CN105247350B - 用于受激拉曼检测的设备和方法 - Google Patents

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Abstract

根据一个方面，本发明涉及一种用于检测在样本中诱导的受激拉曼散射(SRS)类型的共振非线性光学信号的设备。该设备包括电光装置，其用于在样本中使角频率ω1和ω2的光脉冲序列以第一调制频率相互作用并且使角频率ω2和ω3的光脉冲序列以第二调制频率相互作用，以使得ω2‑ω1＝ω3‑ω2＝ΩR，其中，ΩR是样本的分子振动共振角频率。此外，该设备包括：用于以第一调制频率和第二调制频率对由样本中的光脉冲的相互作用导致的非线性光学信号进行同步检测的装置；以及电子处理装置，其使得可从由同步检测导致的电子信号获得表征样本的分子振动共振的信号。

Description

用于受激拉曼检测的设备和方法
技术领域
本发明涉及一种用于检测样本中的受激拉曼散射(SRS)类型的共振非线性光学信号的设备和方法。本发明尤其适用于显微镜学成像、光谱学、以及散射介质(诸如生物介质)中的高光谱成像。
背景技术
每一个化学键都拥有特定于它的振动频率。旨在使用光和物质之间的相互作用来获得关于这些分子振动的信息的方法被称为振动光学技术。这些技术中最著名的是红外(IR)光谱学，在IR光谱学中，观察存在于样本中的化学键的特定吸收线。在1928年发现，拉曼散射(以发现该效应的物理学家Chandrasekhara Venkata Raman命名)使得可见光可被用于获得与光束相互作用的分子的振动光谱。在拉曼散射过程中，入射在分子上的角频率ωP的泵波非弹性地散射成为所谓的角频率ωS的斯托克斯波以及所谓的角频率ωAS的反斯托克斯波。所产生的波和泵波之间的频率差取决于(角频率ΩR的)分子拉曼跃迁，以使得ωP-ωS＝ωAS-ωP＝ΩR。从该过程的光子学观点来讲，斯托克斯波和反斯托克斯波分别对应于来自基本或激发振动能级的吸收。从激发振动能级产生反斯托克斯波的过程的可能性比产生斯托克斯波的过程小得多，斯托克斯波是在自发拉曼光谱学中在实践中观察到的唯一的波。斯托克斯波的光谱分布的严密研究提供关于存在于样本中的化学键的密度的信息。该自发非弹性散射过程与荧光相比是非常无效的(拉曼有效截面约为10-30cm2/分子，与荧光团的1-光子有效吸收截面(其达到10-16cm2/分子)相比较)。
称之为相干反斯托克斯拉曼散射(CARS)和受激拉曼散射(SRS)的受激拉曼技术是相对于自发拉曼散射过程而言提供大约107的放大的相干拉曼散射过程。在这些技术(参见图1A)中，角频率ωp和ωs(或频率νp和νs)的两个激光脉冲(其角频率差被设置为等于期望探测到的振动能级的角频率ΩR)被注入到将被分析的介质中。分别被表示为泵脉冲和斯托克斯脉冲的这些脉冲创建使角频率ΩR的振动模式进入共振的频率跳动。在CARS过程中，该共振用泵束探测，泵束诱导角频率ωAS的反斯托克斯散射。受激拉曼散射(SRS)是使用由于由泵场和斯托克斯场诱导的非线性场与激发(泵)场的相互作用而导致的非线性响应的过程，因此，与CARS过程相反，它在与泵脉冲和斯托克斯脉冲相同的频率上被观察到。它导致从泵束到斯托克斯束的能量转移。因此，受激拉曼散射涵盖两个过程，SRL(指受激拉曼损耗)过程和SRG(指受激拉曼增益)过程，这两个过程分别在泵束中引起强度损耗ΔISRL以及在斯托克斯束中引起强度增益ΔISRG(参见图1B)。例如在N.Bloembergen的综述文章(“Thestimulated Raman effect”,American Journal of Physics,35:989-1023,1967年)中描述了SRS过程。已经表明，泵束的强度的降低ΔISRL和斯托克斯束的强度的增益ΔISRG与三阶非线性磁化率的虚部(Im(χR (3)))成比例。这些量的测量因此使得拉曼光谱的严谨计算变成可能。最近，振动光学技术更多地集中于SRS技术，与CARS技术相反，SRS技术不受总是存在于CARS中的非共振背景制约，并且与化学物种浓度是线性关系。
