CN102540620A - 偏振干涉多元cars显微成像方法 - Google Patents

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Abstract

一种偏振干涉多元CARS显微成像方法，方法为：采用高重频偏振飞秒激光作为CARS信号的探针光，其分束后的一部分作为泵浦光泵浦光子晶体光纤(PhotonCrystalFiber,PCF)。PCF产生的超连续谱输出分成两部分，其中一部分作为第一斯托克斯激发光，另一部分经过半波片改变其偏振角度后作为第二斯托克斯激发光并由共焦显微光路及光谱分析系统得到CARS显微图像。本发明的技术效果是：飞秒CARS探针光与其分束泵浦PCF产生的二束超连续谱斯托克斯激发光三者偏振干涉，经偏振分析器提取某一方向的偏振分量与选择干涉加强的峰峰值，可消除样品非共振背景噪声的影响，获得高对比宽谱带CARS显微图像。

Description

偏振干涉多元CARS显微成像方法
技术领域
本发明涉及一种偏振干涉多元CARS显微成像方法。
背景技术
相干反斯托克斯拉曼散射(coherent anti—Stokes Raman scattering, CARS)是一种三阶非线性光学过程, CARS显微成像技术能够以高灵敏度获得特定分子的空间分布图像, 以及对分子之间的相互作用的动态过程进行监测. 传统的CARS显微成像技术使用窄线宽皮秒激光脉冲获得特定化学键的CARS图像, 但是对于研究具有复杂成分和结构的分子而言, 需要逐点调节激光的中心波长才能获得分子完整的CARS光谱信息, 不仅耗时, 而且不易使用. 另外, CARS 显微成像质量与样品所处的背景相关, 生物样品周围的溶剂及其它介质会产生很强的非共振信号, 从而降低共振成像对比度及光谱选择性。
发明内容
本发明的目的在于提供了一种偏振干涉多元CARS显微成像方法，该方法采用高重频偏振飞秒激光作为CARS信号的探针光, 其分束后的一部分作为泵浦光泵浦光子晶体光纤(Photon Crystal Fiber, PCF)以获得宽光谱飞秒激光输出. PCF产生的超连续谱输出分成两部分, 其中一部分作为第一斯托克斯激发光, 另一部分经过半波片改变其偏振角度后作为第二斯托克斯激发光. 飞秒CARS探针光与其分束泵浦PCF产生的二束超连续谱斯托克斯激发光三者偏振干涉, 经偏振分析器提取某一方向的偏振分量与选择干涉加强的峰峰值, 可获得宽光谱高对比度CARS显微图像. 对于具有复杂成分和结构的分子的样品, 容易获得其完整的CARS光谱信息。
本发明是这样来实现的，方法为：飞秒偏振激光器发出的飞秒激光脉冲,经分束器分束后分成CARS探针光与PCF(光子晶体光纤)泵浦光. PCF泵浦光经显微物镜聚焦后进入PCF ,可出射超连续谱激光, 经显微物镜扩束后经分束器分成等功率的两部分：一部分作为第一 Stokes(斯托克斯)激发光；另一部分经半波片生成与第一Stokes激发光偏振方向垂直的第二Stokes激发光．压电相位调制器可以以一定的交变频率调节第一Stokes激发光相位(其目的是两束Stokes激发光分别与探针光同步聚焦到样品所激发的两个CARS信号光将被调制且相互干涉, 经偏振分析器提取某一方向的偏振分量与选择干涉加强的峰峰值, 可消除非共振背景噪声的影响). 第二Stokes激发光经半波片、反射镜、光学延迟线(用来调节两Stokes激发光飞秒脉冲的时域交叠) 后与相位调制后的第一Stokes激发光经偏振分束器合束; 同时, 探针光经光学延迟线 (用来调节与两激发光飞秒脉冲的时域交叠)、反射镜、半波片、四分之一波片可获得与第一Stokes激发光偏振夹角为75度的偏振光再经窄带滤波片(用以改善飞秒探测光的光谱分辨率)、反射镜后与合束后的两Stokes激发光于双色镜处合束(探针光全反射, 两激发光全透镜). 合束后三个激光束经凸透镜聚焦于针孔滤波器中心点, 经针孔滤波后, 再经凸透镜扩束、反射镜反射后, 经显微物镜聚焦于样品的某一点, 激发出两个CARS信号, 这两个CARS信号为偏振相干信号, 经显微物镜扩束后, 由偏振镜选择合适的角度, 提取某一方向的偏振分量 (并从光电倍增管探测的正弦交变信号中选择干涉加强对应的峰峰值),可消除CARS信号中非共振背景噪声. 带通滤波片可选不同中心波长, 用以匹配不同分子键振动所产生的不同波数的CARS信号. 再经凸透镜聚焦至针孔滤波器中心, 被光电倍增管所探测. 装置满足共焦显微的条件, 有效地提高了空间分辨率. 通过扫描样品同一聚焦平面不同的点, 最后可获得CARS显微图像。
