TW202415940A - 同調拉曼顯微系統及其方法 - Google Patents
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Abstract
一種同調拉曼顯微系統，用以產生一樣品的一顯微影像，且包含一光源、一超連續光譜產生器、一濾光組件以及一顯微組件。光源用以發射脈衝雷射光束，超連續光譜產生器用以展頻脈衝雷射光束的頻寬，且濾光組件用以依據一預設頻寬過濾脈衝雷射光束的頻寬且將脈衝雷射光束形成一同調顯微光束。樣品設置於顯微組件內，且顯微組件接收同調顯微光束，使得同調顯微光束穿過樣品，並產生樣品的顯微影像。藉此，可方便中心波長與頻寬的調整並提升測量樣品的穩定度。
Description
本揭示內容是有關一種顯微系統及其方法，且尤其是有關一種透過拉曼散射測量樣品的同調拉曼顯微系統及其方法。
隨著科技技術的進步，人們對於半導體檢測、材料分析和生醫造影技術要求的精度逐步提升，其中以拉曼散射(Raman scattering)為原理發展的同調拉曼顯微(Coherent Raman Spectroscopy)技術是目前被廣泛使用的技術。同調拉曼顯微系統中，需要兩道中心波長相異的短脈衝雷射光同時在時間與空間上高度重合，且兩道雷射光的頻率差距要滿足測量樣品分子的特定拉曼位移(Raman shift)大小。一般習知同調拉曼顯微系統中，業者遂發展以一可調變波長的短脈衝雷射光源搭配一固定波長的脈衝雷射光源，並且短脈衝雷射光源是由脈衝雷射光源驅動的光參數震盪器(Optical Parametric Oscillator；OPO)或光參數放大器(Optical Parametric Amplifier；OPA)來轉換波長相異的同步脈衝光。然而，透過光參數震盪器或光參數放大器轉換波長的短脈衝雷射光源發射的雷射光會受制於簡併光參數放大時的相位相依問題，導致兩道雷射光的頻率差距很難小於1000 cm
-1，導致無法精準依照樣品需求進行測量。再者，因為光參數震盪器或光參數放大器是以溫度調控波長，導致波長轉換速度緩慢，無法即時按照樣品的需求調整頻寬。並且，因一般習知同調拉曼顯微系統結構複雜，使得雷射光光程長而影響測量的穩定度。而只能調變單一雷射光波長的配置，也可能因樣品對特定波長有強烈吸收而無法進行測量。進一步來說，習知同調拉曼顯微系統也因缺乏電子順磁共振(Electron Paramagnetic Resonance；EPR)而導致低靈敏度(sensitivity)，且因一次僅能觀測有限的拉曼位移範圍及一個拉曼位移而導致低化學鑑別力(specificity)。
有鑑於此，一種能即時依照樣品調整頻寬，並且可提升測量穩定度的同調拉曼顯微系統仍是目前相關業者共同努力的目標。
本揭示內容之目的在於提供一種同調拉曼顯微系統及其方法，透過超連續光譜產生器展頻光束的頻寬後，再依據樣品的需求以濾光元件過濾光束的頻寬及中心波長，藉以方便頻寬的調整並提升測量樣品的穩定度。
依據本揭示內容之一實施方式提供一種同調拉曼顯微系統，用以產生一樣品的一顯微影像，且包含一光源、一超連續光譜產生器、一濾光組件以及一顯微組件。光源用以發射至少一脈衝雷射光束，超連續光譜產生器用以展頻脈衝雷射光束的頻寬，且濾光組件用以依據一預設頻寬過濾脈衝雷射光束的頻寬且將脈衝雷射光束形成一同調顯微光束。樣品設置於顯微組件內，且顯微組件接收同調顯微光束，使得同調顯微光束穿過樣品，並產生樣品的顯微影像。
依據前段所述實施方式的同調拉曼顯微系統，其中濾光組件可包含一分光元件、至少一濾光元件及一合光元件。分光元件用以將脈衝雷射光束分成一斯托克光束及一泵浦光束。濾光元件過濾斯托克光束及泵浦光束至少一者的頻寬。合光元件設置於濾光元件與顯微組件之間，其用以將斯托克光束及泵浦光束合成同調顯微光束，其中同調顯微光束穿過樣品，且顯微組件依據同調顯微光束的頻率差產生樣品的顯微影像。