SRS显微镜学是利用飞秒SRS光谱学领域中的新进展的新技术。在2007年，Ploetz等人(“Femtosecond Stimulated Raman Microscopy”,Applied Physics B,87(3):389-393,2007)开发了第一台基于递送飞秒脉冲和皮秒脉冲的放大激光系统的SRS显微镜。该类型的系统诱发强SRS信号，但是却不适合于生物成像。具体而言，所用的(大约nJ的)高峰功率损坏样本，并且低重复率(1kHz)与快速扫描显微镜学不兼容。
当时提出了基于与生物样本的图像形成兼容的高重复率(80MHz)皮秒激光系统的使用的SRS显微镜(参见例如C.W.Freudiger等人的文章：“Label-free biomedicalimaging with high sensitivity by stimulated Raman scattering microscopy”,Science,322(5909):1857-1861,2008年；P.Nandakumar等人的文章：“Vibrationalimaging based on stimulated Raman scattering microscopy”,New Journal ofPhysics,11(3):033026(9pp),2009年；Y.Ozeki等人的文章：“Analysis and experimentalassessment of the sensitivity of stimulated Raman scattering microscopy”,Optics Express,17(5):3651-3658,2009年3月)。在CARS显微镜学中，在与激发束不同的频率产生有用信号，即，反斯托克斯信号。反斯托克斯信号可被极其敏感的检测器(诸如雪崩光电二极管或光电倍增管)检测到。在SRS显微镜学中，检测带来了不同的问题，因为有用信号是在与激发束相同的频率产生的。它因此是检测泵束的能量ΔISRL损耗或者检测斯托克斯束中的能量ΔISRG增益的问题。在实践中，泵束的能量损耗大约为ΔISRL/IP≈10-5-10-8。在以上引用的文章中，建议以频率fm调制斯托克斯信号并且通过同步检测以频率fm提取泵信号的损耗以便提高检测灵敏度。
因此，图2示出现有技术的SRG配置(即，适于从斯托克斯束提取增益的配置)的SRS显微镜的示意图。在图2中被引用为102和104的、角频率分别为ωp和ωS的泵脉冲序列和斯托克斯脉冲序列被注入到样本S中，样本S被定位在布置在显微镜120的本体中的显微镜物镜122的焦点处。以角频率差等于期望在样本中探测到的振动能级的角频率ΩR的这样的方式选择角频率ωp和ωS。通过组合器114将泵脉冲序列和斯托克斯脉冲序列在空间上叠加，并且提供可变延迟线(未示出)来确保样本中的脉冲的时间叠加。通过调制设备112以调制频率fm对泵脉冲序列102进行振幅调制，以便形成调制脉冲序列106。为了降低电子噪声和激光器的噪声，调制频率被选为高于1MHz。因此，在图2中，曲线101和103分别示出调制泵脉冲序列106和(未调制)斯托克斯脉冲序列104的光强度IP和IS的时间波形。聚光物镜124使得由样本中的泵脉冲和斯托克斯脉冲的相互作用导致的光学信号可被收集。在所选配置中，滤光器126使得角频率为ωS的脉冲序列108可被选择，该序列然后被发送到光学检测器128，例如，光电二极管。作为时间的函数测量的光学强度用曲线107示意性地示出。调制频率fm的同步检测130使得表征角频率ΩR的分子振动的寻求信号ΔISRG可被提取。例如通过包括两个电流计镜的扫描系统116在样本上方扫描激发束104、106然后使得样本的感兴趣区域的图像可被形成。
然而，SRS显微镜学容易有若干个伪像，因为这些伪像引入可被解释为SRS信号的信号，所以它们限制了化学特异性。具体而言，SRS显微镜学对交叉克尔效应(或用于指“交叉相位调制”的XPM)敏感，交叉克尔效应不是特定于目标化学键的，并且在SRS信号中表现为正或负偏移。SRS显微镜学也对双光子吸收(或用于指“双光子吸收”的TPA)敏感，双光子吸收在SRS信号中表现为正(在SRL配置中)或负(在SRG配置中)偏移。
