Advanced Photonics｜实现太赫兹区和拉曼指纹区同时快速检测的脉冲振动光谱仪

东京大学的研究人员实现了可以同时测量太赫兹区域和拉曼光谱的指纹区域两种类型振动信号的双检测脉冲振动光谱（DIVS）系统。DIVS能够宽带检测，其实时光谱刷新速率为每秒记录24000个光谱。该研究目前已发表于Advanced Photonics（www.doi.org/10.1117/1.AP.4.1.016003）上。

太赫兹区和指纹光谱区两个区域能够提供待测物质包括分子结构和相互作用等互补的信息。其他从这两个区域获取宽带拉曼光谱的技术的光谱刷新速率通常低于每秒10个光谱。

萨格纳克干涉测量法和光学滤波法结合，提供了双区域（太赫兹区-指纹区）检测的拉曼光谱仪。

实验上，DIVS使用超短激光脉冲来激发拉曼振动信号，并通过拉曼探针脉冲来收集这种振动信息。由泵浦脉冲引起的相干分子振动也会引起集体振荡的电子云，其又会影响材料的折射率。在一个给定的时间延迟后，后续的探测光检测折射率变化。探测光的相位受到其通过样品时折射率的影响。光谱的红移和蓝移效应是通过傅里叶变换相干反斯托克斯拉曼散射（FT-CARS）光谱检测的。第三种效应——相位延迟偏移是由萨格纳克增强型冲动刺激拉曼散射（SE-ISRS）检测的。

FT-CARS信号由于对折射率对时间的导数敏感，其在拉曼光谱中对拉曼指纹区域敏感。具体地，FT-CARS是由光学滤波器和探测光频率偏移实现的指纹区灵敏度。SE-ISRS信号由于对折射率本身敏感，其在拉曼光谱中对太赫兹区域敏感。具体地，SE-ISRS是通过萨格纳克干涉测量法检测探针的相位延迟变化，获得的太赫兹区灵敏度。

通过混合光学滤波和同轴萨格纳克干涉测量，DIVS系统同时用FT-CARS检测激光脉冲的频率偏移和用SE-ISRS检测脉冲的相位延迟偏移，从而提供包括太赫兹区和指纹区的双区域信息。DIVS的装置也很简单，系统中最重要的是一个超短脉冲激光器。

研究人员测量了四种液体溶剂，其拉曼模式覆盖了66 cm-1（2.1 THz）到1211 cm-1的范围，证明了DIVS能够同时快速进行太赫兹和指纹区域的宽带测量。研究人员将信噪比作为检测到的拉曼模式的函数来定量比较这两种信号，从而比较这两个区域的信号强度。

与FT-CARS信号相比，SE-ISRS信号在200 cm-1（6.5 THz）以下实现了超过500倍的信噪比增强。与SE-ISRS信号相比，FT-CARS信号在1000 cm-1以上实现了指纹超过10倍的信噪比增强。单个拉曼功率谱中最强的特征振动峰，在小于42 微西门子μS时的信噪比>1000。

本研究的DIVS系统实现了在宽带太赫兹-指纹振动光谱两个区域下的超快的光谱采集速率，尤其适用于检测快速、瞬时变化的待测对象。目前，DIVS可用于纯样品或高浓度样品的时间分辨测量，这些样品在太赫兹和指纹区都有重要的振动信息。在未来，DIVS可以成为研究聚合物的一种有用的技术。这是因为，聚合物除了在指纹区的具有标志性的分子键振动外，还在太赫兹区显示出丰富的结构信息。超快DIVS可能很适合在分子水平上理解分子快速聚合过程。