依據前段所述實施方式的同調拉曼顯微系統，其中濾光元件的數量為二，一濾光元件用以依據一第一預設頻寬過濾斯托克光束的頻寬，另一濾光元件用以依據一第二預設頻寬過濾泵浦光束的頻寬。
依據前段所述實施方式的同調拉曼顯微系統，其中濾光組件可更包含一聲光調製器，其用以依據一預設頻率調控斯托克光束或泵浦光束的強度，並依據預設頻率擷取泵浦光束或斯托克光束。
依據前段所述實施方式的同調拉曼顯微系統，其中超連續光譜產生器可包含複數展頻薄片。各展頻薄片沿脈衝雷射光束的一光路排序，且各展頻薄片依序展頻脈衝雷射光束的頻寬。
依據前段所述實施方式的同調拉曼顯微系統，其中超連續光譜產生器可更包含至少二聚焦元件。展頻薄片設置於聚焦元件之間，聚焦元件用以聚焦脈衝雷射光束。
依據前段所述實施方式的同調拉曼顯微系統，其中展頻薄片的數量可為至少二片。
依據前段所述實施方式的同調拉曼顯微系統，其中超連續光譜產生器可包含二反射聚焦元件以及一非線性介質。反射聚焦元件用以反射脈衝雷射光束，非線性介質設置於二反射聚焦元件之間，其中二反射聚焦元件反射脈衝雷射光束的光路以形成一曲折光路，曲折光路穿過非線性介質，以展頻脈衝雷射光束的頻寬。
依據前段所述實施方式的同調拉曼顯微系統，其中超連續光譜產生器可為一光子晶體光纖，其橫截面由複數光纖微結構組成，且脈衝雷射光束在光纖微結構傳輸，以展頻脈衝雷射光束的頻寬。
依據前段所述實施方式的同調拉曼顯微系統，其中光源發射的脈衝雷射光束的脈衝寬度可低於一皮秒。
依據前段所述實施方式的同調拉曼顯微系統，其中各濾光元件可為一可調諧濾光器、一固定頻率濾光片或一分色鏡。
依據本揭示內容之一實施方式提供一種同調拉曼顯微方法，用以產生一樣品的一顯微影像，其包含一光源提供步驟、一超連續光譜產生步驟、一濾光步驟以及一顯微步驟。光源提供步驟係提供至少一脈衝雷射光束。超連續光譜產生步驟係展頻脈衝雷射光束的頻寬。濾光步驟係依據一預設頻寬過濾脈衝雷射光束的頻寬且將脈衝雷射光束形成一同調顯微光束。顯微步驟係將同調顯微光束穿過樣品，並產生樣品的顯微影像。
依據前段所述實施方式的同調拉曼顯微方法，可更包含一分光步驟。分光步驟係將脈衝雷射光束分成一斯托克光束及一泵浦光束。
依據前段所述實施方式的同調拉曼顯微方法，其中濾光步驟中，可依據一第一預設頻寬過濾斯托克光束的頻寬，且依據一第二預設頻寬過濾泵浦光束的頻寬。
依據前段所述實施方式的同調拉曼顯微方法，其中濾光步驟可包含一聲光調控步驟。聲光調控步驟係以一聲光調製器依據一預設頻率調控斯托克光束或泵浦光束的強度並依據預設頻率擷取泵浦光束或斯托克光束。
依據前段所述實施方式的同調拉曼顯微方法，可更包含一同調重合步驟。同調重合步驟係將分別經第一預設頻寬及第二預設頻寬過濾之斯托克光束及泵浦光束合成一同調顯微光束。
依據前段所述實施方式的同調拉曼顯微方法，其中超連續光譜產生步驟中，可透過複數展頻薄片展頻脈衝雷射光束的頻寬。
依據前段所述實施方式的同調拉曼顯微方法，其中展頻薄片的數量可為至少二片。
依據前段所述實施方式的同調拉曼顯微方法，其中超連續光譜產生步驟中，脈衝雷射光束可透過二反射聚焦元件形成一曲折光路，曲折光路穿過一非線性介質，以展頻脈衝雷射光束的頻寬。
依據前段所述實施方式的同調拉曼顯微方法，其中超連續光譜產生步驟中，脈衝雷射光束可在一光子晶體光纖的複數光纖微結構傳輸，以展頻脈衝雷射光束的頻寬。
依據前段所述實施方式的同調拉曼顯微方法，其中光源發射的脈衝雷射光束的脈衝寬度可低於一皮秒。