双光子吸收是仅当泵束存在时才(在诸如图2中所示的SRG配置中)诱导斯托克斯束耗尽的瞬间非线性过程。在斯托克斯束中诱导的调制因此被检测到并且被解释为SRS信号。在SRG检测模式下，通过TPA耗尽斯托克斯束相对于SRG增益测量而言表现为副偏移。在SRL检测模式下，通过TPA耗尽泵束相对于SRL损耗测量而言表现为正偏移。
光学克尔效应是非线性(瞬间)过程，该过程诱导折射率变化(该折射率变化与产生它的波的强度成比例)，并且引起导致产生它的束聚焦或散焦的透镜效应。在SRS显微镜学中，当克尔效应仅影响泵光子或者仅影响斯托克斯光子时，克尔效应不是问题。具体而言，例如在SRG配置(诸如图2中所示)中，当只有泵光子受到影响时，克尔效应诱导只有泵束看到的变化；然而，后者未被检测到，因此其聚焦不影响测量。当只有斯托克斯光子受到影响时，克尔效应诱导只有斯托克斯束看到的变化；因为后者未被调制，所以其聚焦和在检测器处诱导的能量变化随着时间保持不变，因此不影响调制频率fm的SRS测量。然而，例如在SRG配置中，在斯托克斯束的角频率ωs处的折射率中观察到变化，该变化是由角频率ωp的泵束诱导的；这是交叉克尔效应，该交叉克尔效应在这种情况下以与被测SRS信号的调制相同的调制使斯托克斯束聚焦或散焦。导致测量偏移。为了降低交叉克尔效应的影响，重要的是当在测量束与样本相互作用之后收集测量束(在SRL中为泵，在SRG中为斯托克斯)时不引入光阑。由于这个原因，已知使用其数值孔径大于激发物镜的数值孔径的聚光物镜。
这些伪像因散射介质(尤其是生物组织)而加剧，并且阻碍了SRS显微镜学对于检查其有效拉曼截面很小的振动键的使用。具体而言，即使当使用其数值孔径大于激发物镜的数值孔径的聚光物镜时，散射也将导致聚光物镜的阻隔(diaphragming)，该阻隔加剧伪像(尤其是交叉克尔效应)的影响。
因此，图3B至3D例示说明在由人的皮肤形成的组织中在各种光谱区域中通过CARS、SRS和拉曼显微光谱学获得的光谱，该组织的拉曼光谱在图3A中示出。图3A中所示的从Huang等人的文章(Optics Express,19,23(2011年))复制的光谱包括用于拉曼成像的三个感兴趣光谱区域。被称为“脂类和蛋白质”区域的区域对应于2750cm-1和3050cm-1之间的角频率，并且包含高强度分子振动，被称为“酰胺”区域的区域对应于1350cm-1和1750cm-1之间的角频率，被称为“指纹”区域的区域对应于850cm-1和1150cm-1之间的角频率。图3B至3D示出在这些区域中的每个中分别通过CARS、SRS和拉曼显微光谱学执行的光谱测量。在分子振动的强度高的区域(图3B)中，可以看到SRS测量203很好地对应于拉曼光谱201，而CARS测量202表现出与连续的非共振背景相关的偏移。CARS测量中的连续的非共振背景效应在两个其它区域(图3C和3D中的曲线212和222)中也是可见的。而且，在分子振动的强度较低的区域中的SRS测量中也观察到偏移(连续背景)出现。因此，由SRS测量导致的曲线(图3C和3D中的213和223)不再叠加在拉曼光谱(211和221)上。这些实验曲线例示说明分子振动的强度低的区域中的SRS测量伪像的影响。
本发明提供一种用于检测在样本中诱导的SRS类型的共振非线性光学信号的独创方法，该方法使得寻求的有用的SRS信号可被增大并且伪像(尤其是由交叉克尔效应导致的伪像)可被移除，包括在由散射生物介质形成的样本中。
发明内容
根据第一方面，本发明涉及一种用于检测在样本中诱导的受激拉曼散射(SRS)类型的共振非线性光学信号的设备。该设备包括：
-电光装置，其用于在样本中使角频率ω1和ω2的光脉冲序列以第一调制频率相互作用并且使角频率ω2和ω3的光脉冲序列以第二调制频率相互作用，以使得ω2-ω1＝ω3-ω2＝ΩR，其中，ΩR是样本的分子振动共振角频率；
-用于以第一调制频率和第二调制频率对由样本中的光脉冲的相互作用导致的非线性光学信号进行同步检测的装置；以及
-电子处理装置，其使得可从由同步检测导致的电子信号获得表征样本的分子振动共振的信号。
