相干反斯托克斯拉曼散射光谱探测和显微成像系统及方法技术方案

本发明专利技术涉及光学领域，提供一种相干反斯托克斯拉曼散射光谱探测系统，包括飞秒脉冲激光器，将飞秒脉冲激光分为第一光束和第二光束的分束器；光子晶体光纤，用于经过第一光束泵浦以输出脉宽为皮秒级的超连续谱激光作为斯托克斯光；窄带滤光片，用于对第二光束进行滤波以及使脉冲展宽到与超连续谱相近的脉宽以作为泵浦光和探测光；延迟单元，用于使斯托克斯光、泵浦光和探测光同步；合束器，用于将斯托克斯光、泵浦光和探测光合为第三光束；探测器，用于探测相干反斯托克斯拉曼散射光谱。本发明专利技术可快速实现多个化学键的同时成像；对超连续谱光源的要求低；可获取完整的CARS光谱；可实现光束利用效率的最大化；可提高CARS成像的光谱分辨率。

Coherent anti Stokes Raman scattering spectrum detection and microscopic imaging system and method

The invention relates to the optical field, a detection system of coherent anti Stokes Raman scattering spectra, including femtosecond laser pulse, the femtosecond pulse laser beam splitter is divided into the first and the second light beam; photonic crystal fiber, used after the first beam pump to output pulse width of picosecond supercontinuum laser as light narrowband Stokes; filter is used to filter the light beam and the second pulse width and supercontinuum pulse width as similar to the pump and the probe; delay unit for Stokes Ura Hikaruwa light, detecting light synchronization; a combiner, for Stokes light, pump and probe beams to third beam detector for detecting; coherent anti Stokes Raman scattering spectra. The invention can quickly achieve a number of chemical bonds at the same time imaging; continuous spectrum light source of super low requirements; CARS spectrum can get complete; the maximum beam efficiency can be realized; can improve the spectral resolution of CARS imaging.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于光谱探测及显微成像
，特别涉及一种相干反斯托克斯拉曼散射光谱探测和显微成像系统及方法。
技术介绍
相干反斯托克斯拉曼散射(Coherent anti-stokes Raman scattering，CARS)显微成像技术可以在无需外援性标记的情况下，根据物质分子的振动或者转动特性获得反斯托克斯信号，具有良好的化学特异性以及高灵敏度和高三维层析能力，因此被广泛应用于生物学领域中对脂类分子成像、对蛋白质和核酸进行选择性成像等，为生命科学和物质科学研究提供了灵敏和便利的无标记成像手段。一直以来，CARS显微成像技术多是基于分子内某一特定化学键的CARS信号表征特定分子。显然，这种靠单一化学键来区分种类繁多的生物分子是远远不够的。为了能够准确识别种类繁多的生物分子，需要尽可能获取其完整的CARS光谱，并获取其三维空间分布。传统的CARS技术中通过连续改变两束激光脉冲中一束的波长，获取不同的频率差，实现分子中不同化学键的成像。