請參照第1圖，其繪示依照本揭示內容第一實施例的同調拉曼顯微系統100的示意圖。如第1圖所示，第一實施例中，同調拉曼顯微系統100用以產生一樣品S的一顯微影像，且包含一光源110、一超連續光譜產生器120、濾光組件(圖未標示)以及一顯微組件140。光源110用以發射至少一脈衝雷射光束L。超連續光譜產生器120用以展頻脈衝雷射光束L的頻寬。濾光組件用以依據一預設頻寬過濾脈衝雷射光束L的頻寬且將脈衝雷射光束L形成一同調顯微光束L3。具體來說，濾光組件過濾脈衝雷射光束L後可先分成一斯托克(Stokes)光束L1及一泵浦光束L2進行過濾，再重合形成同調顯微光束L3，但本揭示內容不以此為限。樣品S設置於顯微組件140內，且顯微組件140接收同調顯微光束L3，使得同調顯微光束L3穿過樣品S，並產生樣品S的顯微影像。透過濾光元件130的配置，可依據樣品S的分子指紋(molecular fingerprint)的位置過濾經超連續光譜產生器120展頻後的脈衝雷射光束L的中心波長與頻寬，藉以降低調整中心波長與頻寬的困難度，進而提升測量樣品S的穩定度，且可提升同調拉曼顯微系統100測量樣品S的靈敏度以及化學鑑別力。以下將詳述同調拉曼顯微系統100的細節。
如第1圖所示，光源110發射的脈衝雷射光束L的脈衝寬度可低於一皮秒，且光源110可為一摻鈦藍寶石飛秒雷射光源、一摻鐿飛秒雷射光源或一摻鈥飛秒雷射光源。第一實施例中，光源110為摻鐿飛秒雷射光源，且脈衝雷射光束L的數量為一，但本揭示內容不以此為限。再者，超連續光譜產生器120可包含複數展頻薄片121。各展頻薄片121沿脈衝雷射光束L的一光路排序，且各展頻薄片121依序展頻脈衝雷射光束L的頻寬。藉由展頻薄片121的薄片特性，可避免脈衝雷射光束L在一般塊材進行展頻時，因為自聚焦效應而損壞材料本身。展頻薄片121的厚度可小於1 mm。當脈衝雷射光束L在單一展頻薄片121自聚焦而快達到材料損壞閾值時，脈衝雷射光束L便離開前述一展頻薄片121而發散並接續進入下一展頻薄片121進行展頻。藉此，可將脈衝雷射光束L的頻寬展寬至可供後續測量的樣品S所需的頻率寬度。詳細來說，展頻後的脈衝雷射光束L的能量密度至少高於1 nJ/nm，相比於一般習知的固態塊材展頻後的能量密度僅數個至數十個pJ/nm，已提升數百倍以上，且足以供同調拉曼顯微系統100進行樣品S的非線性影像的擷取。進一步來說，展頻薄片121的數量可為至少二片。第一實施例中，展頻薄片121的數量為四片。藉此，可根據脈衝雷射光束L不同的初始條件調整展頻薄片121的數量與厚度來滿足後端量測所需要的頻寬。
進一步來說，濾光組件可包含一分光元件150、至少一濾光元件130以及一合光元件160。分光元件150用以將脈衝雷射光束L分成斯托克光束L1及泵浦光束L2，且濾光元件130過濾斯托克光束L1及泵浦光束L2至少一者的頻寬。具體而言，分光元件150可依據一預設波長將脈衝雷射光束L分成預設波長以上的斯托克光束L1及預設波長以下的泵浦光束L2。第一實施例中，分光元件150為一二向分色鏡(dichroic mirror)，且以850 nm為中心分出將波長850 nm以上的脈衝雷射光束L反射形成斯托克光束L1以及將波長850 nm以下的脈衝雷射光束L穿透形成泵浦光束L2。合光元件160設置於分光元件150與顯微組件140之間，其用以將斯托克光束L1及泵浦光束L2合成同調顯微光束L3，其中同調顯微光束L3穿過樣品S，且顯微組件140依據同調顯微光束L3產生樣品S的顯微影像。具體而言，濾光元件130的數量為二，且各濾光元件130可為一可調式濾光片、一固定頻率濾光片、一分光鏡或一4f整形器，本揭示內容不以此為限。二濾光元件130分別用以過濾斯托克光束L1及泵浦光束L2的頻寬。透過濾光元件130過濾頻寬，斯托克光束L1及泵浦光束L2的最小頻率差可低於1000 cm
-1，藉以提升調整頻寬的便利性。藉此，可依照樣品S中分子的拉曼位移大小調整斯托克光束L1及泵浦光束L2的波長，可提升測量的穩定度。其他實施例中，分光元件可為一分光鏡(beam splitter)，並將脈衝雷射光束的強度分成兩道強度減半但頻寬相同的斯托克光束及泵浦光束，再以過濾光元件依據第一及第二預設頻寬分別過濾斯托克光束及泵浦光束，本揭示內容不以此為限。