因此，该新颖设备利用三个预设波长的三个激发束，这三个激发束在样本中的第一调制频率和第二调制频率的成对相互作用使得可同时产生SRL过程和SRG过程两者，中间波长的束可替代地用作这些过程中的每个中的泵束或斯托克斯束。根据实施方式，调制频率可以是相同的或不同的。在两种情况下，以一个调制频率或多个调制频率对由这两个过程的相互作用导致的非线性光学信号进行同步检测使得伪像可被抑制并且有用的SRS信号可翻倍。
用于使脉冲序列在样本中相互作用的装置有利地包括下述装置，该装置用于使脉冲序列聚焦到公共聚焦体积上，使得可获得高得足以在样本中产生非线性光学效应的能量密度。
所描述的设备可以至少部分是光纤。申请人已经表明，所实现的检测方法另外还使得由于在光纤中产生的非线性效应而导致的伪像可被抑制。
这样的设备的一个应用是振动拉曼成像，尤其是显微镜成像。该设备于是可包括用于相对于样本移动该聚焦体积以便执行成像的装置。
所描述的设备的另一个应用是拉曼光谱学。该设备例如可包括下述装置，该装置用于改变在样本中相互作用的脉冲序列的角频率ω1和ω3，使得期望研究的样本的分子振动共振角频率ΩR可改变。
所描述的设备的一个应用是高光谱拉曼成像，使得可以以各种分子振动共振角频率Ω生成样本的SRS图像。
不管是用于成像，还是用于光谱学，同步检测装置包括用于检测由样本中的脉冲序列的相互作用导致的非线性光学信号的光学装置，光学检测可能在前向检测模式下、在后向(或epi)检测模式下或者在内窥镜检测模式下进行，尤其是用于研究生物样本的深层中的分子振动。
作为所描述的设备的第一变体，对脉冲序列中的至少一个进行振幅调制。
在第一实施方式中，电光装置包括用于发射角频率ω1、ω2和ω3的脉冲序列的源、以及用于分别以第一调制频率和第二调制频率对角频率ω1和ω3的脉冲序列进行振幅调制的装置。
例如以相同的调制频率、但是相位相反地对角频率ω1和ω3的脉冲序列进行振幅调制。在这种情况下，一方面角频率ω1和ω2的光脉冲序列以及另一方面角频率ω2和ω3的光脉冲序列在样本中交替地以调制频率相互作用。同步检测装置例如包括从样本发出的角频率ω2的脉冲的光学检测器、以及从光学检测器发出的电信号的调制频率的同步模拟或数字检测。从同步检测发出的信号表征样本的分子振动共振。电子处理装置使得该信号可被提取、然后被利用。
可替代地，以彼此不是倍数的两个独立的调制频率对角频率ω1和ω3的脉冲序列进行振幅调制。在这种情况下，以所述调制频率中的每个调制频率进行从样本发出的角频率ω2的脉冲的同步检测。对通过同步检测产生的信号进行处理以提取表征样本的分子振动共振的信号。
在第二实施方式中，第一调制频率和第二调制频率是相同的，并且电光装置包括用于发射角频率ω1、ω2和ω3的脉冲序列的源、以及用于以所述调制频率对角频率ω2的脉冲序列进行振幅调制的装置。在这种情况下，对一方面从样本发出的角频率ω1的脉冲和另一方面从样本发出的角频率ω3的脉冲进行所述调制频率的同步检测。对通过所述同步检测中的每个产生的信号进行处理以提取表征样本的分子振动共振的信号。
作为所描述的设备的第二变体，在脉冲序列中的至少一个的路径上引入延迟线，并且进行脉冲序列之间的时间延迟的调制。
更确切地说，第一调制频率和第二调制频率是相同的，电光装置可包括用于发射角频率ω1、ω2和ω3的脉冲序列的源以及至少一个延迟线，该延迟线使得可在角频率ω1和ω3的脉冲序列与角频率ω2的脉冲序列之间产生以所述调制频率调制的时间延迟。在这种情况下，如被相位相反地进行振幅调制的脉冲序列的情况下那样，一方面角频率ω1和ω2的光脉冲序列以及另一方面角频率ω2和ω3的光脉冲序列在样本中交替地以调制频率相互作用。
不管是在第一变体(振幅调制)中，还是在第二变体(时间延迟调制)中，脉冲例如可以是其角频率以角频率ω1、ω2和ω3为中心的光谱窄的皮秒脉冲，或者作为变体，是其角频率以角频率ω1、ω2和ω3为中心的频率啁啾脉冲。
在皮秒脉冲的情况下，脉冲序列例如由皮秒激光源发射，所述皮秒激光源包括发射角频率ω2的脉冲序列的主激光器、以及发射角频率ω1(空闲者)和ω3(信号)的脉冲序列的OPO激光器。
