紧聚焦条件下相干反斯托克斯拉曼散射信号场的矢量分析

物理学报

Ac t a P h y s . S i n .V o 1 . 6 3, No . 2 3( 2 0 1 4 )2 3 3 3 0 1

紧聚焦条件下相干反斯托克斯拉曼散射信号场的矢量分析冰 李亚晖 ) 2 ) 3 ) 梁闰富 ) 2 ) 邱俊鹏 ) 2 ) 林子扬 ) 2 ) 屈军乐 ) 2 ) 刘立新 3 )十 尹君 ) 2 ) 牛憨笨 ) 2 ) 1 ) (深圳大学光电工程学院，深圳 5 1 8 0 6 0 )

2 ) (光电子器件与系统 (教育部/广东省)重点实验室，深圳 5 1 8 0 6 0 )

3 ) (西安电子科技大学物理与光电工程学院，西安 7 1 0 0 7 1 ) ( 2 0 1 4年6月2 O日收到； 2 0 1 4年7月2 6日收到修改稿 )

在相干反斯托克斯拉曼散射 ( c o h e r e n t a n t i— S t o k e s Ra ma n s c a t t e r i n g, CARS )显微镜中，共线传输的紧聚焦高斯光束激发具有不同形状和尺寸的待测样品所产生的 CARS信号场的空间分布决定了整体系统的结构特点 .建立了紧聚焦条件下球形样品产生 CARS信号场的理论模型 .利用矢量波动方程分析了紧聚焦条件

下线偏振的高斯光束的光场强度和相位分布.利用格林函数求解该模型中 C A R S信号场的矢量波动方程，模拟计算得到了不同直径球形样品的远场 C A R S信号场的空间分布 .理论分析和模拟计算结果表明，对于小体

积的球形样品，前向和背向传输的 C A R S信号场强度接近，因此采用大数值孔径物镜背向探测方式即可获得 高对比度图像 .对于大体积球形样品， C A R S信号场的强度大幅增强，且发射方向主要集中在前向的一定立体角内.因此，采用小数值孔径物镜即可有效收集前向传输的 C A R S信号.

关键词：相干反斯托克斯拉曼散射，矢量波动方程，格林函数，紧聚焦条件

P ACS: 3 3 . 2 0 . F b, 4 2 . 6 5 . D r, 7 8 . 4 7 . j h, 8 2 . 5 3 . K p

DO I: 1 0 . 7 4 9 8/ a p s . 6 3 . 2 3 3 3 0 1

现了C ARS显微技术 .这种技术避免了荧光显微技

1引言 作为对物质组成成分和结构进行非侵入成像

术中外源性标记对生物分子自身性

质的影响，以及

荧光标记的光致漂白和光毒性等问题，具有高的时 间和空间分辨率、高的探测灵敏度以及固有的三维层析成像能力，在生物学、医药学、生命科学、物理学、化学和材料科学等诸多领域中得到了广泛的应 用】 .

的有效手段，红外吸收[ ]和自发拉曼散射【 ,。]显微 技术得到了广泛的应用 .但空间分辨率低、探测灵

敏度差、所需激发光功率高和数据采集时间长等 问题限制了其在活体组织和活细胞研究中的应用 .

C ARS过程是一个四波混频的三阶非线性光学过程，其能级如图 1所示【 7, 8 1 .图 1中实线 g和e

1 9 8 2年，美国海军实验室的 Du n c a n等【 ]通过将两台染料激光器输出的连续激光聚焦在待测样品

表示无入射光场时分子中实际存在的基态和激发

中，激发产生相干反斯托克斯拉曼散射 f c o h e r e n t a n t i . S t o k e s R a ma n s c a t t e r i n g, C ARS )光谱信号实

态 .分子系统实际存在振动频率为的振动激

发态 l i )和振动基态 1 0 ),其本征能量分别为 i和

国家重点基础研究发展计划 (批准号： 2 0 1 2 C B 8 2 5 8 0 2 )、国家重大科学仪器设备开发专项 (批准号：2 0 1 2 YQ1 5 0 0 9 2 )、国家自然科学

基金重点项目(批准号： 6 1 2 3 5 0 1 2 )、国家自然科学基金青年科学基金 (批准号： 1 1 2 0 4 2 2 6 )和陕西省自然科学基础研究计划 (批准号： 2 0 1 4 J M8 3 2 4 )资助的课题. 十通讯作者 .E - ma i l:l x l i u@x i d i a n . e d u . a n 通讯作者 .E - ma i l: y i n j u n 6 6 6@1 6 3 . c o n r

@2 0 1 4中国物理学会C h i n e s e P h y s i c a l S o c i e t y

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