再者，同調拉曼顯微系統100可更包含一聲光調製器170。聲光調製器170依據一預設頻率調控斯托克光束L1的強度，並依據預設頻率擷取斯托克光束L1。藉此，可進一步調整並擷取泵浦光束L2，以降低環境雜訊的干擾，進而提升測量樣品S的精準度。其他實施例中，同調拉曼顯微系統可更包含一電光調製器或一斬波器，其依據預設頻率調控斯托克光束的強度，並依據預設頻率擷取泵浦光束，本揭示內容不以此為限。
第一實施例中，同調拉曼顯微系統100可更包含複數同步反射鏡131及一反射鏡132。同步反射鏡131設置於聲光調製器170與合光元件160之間，並用以轉折斯托克光束L1的光路。反射鏡132設置於過濾泵浦光束L2的濾光元件130與合光元件160之間，並用以轉折泵浦光束L2的光路。透過同步反射鏡131及反射鏡132的配置，可增加斯托克光束L1的光程，藉以遲延(time delay)斯托克光束L1，使得斯托克光束L1與泵浦光束L2在合光元件160交會時，能在時間及空間上重合以形成同調顯微光束L3。
顯微組件140可更包含一顯微鏡組141及一光二極體(photodiode)142。樣品S設置於顯微鏡組141內，並接收同調顯微光束L3，使得同調顯微光束L3穿過樣品S，並透過光二極體142將同調顯微光束L3包含的光學訊號轉變成電子訊號，用以將產生的樣品S的顯微影像顯示在一電子裝置上。詳細來說，顯微鏡組141包含一震鏡組件(圖未標示)，其用以調整同調顯微光束L3的光路以不同入射角度穿過樣品S並以擷取完整的樣品S的影像，但震鏡組件並非本揭示內容之技術重點，在此不贅述其細節。
請參照第2圖，其繪示依照第1圖第一實施例中經超連續光譜產生器120展頻的脈衝雷射光束L的光強度及波長的關係示意圖。如第2圖所示，脈衝雷射光束L展頻前的頻寬為1025 nm-1035 nm，而經超連續光譜產生器120展頻的脈衝雷射光束L的頻寬為550 nm-1300 nm。再者，濾光元件130分別以波長703 nm為中心、波長880 nm為中心過濾斯托克光束L1及泵浦光束L2。
值得說明的是，其他實施例中，光源發射的脈衝雷射光束的數量可為複數，並分別經過超連續光譜產生器展頻，且以濾光元件過濾光束的頻寬，以作為同調拉曼顯微技術中測量樣品的斯托克光束及泵浦光束，本揭示內容不以前述光束的數量為限。
請參照第3圖，其繪示依照本揭示內容第二實施例的同調拉曼顯微系統200的示意圖。如第3圖所示，同調拉曼顯微系統200用以產生一樣品S的顯微影像，且包含一光源210、一超連續光譜產生器220、一分光元件250、一濾光組件以及一顯微組件(圖未標示)。濾光組件包含二濾光元件230、一聲光調製器270、一同步反射鏡231、一合光元件260及複數光路轉折元件261。第二實施例的光源210、分光元件250、濾光元件230、聲光調製器270及合光元件260的結構及配置與第一實施例的光源110、分光元件150、濾光元件130、聲光調製器170及合光元件160的結構及配置相同，在此不贅述。
如第3圖所示，第二實施例中，超連續光譜產生器220可包含複數展頻薄片221、複數反射稜鏡222、複數聚焦元件223以及複數平面鏡224。各展頻薄片221沿脈衝雷射光束L的一光路排序，且各展頻薄片221依序展頻脈衝雷射光束L的頻寬。展頻薄片221設置於聚焦元件223之間，聚焦元件223用以聚焦脈衝雷射光束L。具體而言，透過反射稜鏡222、聚焦元件223及平面鏡224的配置，可轉折脈衝雷射光束L的光路，使得脈衝雷射光束L的光路可反覆通過展頻薄片221，藉以增加脈衝雷射光束L展頻的次數。詳細來說，展頻薄片221的數量為十片，並且六展頻薄片221設置於二聚焦元件223之間，且另四展頻薄片221設置於另二聚焦元件223之間。