在频率啁啾脉冲的情况下，脉冲序列例如通过包括主激光器和OPO的飞秒激光源获得，脉冲由时间展宽器扩展。
在频率啁啾脉冲的情况下，发射源还可包括延迟线，该延迟线使得可在一方面角频率ω1和ω2的脉冲与另一方面角频率ω2和ω3的脉冲之间产生相同的时移，时移的变化使得样本的分子振动共振频率可被探测到。
在所描述的设备的第二变体(时间延迟调制)中，发射源可包括以角频率ω2为中心的频率啁啾脉冲序列的发生器以及二向色分束器，该二向色分束器使得可分离一方面以角频率ω2为中心的脉冲和另一方面分别以角频率ω1和ω3为中心的脉冲。以调制频率调制的时间延迟然后可如上所述那样被引入在角频率ω1和ω3的脉冲序列与角频率ω2的脉冲序列之间。
根据第二方面，本发明涉及一种用于检测在样本中诱导的受激拉曼散射(SRS)类型的共振非线性光学信号的方法，该方法由根据第一方面描述的设备及其所有变体或实施方式实现。
附图说明
在阅读通过以下图例示说明的描述之后，本发明的其它优点和特征将变得显而易见：
图1A和1B(已经描述)，受激拉曼散射(SRS)的原理；
图2(已经描述)，现有技术的SRS显微镜的示意图；
图3A至3D(已经描述)，人的(皮肤)组织样本的示例拉曼光谱以及在三个感兴趣光谱区域中通过现有技术的CARS、SRS和拉曼显微光谱学获得的比较光谱测量；
图4，根据本发明的第一变体(振幅调制)的第一示例的SRS检测设备的实施方式；
图5A至5C，根据第一变体的样本中的相互作用的示意图；
图6，例示说明图4中所示的设备的示例实现中的检测到的信号(SRS信号和伪像)的表；
图7A至7D，例示说明图4中所示的设备的分别关于前、后(或epi)和前光纤检测模式以及关于内窥镜检测模式的变体的示意图；
图8A至8C，示出使用如图4中所示的设备用非散射样本获得的第一实验结果的示意图；
图9A至9F，示出使用如图4中所示的设备用散射样本获得的第二实验结果的示意图；
图10A至10C，使用如图4中所示的设备用由生物组织形成的样本获得的第三实验结果的示意图；
图11A和11B，例示说明本发明的变体的两个其它的示例设备；
图12A和12B，分别例示说明图11A和11B中所示的设备的示例实现中的检测到的信号(SRS信号和伪像)的表；
图13，根据本发明的另一个变体(时间延迟调制)的SRS检测设备的一个实施方式；
图14A至14C，根据图13中所示的变体的样本中的相互作用的示意图；
图15，例示说明图13中所示的设备的示例实现中的检测到的信号(SRS信号和伪像)的表；
图16A、16B，例示说明扩展光谱脉冲序列源的一个实施方式的示意图；
图17A至17C，根据第一变体(振幅调制)的在扩展光谱脉冲的情况下的样本中的相互作用的示意图；
图18A至18C，根据第二变体(时间延迟调制)的在扩展光谱脉冲的情况下的样本中的相互作用的示意图；
图19A至19C，根据第二变体(时间延迟调制)的在扩展光谱脉冲以及时间延迟变化的情况下的样本中的相互作用的示意图；
图20，根据本发明的一个变体(时间延迟调制)的具有扩展光谱脉冲的SRS检测设备的另一个实施方式；
图21A至21C，图20中的示例中的样本中的相互作用的示意图。
具体实施方式
在附图中，相同的元件用相同的标号指示。
图4示出根据本发明的实现振幅调制的一个变体的用于检测非线性共振SRS光学信号的设备的示例。
检测设备10包括源20，其用于发射以角频率ω1、ω2和ω3为中心的脉冲序列，以使得ω2-ω1＝ω3-ω2＝ΩR，其中，ΩR是在样本S中力图分析的分子振动共振频率。这些脉冲例如是光谱宽度为几个cm-1的皮秒脉冲，或者可以是如以下将更详细地描述的频率啁啾脉冲。通常，脉冲序列例如包括以几十MHz(例如大约80MHz)的速率、约为一个微秒的时长发射的几皮秒的脉冲。
