拉曼光谱是一种无损的分析技术，它是基于光和材料的相互作用而产生的。拉曼光谱可以提供样品化学结构、相和形态、结晶度及分子相互作用的详细信息。

拉曼是一种光散射技术。激光光源的高强度入射光被分子散射时，大多数散射光与入射激光具有相同的波长（颜色），这种散射称为瑞利散射。然而，还有极小一部分（大约1/109）散射光的波长（颜色）与入射光不同，其波长的改变由测试样品（所谓散射物质）的化学结构所决定，这部分散射光称为拉曼散射。

拉曼光谱（包括峰位和相对强度）提供了物质独一无二的化学指纹，可以用于识别该物质并区别于其他物质。实际测试的拉曼光谱往往很复杂，通过谱峰归属来判定未知物相对比较复杂，而通过拉曼光谱数据库进行搜索来寻找与之匹配的结果，则可以快速对未知物进行判别。

一张拉曼谱图通常由一定数量的拉曼峰构成，每个拉曼峰代表了相应的拉曼散射光的波长位置和强度。每个谱峰对应于一种特定的分子键振动，其中既包括单一的化学键，例如C-C，C=C，N-O，C-H等，也包括由数个化学键组成的基团的振动，例如苯环的呼吸振动、多聚物长链的振动以及晶格振动等。

拉曼光谱技术的在体检测应用

二十多年来，拉曼光谱已在生物和医学应用中广泛使用。表面增强拉曼、光镊拉曼已经在癌症检测、器官移植排异性检测方面取得了很好的研究成果。而仪器和软件的逐渐成熟让我们实现了从体外检测到在体检测的过渡。拉曼在体检测作为一种无创检测，同时还兼并了拉曼技术本身的高特异性和高灵敏性，这为拉曼的临床应用带来了更多的可能。而作为实现在体检测的关键就是拉曼探头和光纤技术。本课题将主要围绕共聚焦拉曼光纤探头的研究，搭建在体检测拉曼设备，并主要探索拉曼在体检测在血糖监测、皮肤检测、手术导航等方面的临床应用。

深海微生物

快速鉴定海洋微生物在海洋生态学中至关重要，而拉曼光谱是实现这一点的一种很有前途的手段。单细胞拉曼光谱包含细胞的生化特征，可用于通过分类模型识别细胞表型。然而，传统的分类方法需要大量的参考数据库，当在难以访问的位置进行采样时，这非常具有挑战性。在这种情况下，只有少数光谱可用于创建分类模型，这使得定性分析变得困难。当光谱的信噪比较低时，分类精度会降低。在这里，我们描述了一种新的微生物分类方法，该方法结合了光镊拉曼光谱、生成性对抗网络（PGGAN）的渐进生长和残余网络（ResNet）分析。利用光学拉曼镊子，我们获得了五株深海细菌的单细胞拉曼光谱。我们从每个菌株中随机选择300个光谱作为数据库，用于训练PGGAN模型。PGGAN生成大量与真实数据相似的高分辨率光谱，用于训练残差神经网络。实验验证表明，该方法提高了机器学习分类精度，同时减少了对大量训练数据的需求，这两种方法都有利于分析低信噪比的拉曼光谱。

拉曼光谱技术在肿瘤诊断方面的应用

拉曼光谱作为一种分子振动光谱技术，具有无损、快速、准确、可定性、定量检测等众多优点，能够获得分子的指纹图谱信息，鉴别各种物质的特性和结构，可为癌变组织的检测提供一条可行性途径。目前主要研究方向是利用拉曼光谱技术结合机器学习/深度学习等计算机方法寻找肿瘤诊断的新途径。

基于偏振光调制的高通量、高分辨拉曼光谱仪设计

针对光栅衍射效率受偏振态影响，导致整体衍射效率偏低的问题，本课题结合偏振光调制技术，即利用偏振转换元件及特殊光路设计实现单一偏振态的光入射光栅，以达到光栅衍射效率与偏振无关的目的。采用偏振光调制的光路设计，将进一步提高光谱仪系统通量，以实现较好光谱信噪比。另一方面，通过zemax仿真优化系统像差提高系统分辨率。

时间门控拉曼

当拉曼光这一概念出现开始，广大拉曼研究者无不苦恼材料荧光带来的光谱问题。人们无论是选用更短、更长波长的激光作为激发光，还是选用SERS技术都不能完全消除荧光的影响，所以如何抑制荧光对拉曼的影响一直是拉曼研究的热点问题。

时间门控拉曼概念最早出现于上世纪80年代，人们发现当脉冲激光作用于样品时，拉曼光和荧光产生时间具有差异，可以利用这一特性实现荧光抑制,当激光照射到样品,荧光并不是立即就会产生,它总是会比拉曼光子延时一段时间。当激光器停止照射时,荧光还会持续几纳秒甚至几百纳秒。因此,如果采用超短脉冲激光器作为激发光源,并且只收集激发脉冲内的散射光,那么绝大部分的荧光都不会被光电探测器所接收,这样就达到抑制荧光的效果。但是无奈于当时没有可靠的光子探测设备，时间门控拉曼一直没能实现较大突破。直到2010年后出现稳定灵敏的SPAD，时间门控拉曼才有了获得更快发展的机会。

基于拉曼光谱和微生物异质性的微生物识别方法研究

研究微生物单细胞的空间异质性，改进基于拉曼光谱的微生物单细胞检测方法，解决所测量的单个微生物细胞大小不一而共聚焦拉曼设备激光光斑不易改变这一挑战，实现真正的全细胞拉曼指纹光谱，再结合完善的统计分析工具，使拉曼光谱可以在物种水平上更精准地识别微生物。 

线扫描拉曼光谱

线扫描拉曼光谱技术是一种快速检测与成像技术。拉曼光谱成像技术基于样品的拉曼光谱生成详细的化学图像，产生了一幅反映材料的成分和结构的伪彩图像。传统的拉曼光谱成像技术通常需要逐个样品点进行采集，需要相对较长的采集时间。线扫描拉曼光谱使用一条线作为激发光斑，其宽度汇聚为衍射极限宽度，单次采集可以获得线光斑覆盖所有样品点的光谱信息，相比传统的点探测拉曼光谱技术，检测速度可以提升大约两个数量级。