如第3圖所示，脈衝雷射光束L的光路在沿一前進方向穿過前述六展頻薄片221後，經由反射稜鏡222及平面鏡224轉折後，沿相反於前進方向再次穿過前述六展頻薄片221，藉以增加脈衝雷射光束L展頻的次數，且減少超連續光譜產生器220的空間大小，但本揭示內容不以上述數量及配置為限。藉此，可增加超連續光譜產生器220展頻的頻寬大小。第二實施例中，脈衝雷射光束L展頻前的頻寬為1025 nm-1035 nm，而經超連續光譜產生器220展頻的脈衝雷射光束L的頻寬為550 nm-1300 nm。
再者，同步反射鏡231的數量為一，其用以增加斯托克光束L1的光程，使得斯托克光束L1及泵浦光束L2在合光元件260交會時，能在時間及空間上重合以形成同調顯微光束L3。光路轉折元件261可用以轉折斯托克光束L1及泵浦光束L2合成形成之同調顯微光束L3的光路。第二實施例中，光路轉折元件261的數量為三，但本揭示內容不以此為限。
請參照第4A圖及第4B圖，其中第4A圖為第3圖第二實施例中受激拉曼散射測量模組242產生依照樣品S產生的受激拉曼散射影像示意圖，第4B圖為第3圖第二實施例中相干反斯托克拉曼光譜測量模組243產生的相干反斯托克拉曼光譜影像示意圖。第二實施例中，顯微組件可包含一顯微鏡組241、一受激拉曼散射(Stimulated Raman Scattering；SRS)測量模組242、一相干反斯托克拉曼光譜(Coherent Anti-Stokes Raman Spectroscopy；CARS)測量模組243以及一相干反斯托克分光鏡244。樣品S的顯微影像可包含一受激拉曼散射影像及一相干反斯托克拉曼光譜影像。具體而言，樣品S可為一黑腹果蠅的大腦。樣品S設置於顯微鏡組241中，並且顯微鏡組241接收同調顯微光束L3，使得同調顯微光束L3穿過樣品S。如第4A圖所示，受激拉曼散射測量模組242接收穿過樣品S的同調顯微光束L3，並產生樣品S的受激拉曼散射影像。再者，當同調顯微光束L3穿過樣品S時，樣品S沿相反於同調顯微光束L3穿過的方向反射一相干顯微光束，其中相干顯微光束包含一新產生頻率的反斯托克光束、原入射的斯托克光束L1及泵浦光束L2的部分反射光，再經由一濾光片2422濾出反斯托克光束進行影像掃描。如第4B圖所示，同調顯微光束L3的斯托克光束L1經由樣品S反射後形成反斯托克光束，並由相干反斯托克分光鏡244反射轉折其光路，並透過一濾光片2431將其他光束過濾，使得反斯托克光束通過，以產生樣品S的相干反斯托克拉曼光譜影像。必須說明的是，受激拉曼散射測量模組242包含一反射鏡2421、濾光片2422、一聚焦透鏡2423、一光二極體2424及一鎖相放大器(Lock-in Amplifier)2425，相干反斯托克拉曼光譜測量模組243包含濾光片2431及一光電倍增管(Photomultiplier Tube；PMT)偵測器2432，但其結構細節並非本揭示內容的發明重點，在此不贅述其細節。藉此，可提供去除非共振背景雜訊的受激拉曼散射影像及相干反斯托克拉曼光譜影像，以提升顯微影像的清晰度。
請參照第5圖，其繪示依照本揭示內容第三實施例的同調拉曼顯微系統的超連續光譜產生器320的示意圖。第三實施例中，同調拉曼顯微系統的光源、濾光組件以及顯微組件的結構與配置可與第一實施例的光源110、濾光組件以及顯微組件140、第二實施例的光源210、濾光組件以及顯微組件的結構與配置相同，在此不贅述。特別的是，第三實施例的超連續光譜產生器320可為一光子晶體光纖，其橫截面由複數光纖微結構321組成，且脈衝雷射光束L在光纖微結構321傳輸，以展頻脈衝雷射光束L的頻寬。透過光纖內的光子晶體形成的光纖微結構321，可非線性展頻脈衝雷射光束L的頻寬，藉此提供大頻寬的脈衝雷射光束L，以利於同調拉曼顯微系統後續的量測。