根据一个变体，发射源20包括由主激光器24和OPO(光学参量振荡器)激光器22组成的激光系统，主激光器24发射角频率ω2的脉冲序列12，OPO激光器22从主激光器接收适合于参数化产生OPO内的信号和空闲者的倍频脉冲11。这导致分别与空闲者和信号对应的可调谐角频率ω1和ω3的脉冲序列14和16。主激光器24直接发射的“激光”束12以及OPO激光器22发射的“空闲者”束14和“信号”束16可根据本描述直接被用在SRS成像中。具体而言，OPO的参数化产生机制是这样的，激光(ω2)、信号(ω3)和空闲者(ω1)脉冲的角频率遵守条件ω2-ω1＝ω3-ω2＝Ω，其中，Ω可通过改变OPO的参数而被设置为感兴趣的角频率ΩR。因此，脉冲12的波长约为1064nm，倍频脉冲13的波长约为532nm，空闲者和信号脉冲的波长分别可在大约1150至2450nm以及大约690至990nm之间调谐。当角频率ω1、ω2和ω3的三个脉冲序列14、12、16在样本中相互作用时，在激光/信号脉冲的相互作用中，信号束起到泵的作用，而激光束起到斯托克斯的作用，而在激光/空闲者脉冲的相互作用中，空闲者束起到斯托克斯的作用，而激光束起到泵的作用。
在图4中的示例中，在信号信道和空闲者信道中的每个中，延迟线(分别地，56和54)使得所述三个脉冲序列可在时间上同步，以确保这三个脉冲序列在样本中的时间重叠。
在图4中的示例中，以相同的调制频率、但是相位相反地对信号脉冲序列和空闲者脉冲序列进行振幅调制，使得可使角频率ω1和ω2的光脉冲序列以及角频率ω2和ω3的光脉冲序列在样本中交替地以调制频率相互作用。换句话说，在给定的时间段T内，只有角频率ω1和ω2的脉冲相互作用，在后一时间段中，只有角频率ω2和ω3的脉冲相互作用，时间段T由调制频率的倒数给出。信号脉冲序列和空闲者脉冲序列例如都由声光调制器(分别地，36、34)调制。频率f1(有利地高于1MHz，通常在1和40MHz之间)的声光调制器36的调制信号由低频发生器30递送。相同频率f1的声光调制器34的调制信号来自同一个源，但是通过电子延迟发生器32而产生相移，以使得信号脉冲序列和空闲者脉冲序列被相位相反地调制。
被相位相反地调制的(分别地，角频率ω1和ω3的)脉冲序列15和17例如通过二向色镜64、66与角频率ω2的激光脉冲序列组合，然后通过显微镜物镜42(例如在近红外域(～700-1300nm)中消色差的数值孔径NA＝0.45的显微镜物镜)而被聚焦到样本S中的公共聚焦体积上。具有较大数值孔径(例如，NA＝0.60)的物镜44使得从样本发出的脉冲序列可在不对它们产生阻隔的情况下被收集。从样本发出的角频率ω2的脉冲序列18然后被光学干涉滤光器48滤光，然后例如被在1064nm处敏感的光电二极管70检测。调制信号然后通过同步检测80而被检测，并且从同步检测发出的信号被处理装置90成形。同步检测装置例如可包括调制频率f1的模拟同步检测。可替代地，信号的同步检测可以数字地、经由对直接从光学检测发出的信号的数字处理来进行。有利地，在信号信道和空闲者信道中的每个中，放大倍率为1的望远镜(未示出)使得信号束和空闲者束之间的散度可被调整以便优化它们在物镜的焦点处的空间重叠。例如放大倍率为3的望远镜69使得激发束的直径可增大以便完全地填满物镜的后光瞳。在这种情况下，激发数值孔径是由物镜的制造商给予的数值孔径。信号束和空闲者束例如在它们的基本TEM00模式下被激发，以使得电场和磁场都垂直于这些信号的传播方向；三个激光束、信号束和空闲者束例如被以相同的偏振方向线性地偏振化，使得能够在均匀的介质中优化信号。
根据一个变体，电动载物台46使得样本可相对于脉冲序列的公共聚焦体积移动，以便形成用于将所述设备应用于SRS成像的、样本的图像。聚焦物镜和聚光物镜以及载物台46例如布置在显微镜40的本体中。可替代地，用于扫描激发束的系统可用于移动聚焦体积通过样本。在对于SRS成像的应用的示例中，处理装置90另外还使得寻求的典型信号被随着样本中的位置的变化进行提取以便产生图像。
关于所述设备对于光谱学或高光谱成像的应用，也可改变空闲者和信号的角频率ω1和ω3，使得SRS信号可被随着分子振动频率Ω的变化进行探测。处理装置90然后使得所寻求的表征信号被随着分子振动频率Ω的变化进行提取以形成光谱。
图5A至5C和图6例示说明根据本发明的变体的检测方法的原理，该检测方法例如由图4中所示的设备实现，并且该检测方法在本描述的其余部分中将被称为受激拉曼增益-相对-损耗检测(SRGOLD)方法。
