических молекулярных колебаний.
В настоящей работе указаны пути решения этих задач. В экспериментах используется схема муль-тимодальной микроскопии нелинейного комбинационного рассеяния, реализованная на базе лазерной системы (рис. 1), состоящей из задающего генератора сверхкоротких импульсов на кристалле сапфира, легированного титаном, и параметрического генератора света (ПГС). Задающий генератор формирует лазерные импульсы длительностью 100-150 фс с энергией до 40нДж, перестраиваемые в диапазоне длин волн от 700 до 920 нм. Эти импульсы используются для накачки ПГС (рис.1), который служит источником сверхкоротких импульсов, перестраива-
Мультпшодальная мпкроспектроскоппя нелинейного комбинационного рассеяния.
667
емых в диапазоне длин волн от 1000 до 1500 нм. Импульсы, формируемые титан-сапфировым лазером и ПГС, используются в качестве полей накачки и Стокса в схеме нелинейного комбинационного рассеяния света. В представленных ниже экспериментах центральная длина волны поля накачки составляла 824 нм, а центральная длина волны стоксова излучения перестраивалась в диапазоне от 1040 до 1200 нм.
С помощью телескопов и регулируемых линий оптической задержки, установленных в каждом из оптических плеч схемы (рис. 1), осуществляется высокоточное совмещение импульсов во времени и пространстве. Управление фазой импульсов проводится при помощи стретчеров, состоящих из пары дифракционных решеток (1200 штрихов на миллиметр). Предусмотренные в схеме откидывающиеся зеркала (FM на рис. 1) обеспечивают возможность направлять лазерные пучки по альтернативному пути, в обход стретчеров. Такая конфигурация пучков используется в экспериментах со спектрально ограниченными импульсами. Спектральные измерения производятся путем автоматического сканирования оптической линии задержки, установленной на прецизионной механической подаче, управляемой шаговым двигателем (MOD на рис. 1).
Фокусировка излучения в образец и коллимация сигнала нелинейно-оптического отклика производятся при помощи микроскопных объективов с увеличением х 10 и числовой апертурой NA = 0.25. Нелинейный сигнал пропускается через фильтр высоких частот, обеспечивающий подавление стоксовой волны, и отделяется от накачки с помощью дихроично-го зеркала, а также набора фильтров высоких частот и полосовых фильтров в спектральном окне 600700 нм. Отфильтрованный нелинейный сигнал регистрируется фотоэлектронным умножителем (ФЭУ). Импульсы поля накачки регистрируются кремниевым фотодетектором. Для подавления низкочастотных электрических шумов стоксово излучение модулируется по амплитуде электрооптическим модулятором (ЕОМ на рис. 1) с частотой 9.8 МГц или механическим прерывателем с частотой 1.4 кГц. Кремниевый фотодетектор и ФЭУ подключены к высокочастотному синхронному усилителю, осуществляющему демодуляцию сигнала.
На рис. 2а представлены результаты экспериментов на образцах полистирола, толуола и воды, выполненных в схеме ВКР-микроспектроскопии с использованием спектрально ограниченных импульсов длительностью около 160 фс со сканированием частоты стоксова поля. В области полосы комбинацион-
X (nm)
1050 1080 1110 1140 1170 1200
2600
3000
3400
Raman shift (cm ') 3100 3000 2900
1.2
1.0
Г—N
."tn 0.8
0.6
Й
0.4
►-Ч
0.2
0
3800
2800
3000 "я
2800 §
<к
2600
2400 §
2200 о4
-4000 0 4000
Time delay (fs)
Рис.2. (Цветной онлайн) (a) - Спектры ВКР-ослабления, записанные с помощью спектрально ограниченных фемтосекундных импульсов для полистирола (квадраты), толуола (кружки) и воды (треугольники). (Ь) - Зависимости сигналов ВКР-ослабления (синяя сплошная линия) и КАРС (зеленая пунктирная линия) для толуола от времени задержки между лазерными импульсами. Верхняя шкала соответствует комбинацио
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.