請參照第6圖，其繪示依照本揭示內容第四實施例的同調拉曼顯微系統的超連續光譜產生器420的示意圖。第四實施例中，同調拉曼顯微系統的光源、濾光組件以及顯微組件的結構與配置可與第一實施例的光源110、濾光組件以及顯微組件140、第二實施例的光源210、濾光組件以及顯微組件的結構與配置相同，在此不贅述。特別的是，第四實施例的超連續光譜產生器420可包含二反射聚焦元件421、一非線性介質422、二凹面鏡423、426以及二平面鏡424、425。反射聚焦元件421用以反射脈衝雷射光束L。具體而言，非線性介質422可為氣態介質，也可以是一固態介質元件，本揭示內容不以此為限。非線性介質422設置於二反射聚焦元件421之間，其中反射聚焦元件421反射脈衝雷射光束L的光路以形成一曲折光路，曲折光路穿過非線性介質422，以展頻脈衝雷射光束L的頻寬。詳細來說，脈衝雷射光束L首先經由凹面鏡423及平面鏡424反射後，穿過非線性介質422並展頻，再經由一反射聚焦元件421反射並穿過非線性介質422，之後經由另一反射聚焦元件421反射並穿過非線性介質422。脈衝雷射光束L在二反射聚焦元件421之間反射並穿過非線性介質422多次後，經由平面鏡425及凹面鏡426反射並穿過至同調拉曼顯微系統的其他元件，以利於後續量測。藉此，可以一多重路徑腔體(multi-pass cell)展頻光束，以提供大頻寬的脈衝雷射光束L。
請參照第7圖，其繪示依照本揭示內容第五實施例的同調拉曼顯微方法S100的方塊圖。同調拉曼顯微方法S100將搭配第一實施例的同調拉曼顯微系統100，但本揭示內容不以此為限。同調拉曼顯微方法S100用以產生一樣品S的一顯微影像，且包含一光源提供步驟S110、一超連續光譜產生步驟S120、一濾光步驟S140以及一顯微步驟S160。光源提供步驟S110中，係提供至少一脈衝雷射光束L。超連續光譜產生步驟S120中，係展頻脈衝雷射光束L的頻寬。濾光步驟S140中，係依據一預設頻寬過濾脈衝雷射光束L的頻寬且將脈衝雷射光束L形成一同調顯微光束L3。顯微步驟S160中，係將同調顯微光束L3穿過樣品S，並產生樣品S的顯微影像。透過將展頻後的脈衝雷射光束L進行過濾，可依照樣品S的分子指紋特徵調整脈衝雷射光束L的頻率差，藉以提升調整頻寬的便利性以及測量樣品S的穩定度。
如第7圖所示，同調拉曼顯微方法S100可更包含一分光步驟S130以及一同調重合步驟S150。分光步驟S130中，係依據一預設波長將脈衝雷射光束L分成一斯托克光束L1及一泵浦光束L2。進一步來說，在分光步驟S130將脈衝雷射光束L分光之後，濾光步驟S140中，可依據一第一預設頻寬過濾斯托克光束L1的頻寬，且依據一第二預設頻寬過濾泵浦光束L2的頻寬，並接著執行同調重合步驟S150。同調重合步驟S150中，係將分別經第一預設頻寬及第二預設頻寬過濾之斯托克光束L1及泵浦光束L2合成同調顯微光束L3。藉此，可使用單一光束的光源操作系統，並且分別對斯托克光束L1及泵浦光束L2的頻寬及波長調整，使得斯托克光束L1及泵浦光束L2的頻率差可小於1000 cm
-1，進而提升測量的精準度及穩定度。
再者，濾光步驟S140可包含一聲光調控步驟S141。聲光調控步驟S141中，係以一聲光調製器170依據預設頻率調控斯托克光束L1或泵浦光束L2的強度，並依據預設頻率擷取泵浦光束L2或斯托克光束L1。藉此，可進一步依據樣品S的分子指紋特徵，調整斯托克光束L1或泵浦光束L2，以降低環境雜訊的干擾，進而提升測量的方便性。
具體而言，超連續光譜產生步驟S120中，可透過複數展頻薄片121展頻脈衝雷射光束L的頻寬，且展頻薄片121的數量可為至少二片。又，其他實施例中，超連續光譜產生步驟中，脈衝雷射光束可透過二反射元件形成一曲折光路，曲折光路穿過一非線性介質，以展頻脈衝雷射光束的頻寬；或者，光束可穿過一光子晶體光纖的複數穿孔，以展頻脈衝雷射光束的頻寬，本揭示內容的超連續光譜產生步驟不以上述揭示為限。