图5A例示说明被表示为“状态a”的状态，在该状态下，角频率ω2的脉冲和角频率ω1的脉冲在时间段T内叠加。在该示例中，脉冲是短脉冲，例如，长度通常小于100ps的皮秒脉冲。图5B例示说明被表示为“状态b”的状态，在该状态下，角频率ω2的脉冲和角频率ω3的脉冲在同一个时间段T内叠加，但是与状态a交替。在该示例中，角频率ω2–ω1和ω3–ω2之间的差值被认为等于ΩR，其中，ΩR是样本的分子振动模式的共振角频率。凭借由图4中所示的设备实现的方法，如图5C所示，状态a和b在样本中以调制频率f1交替。
图6例示说明在角频率ω3和ω2的脉冲序列在样本中相互作用期间起作用的物理机制(“状态b”，列301：“SRG”)、在角频率ω1和ω2的脉冲序列相互作用期间起作用的物理机制(列302：“SRL”)、在相对于状态b相移180°的角频率ω1和ω2的脉冲序列相互作用期间起作用的物理机制(“状态a”，列303：“SROL”)、以及实现的检测(列304：“SRGOLD”)。
首先考虑未调制的激光脉冲序列(12，图4)(其强度用曲线310示意性地示为随着时间而变化)与角频率ω3的脉冲序列(该序列被以调制频率f1振幅调制(17，图4)，该序列的强度用曲线312示意性地示为随着时间而变化)的相互作用(列301)。在这些示意图中，仅示出了脉冲序列的包络。在该相互作用中，角频率ω3的脉冲(信号)起到泵的作用，而角频率ω2的激光脉冲起到斯托克斯的作用。后者在样本中相互作用之后看到以斯托克斯脉冲为代价的能量增益(SRG)，该增益在曲线314中用强度变化ΔISRG示意性地示出。曲线316和318例示说明分别由于交叉克尔效应和2-光子吸收而导致的伪像的效应。在该示例中，假定交叉克尔效应表现为导致激光脉冲的强度中的增益的聚焦效应，该增益被以调制频率f1调制。2-光子吸收表现为调制频率f1的、激光脉冲的强度中的损耗。
现在考虑未调制的激光脉冲序列(其强度用曲线320示意性地示为随着时间而变化)与角频率ω1的脉冲序列(该序列被以调制频率f1振幅调制，该序列的强度用曲线322示意性地示为随着时间而变化)的相互作用(列302)。在该相互作用中，角频率ω1的脉冲(空闲者)起到斯托克斯的作用，而角频率ω2的激光脉冲起到泵的作用。后者因此在样本中的相互作用之后看到在曲线324中用强度变化ΔISRL示意性地示出的能量损耗(SRL)。曲线326和328分别例示说明由于交叉克尔效应和2-光子吸收而导致的伪像的效应。如果角频率ω3的脉冲产生使激光脉冲聚焦的交叉克尔效应(曲线316)，则角频率ω1的脉冲也使激光脉冲聚焦，导致后者的强度中的增益，该增益被以调制频率f1调制(曲线326)。2-光子吸收如上表现为调制频率f1的、激光脉冲的强度中的损耗(曲线328)。因此，观察到，当角频率ω1和ω3的脉冲序列被同相地振幅调制时，所诱导的伪像也是同相的，而SRL和SRG调制的相位是相反的(比较曲线314和324)。
现在假设角频率ω2的激光脉冲序列(曲线330，列303)与角频率ω1的脉冲序列(该序列的振幅调制的相位与角频率ω3的脉冲序列的调制相反(曲线332，列303))相互作用。在这种情况下，激光脉冲序列的SRL调制(曲线334)与SRG调制(曲线314)是同相的，而由角频率ω1的脉冲序列诱导的伪像(曲线336、338)与由角频率ω3的脉冲序列诱导的那些伪像(曲线316、318)是反相的。根据本变体描述的方法(被取名为“受激拉曼增益-相对-损耗检测”的SRGOLD)，因此在于：相位相反地对角频率ω1和ω3的脉冲序列进行振幅调制(曲线342，列304)，以及通过调制频率的同步检测来检测对未调制的脉冲激光序列(曲线340)诱导的调制。在这些条件下，相位相反的伪像在同步检测期间抵消(参见曲线346、348和列304)并且消失。此外，SRL信号和SRG信号是同相的，并且在同步检测(曲线344)期间根据以下表达式相加：
ΔISRGOLD＝ΔISRG+ΔISROL
＝ΔISRG+ΔISRL×cos(180°)
通过忽略波长并且假定激发强度是相等的(入射在样本上的角频率ω1的脉冲的强度与角频率ω3的脉冲的强度相同)，可推断：