主要有两种方案，第一，采用两台脉冲激光器，其中至少一台可调谐。由于两台激光器分别由不同的泵浦源进行泵浦，脉冲之间不可避免存在一定的频率差，因此，需要利用外置同步器将两台脉冲激光光源进行主动同步，这样不仅增加了成本，而且不容易维持同步的稳定性，增加了实验的难度。更重要的是，这样的光源方案一次仅能对分子单一化学键成像，只有通过不停改变可连续调谐光源的频率才能实现分子中不同种类的化学键成像，实现多个化学键成像的速度较慢且系统复杂，成本很高。第二，采用脉冲泵浦的光学参量放大器(OPO)作为波长调谐的关键装置。OPO产生两束与泵浦光脉冲时序完全一致、波长可调谐的信号光与闲频光，通常采用其中的信号光与未耗尽的泵浦脉冲共同激发样品。这两束光的脉冲序列是同步的，可以通过光学时间延迟线可以使脉冲精确重合，产生CARS信号。这种光源方案不需要对两台脉冲光源主动同步，从一定程度上降低了CARS系统的难度，也是目前国内外开展CARS成像研究的主要光源方案。这种方案的缺陷也是一次仅能对分子单一化学键成像，只有通过不停改变OPO信号光的频率才能对分子中不同种类的化学键成像，实现多个化学键成像的速度很慢。近年来,利用超短激光脉冲抽运光子晶体光纤(photonic crystal fiber,PCF)产生超连续谱(supercontinuum,SC)激光作为光源,实现了可同时探测光谱范围的宽带CARS光谱和显微技术，现在主要有两种方法：第一，超短脉冲激光器输出的激光脉冲被分为两束,其中一束用于抽运PCF产生SC激光作为斯托克斯光(ES),中心频率为ωs；另一束激光脉冲同时做为泵浦光(EP)和探测光(EP'),中心频率为ωP＝ωP′。两束激光同时激发待测样品产生CARS信号,称为双色宽带CARS技术。该方法由于激光脉冲脉宽很窄，因此无法同时获取其完整的CARS光谱。第二，使用具有足够宽的光谱范围的SC激光中不同的光谱成分同时作为EP和ES,具有一定时间延迟的飞秒激光脉冲作为EP'，实现了宽带时间分辨CARS技术，该方法对既做泵浦光又做斯托克斯光的SC不仅要求具有较大的光谱展宽、较好的光谱平坦性和连续性，同时也要具有较佳的时谱结构，即不同频率的光谱成分间相对时间延迟小，对SC光源要求较高。因此我们提出一种对SC光源要求低、高谱分辨率和可同时获取完整CARS光谱的方法。
技术实现思路
本专利技术的主要目的在于提供一种相干反斯托克斯拉曼散射光谱探测系统，旨在解决传统CARS技术无法在降低对超连续谱光源要求的同时获取高光谱分辨的完整CARS光谱的问题。本专利技术是这样实现的，一种相干反斯托克斯拉曼散射光谱探测系统，包括：飞秒脉冲激光器，用于输出飞秒脉冲激光；分束器，用于将所述飞秒脉冲激光分为独立传播的第一光束和第二光束；光谱展宽器件，设置于所述第一光束的光路上，用于经过所述第一光束泵浦以输出脉宽为皮秒级的超连续谱激光，所述超连续谱激光作为斯托克斯光；窄带滤光片，设置于所述第二光束的光路上，用于对所述第二光束进行滤波及展宽，使其脉宽为与所述斯托克斯光脉宽相当的皮秒量级，滤波与展宽后的第二光束作为泵浦光和探测光；延迟单元，设置于所述第二光束的光路上，用于使所述斯托克斯光、泵浦光和探测光同步；合束器，用于将所述斯托克斯光、泵浦光和探测光合为第三光束以作用于物体；探测器，设置于所述物体的光输出方向，用于探测物体的相干反斯托克斯拉曼散射光谱。本专利技术的另一目的在于提供一种相干反斯托克斯拉曼散射显微成像系统，包括上述的相干反斯托克斯拉曼散射光谱探测系统，还包括用于动态承载所述物体以进行样品扫描进而获得相干反斯托克斯拉曼散射图像的样品台。本专利技术的另一目的在于提供一种相干反斯托克斯拉曼散射显微成像系统，包括上述的相干反斯托克斯拉曼散射光谱探测系统，在所述合束器的输出方向还设有使所述第三光束扫描所述物体进而获得相干反斯托克斯拉曼散射图像的扫描单元。本专利技术的另一目的在于提供一种相干反斯托克斯拉曼散射光谱探测方法，包括下述步骤：将飞秒脉冲激光分为独立传输的第一光束和第二光束；利用所述第一光束泵浦光谱展宽器件，输出脉宽为皮秒量级的超连续谱激光作为斯托克斯光；使所述第二光束经过延迟单元及窄带滤光片，获得与所述斯托克斯光同步且脉宽相当的泵浦光和探测光；将所述斯托克斯光、泵浦光和探测光合为第三光束，并将所述第三光束作用于物体，使物体发生相干反斯托克斯拉曼散射，并发出第四光束；通过探测器探测所述第四光束，得到物体的相干反斯托克斯拉曼散射光谱。