雖然本揭示內容已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本揭示內容，任何熟習此技藝者，在不脫離本揭示內容之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾，因此本揭示內容之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
100,200:同調拉曼顯微系統
110,210:光源
120,220,320,420:超連續光譜產生器
121,221:展頻薄片
130,230:濾光元件
131,231:同步反射鏡
132,2421:反射鏡
140:顯微組件
141,241:顯微鏡組
142,2424:光二極體
150,250:分光元件
160,260:合光元件
170,270:聲光調製器
222:反射稜鏡
223:聚焦元件
224,424,425:平面鏡
242:受激拉曼散射測量模組
2422,2431:濾光片
2423:聚焦透鏡
2425:鎖相放大器
243:相干反斯托克拉曼光譜測量模組
2432:光電倍增管偵測器
244:相干反斯托克分光鏡
261:光路轉折元件
321:光纖微結構
421:反射聚焦元件
422:非線性介質
423,426:凹面鏡
L:脈衝雷射光束
L1:斯托克光束
L2:泵浦光束
L3:同調顯微光束
S:樣品
S100:同調拉曼顯微方法
S110:光源提供步驟
S120:超連續光譜產生步驟
S130:分光步驟
S140:濾光步驟
S141:聲光調控步驟
S150:同調重合步驟
S160:顯微步驟
第1圖繪示依照本揭示內容第一實施例的同調拉曼顯微系統的示意圖；
第2圖繪示依照第1圖第一實施例中經超連續光譜產生器展頻的脈衝雷射光束的光強度及波長的關係示意圖；
第3圖繪示依照本揭示內容第二實施例的同調拉曼顯微系統的示意圖；
第4A圖為第3圖第二實施例中受激拉曼散射測量模組產生依照樣品產生的受激拉曼散射影像示意圖；
第4B圖為第3圖第二實施例中相干反斯托克拉曼光譜測量模組產生的相干反斯托克拉曼光譜影像示意圖；
第5圖繪示依照本揭示內容第三實施例的同調拉曼顯微系統的超連續光譜產生器的示意圖；
第6圖繪示依照本揭示內容第四實施例的同調拉曼顯微系統的超連續光譜產生器的示意圖；以及
第7圖繪示依照本揭示內容第五實施例的同調拉曼顯微方法的方塊圖。
100:同調拉曼顯微系統
110:光源
120:超連續光譜產生器
121:展頻薄片
130:濾光元件
131:同步反射鏡
132:反射鏡
140:顯微組件
141:顯微鏡組
142:光二極體
150:分光元件
160:合光元件
170:聲光調製器
L:脈衝雷射光束
L1:斯托克光束
L2:泵浦光束
L3:同調顯微光束
S:樣品
Claims (21)
- 一種同調拉曼顯微系統，用以產生一樣品的一顯微影像，其包含： 一光源，用以發射至少一脈衝雷射光束； 一超連續光譜產生器，用以展頻該至少一脈衝雷射光束的頻寬； 一濾光組件，用以依據一預設頻寬過濾該至少一脈衝雷射光束的頻寬且將該至少一脈衝雷射光束形成一同調顯微光束；以及 一顯微組件，該樣品設置於該顯微組件內，且該顯微組件接收該同調顯微光束，使得該同調顯微光束穿過該樣品，並產生該樣品的該顯微影像。
- 如請求項1所述之同調拉曼顯微系統，其中該濾光組件包含： 一分光元件，用以將該至少一脈衝雷射光束分成一斯托克光束及一泵浦光束； 至少一濾光元件，過濾該斯托克光束及該泵浦光束至少一者的頻寬；以及 一合光元件，設置於該至少一濾光元件與該顯微組件之間，其用以將該斯托克光束及該泵浦光束合成該同調顯微光束，其中該同調顯微光束穿過該樣品，且該顯微組件依據該同調顯微光束的頻率差產生該樣品的該顯微影像。
