[論文レビュー] Noise in stimulated Raman scattering measurement: From basics to practice

Xavier Audier, Sandro Heuke+3 more|arXiv (Cornell University)|Oct 28, 2019

Spectroscopy Techniques in Biomedical and Chemical Research参考文献 37被引用数 77

ひとこと要約

この論文は、SRSシステムにおけるレーザー強度ノイズを実用的に特徴づけるチュートリアルを提供し、ノイズがSRS検出を制限する方法を導出し、ロックインベースのSRSのRINを測定・最適化する実験的方法を提示します。商用レーザーを用いた理論的ノイズモデルと実測を結びつけます。

ABSTRACT

We revisit laser intensity noise in the context of stimulated Raman scattering (SRS), which has recently proved to be a key technique to provide label free images of chemical bonds in biological and medical samples. Contrary to most microscopy techniques, which detect a weak photon flux resulting from light matter interactions, SRS is a pump-probe scheme that works in the high flux regime and happens as a weak modulation ($10^{-4}-10^{-6}$) in a strong laser field. As a result, laser noise is a key issue in SRS detection. This practical tutorial provides the experimentalists with the tools required to assess the amount of noise and the ultimate SRS detection limit in a conventional lock-in-based SRS system. We first define the quantities that are relevant when discussing intensity noise, and illustrate them through a conventional model of light detection by a photodiode. Stimulated Raman Scattering is then introduced in its lock-in-based implementation, and the model presented is adapted in this particular case. The power spectral density (PSD), relative intensity noise (RIN), signal to noise ratio (SNR), and sensitivity of the system are derived and discussed. Two complementary methods are presented that allow measurement of the RIN and assessment of the performance of a SRS system. Such measurements are illustrated on two commercial laser systems. Finally, the consequences of noise in SRS are discussed, and future developments are suggested. The presentation is made simple enough for under-graduated, graduated students, and newcomers in the field of stimulated Raman, and more generally in pump-probe based schemes.

研究の動機と目的

• 光強度検出の主要なノイズ量を定義し、それをSRS検出限界に結びつける。
• 従来のフォトダイオードノイズモデルをロックインベースSRS設定に適用する。
• PSD、RIN、SNR、およびSRSに関連する系の感度式を導出する。
• 商用レーザー上での2つの補完的なRIN測定方法を提案・説明する。
• SNRを最大化する実践的な指針を提供し、将来のノイズ低減の方向性を議論する。

提案手法

• パルスレーザーを用いた標準的な半古典的光検出モデルを提示する。
• ノイズ源の下で検出器電流のPSD、RIN、SNRの式を導出する。
• ノイズモデルを振幅変調と復調を用いたロックインベースSRSへ適用する。
• RINと系パラメータの積に対するSNRおよび最小検出可能SRS利得beta_minを導出する。
• 商用レーザー源でレーザーRINを測定する2つの実験手順を説明する。
• 2つの商用レーザー系で測定を用いた手法を実例として示す。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ロックインシステムにおけるレーザー強度ノイズ（電子ノイズ、ショットノイズ、および過剰ノイズ）はSRS検出をどのように制限するか？
• RQ2 RINを測定・最小化してSRSのSNRと感度を最適化するにはどうすればよいか？
• RQ3 変調周波数、ロックイン帯域幅、およびSRS検出限界の関係は？
• RQ4 異なるレーザー源は実務上のRINとSRS性能にどのように影響するか？

主な発見

• ロックインベースのSRSシステムにおけるSNRは、ロックイン帯域幅で積分したレーザーRINに反比例してスケールする。
• SRS感度 beta_min は、ロックイン帯域幅とRINの積の平方根に比例する。
• ロックイン検出は低周波のレーザー雑音を変調周波数へ移動させ、適切に f0 を選ぶことでSNRを高められる。
• 周波数と強度範囲にわたるRIN面を特徴付ける2つの実験的RIN測定法。
• 商用2台のレーザー装置で測定したレーザーRINは、高周波でショットノイズ限界と一致することを示し、実践でモデルを妥当とする。
• 変調周波数、帯域幅、平均検出器電流のバランスを取ることでSRS性能を最適化する明示的な枠組みが提供されている。