本专利技术的另一目的在于提供一种相干反斯托克斯拉曼散射显微成像方法，包括下述步骤：将飞秒脉冲激光分为独立传输的第一光束和第二光束；利用所述第一光束泵浦光谱展宽器件，输出脉宽为皮秒量级的超连续谱激光作为斯托克斯光；使所述第二光束经过延迟单元及窄带滤光片，获得与所述斯托克斯光同步且脉宽相当的泵浦光和探测光；将所述斯托克斯光、泵浦光和探测光合为第三光束；通过光束扫描或者样品扫描使所述第三光束作用于物体，使物体发生相干反斯托克斯拉曼散射，并发出第四光束；通过探测器探测所述第四光束，得到物体的相干反斯托克斯拉曼散射显微图像。本专利技术提供的相干反斯托克斯拉曼散射光谱探测系统及显微成像系统具有以下优点：第一，不需采用可连续调谐光源并通过改变光源频率来实现分子中不同种类的化学键成像，可快速实现多个化学键同时成像，系统结构简单。第二，由于采用超连续谱作为斯托克斯光，采用飞秒脉冲激光作为泵浦光和探测光，与传统的采用超连续谱同时作为斯托克斯光和泵浦光的技术相比，不要求超连续谱光源具有较好的光谱平坦性和连续性，以及较佳的时谱结构，因此该系统对超连续谱光源的要求较低，容易满足成像要求，进而可以降低成本和系统的复杂度。第三，与传统的采用超连续谱激光作为斯托克斯光，采用另一束激光作为泵浦光和探测光的技术相比，该系统通过飞秒脉冲激光泵浦光子晶体光纤产生皮秒级的超连续谱激光作为斯托克斯光，该斯托克斯光具有足够的光谱宽度，可获取完整的相干反斯托克斯拉曼散射光谱。第四，由于泵浦光和探测光的脉宽与斯托克斯光的脉宽相当，可以实现光束利用效率的最大化。第五，由于泵浦光和探测光的谱宽可以通过窄带滤光片进行调节，而理论上相干反斯托克斯拉曼散射成像的光谱分辨率取本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种相干反斯托克斯拉曼散射光谱探测系统，其特征在于，包括：飞秒脉冲激光器，用于输出飞秒脉冲激光；分束器，用于将所述飞秒脉冲激光分为独立传播的第一光束和第二光束；光谱展宽器件，设置于所述第一光束的光路上，用于经过所述第一光束泵浦以输出脉宽为皮秒级的超连续谱激光，所述超连续谱激光作为斯托克斯光；窄带滤光片，设置于所述第二光束的光路上，用于对所述第二光束进行滤波及展宽，使其脉宽为与所述斯托克斯光脉宽相当的皮秒量级，滤波与展宽后的第二光束作为泵浦光和探测光；延迟单元，设置于所述第二光束的光路上，用于使所述斯托克斯光、泵浦光和探测光同步；合束器，用于将所述斯托克斯光、泵浦光和探测光合为第三光束以作用于物体；探测器，设置于所述物体的光输出方向，用于探测物体的相干反斯托克斯拉曼散射光谱。

【技术特征摘要】
1.一种相干反斯托克斯拉曼散射光谱探测系统，其特征在于，包括：飞秒脉冲激光器，用于输出飞秒脉冲激光；分束器，用于将所述飞秒脉冲激光分为独立传播的第一光束和第二光束；光谱展宽器件，设置于所述第一光束的光路上，用于经过所述第一光束泵浦以输出脉宽为皮秒级的超连续谱激光，所述超连续谱激光作为斯托克斯光；窄带滤光片，设置于所述第二光束的光路上，用于对所述第二光束进行滤波及展宽，使其脉宽为与所述斯托克斯光脉宽相当的皮秒量级，滤波与展宽后的第二光束作为泵浦光和探测光；延迟单元，设置于所述第二光束的光路上，用于使所述斯托克斯光、泵浦光和探测光同步；合束器，用于将所述斯托克斯光、泵浦光和探测光合为第三光束以作用于物体；探测器，设置于所述物体的光输出方向，用于探测物体的相干反斯托克斯拉曼散射光谱。2.如权利要求1所述的相干反斯托克斯拉曼散射光谱探测系统，其特征在于，还包括设置于所述合束器的输出光路上用于将所述第三光束聚焦于物体上的聚焦透镜，以及用于收集所述物体发出的第四光束的成像透镜，所述探测器用于探测所述第四光束。3.如权利要求2所述的相干反斯托克斯拉曼散射光谱探测系统，其特征在于，在所述探测器和所述成像透镜之间设有短波通滤光片，在所述光谱展宽器件和合束器之间设有长波通滤光片。4.如权利要求1所述的相干反斯托克斯拉曼散射光谱探测系统，其特征在于，在所述光谱展宽器件的输入端设有输入耦合透镜，在所述光谱展宽器件的输出端设有输出耦合透镜。5.如权利要求1所述的相干反斯托克斯拉曼散射光谱探测系统，其特征在于，所述窄带滤光片的带宽为为3nm以下。6.一种相干反斯托克斯拉曼散射显微成像系统，其特征在于，包括权利要求1至5任一项所述的相干反斯托克斯拉曼散射光谱探测系统，还包括用于动态承载所述物体以进行样品扫描进而获得...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈丹妮，刘杰，刘双龙，
申请(专利权)人：深圳大学，
类型：发明
国别省市：广东;44