- 如請求項2所述之同調拉曼顯微系統，其中該至少一濾光元件的數量為二，一該濾光元件用以依據一第一預設頻寬過濾該斯托克光束的頻寬，另一該濾光元件用以依據一第二預設頻寬過濾該泵浦光束的頻寬。
- 如請求項3所述之同調拉曼顯微系統，其中該濾光組件更包含： 一聲光調製器，其用以依據一預設頻率調控該斯托克光束或該泵浦光束的強度，並依據該預設頻率擷取該泵浦光束或該斯托克光束。
- 如請求項1所述之同調拉曼顯微系統，其中該超連續光譜產生器包含： 複數展頻薄片，各該展頻薄片沿該至少一脈衝雷射光束的一光路排序，且各該展頻薄片依序展頻該至少一脈衝雷射光束的頻寬。
- 如請求項5所述之同調拉曼顯微系統，其中該超連續光譜產生器更包含： 至少二聚焦元件，該些展頻薄片設置於該至少二聚焦元件之間，該至少二聚焦元件用以聚焦該至少一脈衝雷射光束。
- 如請求項5所述之同調拉曼顯微系統，其中該些展頻薄片的數量為至少二片。
- 如請求項1所述之同調拉曼顯微系統，其中該超連續光譜產生器包含： 二反射聚焦元件，用以反射該至少一脈衝雷射光束；以及 一非線性介質，設置於二該反射聚焦元件之間，其中二該反射聚焦元件反射該至少一脈衝雷射光束的光路以形成一曲折光路，該曲折光路穿過該非線性介質，以展頻該至少一脈衝雷射光束的頻寬。
- 如請求項1所述之同調拉曼顯微系統，其中該超連續光譜產生器為一光子晶體光纖，其橫截面由複數光纖微結構組成，且該至少一脈衝雷射光束在該些光纖微結構傳輸，以展頻該至少一脈衝雷射光束的頻寬。
- 如請求項1所述之同調拉曼顯微系統，其中該光源發射的該至少一脈衝雷射光束的脈衝寬度低於一皮秒。
- 如請求項3所述之同調拉曼顯微系統，其中各該濾光元件為一可調諧濾光器、一固定頻率濾光片或一分色鏡。
- 一種同調拉曼顯微方法，用以產生一樣品的一顯微影像，其包含： 一光源提供步驟，係提供至少一脈衝雷射光束； 一超連續光譜產生步驟，係展頻該至少一脈衝雷射光束的頻寬； 一濾光步驟，係依據一預設頻寬過濾該至少一脈衝雷射光束的頻寬並將該至少一脈衝雷射光束形成一同調顯微光束；以及 一顯微步驟，係將該同調顯微光束穿過該樣品，並產生該樣品的該顯微影像。
- 如請求項12所述之同調拉曼顯微方法，更包含： 一分光步驟，係將該至少一脈衝雷射光束分成一斯托克光束及一泵浦光束。
- 如請求項13所述之同調拉曼顯微方法，其中該濾光步驟中，依據一第一預設頻寬過濾該斯托克光束的頻寬，且依據一第二預設頻寬過濾該泵浦光束的頻寬。
- 如請求項14所述之同調拉曼顯微方法，其中該濾光步驟包含： 一聲光調控步驟，係以一聲光調製器依據一預設頻率調控該斯托克光束或該泵浦光束的強度，並依據該預設頻率擷取該泵浦光束或該斯托克光束。
- 如請求項14所述之同調拉曼顯微方法，更包含： 一同調重合步驟，係將分別經該第一預設頻寬及該第二預設頻寬過濾之該斯托克光束及該泵浦光束合成該同調顯微光束。
- 如請求項12所述之同調拉曼顯微方法，其中該超連續光譜產生步驟中，透過複數展頻薄片展頻該至少一脈衝雷射光束的頻寬。
- 如請求項17所述之同調拉曼顯微方法，其中該些展頻薄片的數量為至少二片。
- 如請求項12所述之同調拉曼顯微方法，其中該超連續光譜產生步驟中，該至少一脈衝雷射光束透過二反射聚焦元件形成一曲折光路，該曲折光路穿過一非線性介質，以展頻該至少一脈衝雷射光束的頻寬。
- 如請求項12所述之同調拉曼顯微方法，其中該超連續光譜產生步驟中，該至少一脈衝雷射光束在一光子晶體光纖的複數光纖微結構傳輸，以展頻該至少一脈衝雷射光束的頻寬。
- 如請求項12所述之同調拉曼顯微方法，其中該光源發射的該至少一脈衝雷射光束的脈衝寬度低於一皮秒。
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