本发明的技术效果是：消除样品非共振背景噪声的影响, 获得高对比宽谱带CARS显微图像. 对于具有复杂成分和结构的分子的样品, 容易获得其完整的CARS光谱信息。
附图说明
图1为本发明的原理图。
在图中，1、波长调节及启动器2、飞秒偏振激光器 3、分束器A  4、显微物镜A  5、PCF 6、显微物镜A’  7、分束器B  8、压电相位调制器 9、半波片A  10、反射镜A  11、光学延迟线A  12、偏振分束器 13、双色镜 14、凸透镜A  15、针孔滤波器A  16、凸透镜B  17、反射镜B  18、显微物镜B  19、样品 20、显微物镜B’21、偏振镜 22、带通滤波片 23、凸透镜B’ 24、针孔滤波器A’25、光电倍增管 26、反射镜C  27、窄带滤波片 28、四分之一波片 29、半波片B  30、反射镜D  31、光学延迟线B。
具体实施方式
本发明的原理如图1所示，钛宝石飞秒偏振激光器2的启动与工作波长选择由波长调节及启动器1进行控制. 飞秒偏振激光器2的工作波长调节范围为700~1000nm, 重复频率为80MHz, 脉宽120fs. 测量开始时, 由波长调节及启动器1选择工作波长为850nm并启动飞秒偏振激光器2. 经分束器A 3分束后分成CARS探针光与PCF(光子晶体光纤)泵浦光, 二者功率的比例可定为3比7. PCF泵浦光经显微物镜A 4聚焦后进入PCF 5, 由PCF 5的光学性质, 可出射超连续谱激光, 经显微物镜A’ 6扩束后经分束器B 7分成等功率的两部分：一部分作为第一 Stokes(斯托克斯)激发光；另一部分经半波片A 9生成与第一Stokes激发光偏振方向垂直的第二Stokes激发光．压电相位调制器8可以以10kHz的交变频率调节第一Stokes激发光相位(其目的是两束Stokes激发光分别与探针光同步聚焦到样品所激发的两个CARS信号光将被调制且相互干涉, 经偏振分析器提取某一方向的偏振分量与选择干涉加强的峰峰值, 可消除非共振背景噪声的影响)。
第二Stokes激发光经半波片A 9、反射镜A 10、光学延迟线A 11 (用来调节两Stokes激发光飞秒脉冲的时域交叠) 后与相位调制后的第一Stokes激发光经偏振分束器12合束; 同时, 探针光经光学延迟线B 31(用来调节与两激发光飞秒脉冲的时域交叠)、反射镜D 30、半波片B 29、四分之一波片28可获得与第一Stokes激发光偏振夹角为75度的偏振光再经窄带滤波片27 (可选中心波长为850nm, 波数带宽为20cm-1, 用以改善飞秒探测光的光谱分辨率)、反射镜C 26后与合束后的两Stokes激发光于双色镜13处合束(探针光全反射, 两激发光全透镜). 合束后三个激光束经凸透镜A 14聚焦于针孔滤波器A 15(直径为0.1mm)中心点, 经针孔滤波后, 再经凸透镜B 16 扩束、反射镜B 17反射后, 经显微物镜B 18 聚焦于样品19的某一点, 激发出两个CARS信号, 这两个CARS信号为偏振相干信号, 经显微物镜B’ 20 扩束后, 由偏振镜21 选择合适的角度, 提取某一方向的偏振分量 (并从光电倍增管26 探测的正弦交变信号中选择干涉加强对应的峰峰值),可消除CARS信号中非共振背景噪声. 带通滤波片22可选不同中心波长, 用以匹配不同分子键振动所产生的不同波数的CARS信号. 再经凸透镜B’ 23聚焦至针孔滤波器A’ 24(直径为0.1mm)中心, 被光电倍增管26所探测. 需要指出的是, 针孔滤波器A 15与针孔滤波器A’24; 凸透镜B 16与凸透镜B’23; 显微物镜B 18与显微物镜B’20 关于样品19都是共轭对称的, 满足共焦显微的条件, 有效地提高了空间分辨率. 通过扫描样品同一聚焦平面不同的点, 最后可获得CARS显微图像。

Claims (1)

1. 一种偏振干涉多元CARS显微成像方法，其特征是：采用高重频偏振飞秒激光作为CARS信号的探针光, 其分束后的一部分作为泵浦光泵浦光子晶体光纤PCF， 光子晶体光纤PCF产生的超连续谱输出分成两部分, 其中一部分作为第一斯托克斯激发光, 另一部分经过半波片改变其偏振角度后作为第二斯托克斯激发光，飞秒CARS探针光与其分束泵浦光子晶体光纤PCF产生的二束超连续谱斯托克斯激发光三者偏振干涉, 经偏振分析器提取某一方向的偏振分量与选择干涉加强的峰峰值, 可获得宽光谱高对比度CARS显微图像。
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