ΔISRGOLD≈2ΔISRG
图4中所示的检测设备10包括前向光学检测装置，并且激发束在该设备中的自由空间中传播。图7A至7D示意性地例示说明图4中所示的检测设备的若干个变体。示意图是部分的，仅示出了对理解有用的元件。
图7A示出与图4中的检测设备类似的检测设备。然而，为简单起见，没有示出所有元件。具体而言，方框36表示使得角频率ω1的脉冲序列可被以调制频率f1进行振幅调制的模块，方框34表示使得角频率ω3的脉冲序列可被以调制频率f1、与角频率ω1的脉冲序列的调制相位相反地进行振幅调制的模块。在描述的其余部分中，频率f1的相位相反的调制用“-f1”表示。
图7B示出图7A中所示的设备的变体的部分示意图，在该设备中，在后向(或“epi”)模式下进行光学检测。在该配置中，聚焦物镜42还充当聚光物镜，被检测信号是被样本向后散射的信号。在该变体中，除了快速检测器70之外，光学检测装置还可包括使得角频率ω2的脉冲序列可被反射的半镶银二向色板65。凭借根据本描述的检测方法，伪像(尤其是由2-光子吸收和光学交叉克尔效应(其在充当SRS信号的聚光物镜的物镜42中诱导调制的阻隔效应)导致的伪像)的效应如以上所说明的那样被抑制，而有用的SRS信号成倍增加。
图7C示出图7A中所示的设备的变体的部分示意图，在该设备中，至少部分地，在光纤模式下进行激发束12、15、17的传播。在例如光学显微镜学应用中，尤其是由于光学组件的体积巨大并且为了易于调整光学组件的原因，寻求在所述设备中经由光纤传播光束。在图7C中所示的示例中，通过位于聚焦物镜42的上游的光纤60来进行激发束的传播。光纤例如是单模光纤。物镜61和63分别使得激发束可在光纤的入口和出口处耦合。本说明书中所描述的检测方法因此使得不仅可限制如上所述的由样本中的激发束的相互作用导致的伪像的效应，而且还可限制由光纤60中的非线性效应导致的可能的测量伪像。具体而言，由于在光纤中传播的光强度，非线性效应(例如退化四波混合或交叉克尔效应)可能出现在光纤本身中，并且由于与如以上所说明的原因相同的原因，使激光脉冲以调制频率f1耗尽，从而产生测量伪像。通过以相同的频率、但是相位相反地对角频率ω1和ω3的脉冲序列进行调制，并且通过使用同步检测来检测角频率ω2的信号，由光纤中的非线性效应产生的伪像也被抑制。
图7D示出图7A中所示的设备的变体的部分示意图，在该设备中，至少部分地在光纤模式下进行激发束12、15、17的传播，并且在内窥镜检测模式下进行光学检测。这里，样本S例如对应于生物介质的深层。在后向(或epi)模式下进行检测。被样本向后散射的、角频率ω2的感兴趣的非线性光学信号在通过光纤60之后通过二向色镜被传送到快速检测器70。在该检测模式下，除了被充当SRS信号的聚光物镜的物镜42阻隔之外，该信号可能还被光纤60阻隔。根据本描述的方法使得可克服所有这些伪像，包括由光纤的阻隔导致的那些伪像。
图8A至8C示出旨在验证用诸如图4中所示的设备对非散射样本实现的检测方法的第一实验结果。
图8A示出用氯苯容器获得的三个光谱，这些光谱被生成在960和1120cm-1之间。为了确保由于交叉克尔效应导致的伪像效应被观察到，在检测器的上游布置隔膜，该隔膜被关闭以使得角频率ω2的激光脉冲的强度的50％被切除。曲线501、502、503分别示出使用SRG、SROL和SRGOLD模式生成的光谱。更确切地说，SRG模式曲线是通过切除角频率ω1的脉冲序列而获得的，SROL模式曲线是通过切除角频率ω3的脉冲序列而获得的，SRGOLD模式曲线是通过使角频率ω1、ω2和ω3的脉冲序列在液体容器中相互作用而获得的，角频率ω1、ω3的脉冲序列被相位相反地进行振幅调制。关于这些实验，在组合器66(图4)之后测量的激光脉冲序列的平均光学功率被设置为90mW，角频率ω1和ω3的脉冲序列的平均光学功率被设置为50mW，以使得由角频率ω1的脉冲产生的并且被认为是伪像的主要分量的交叉克尔效应完全抵消由角频率ω3的脉冲产生的交叉克尔效应。可通过使SRGOLD信号偏共振归零(例如，Ω＝960cm-1)来进行该调整。从曲线501可看出，通过以频率f1对由激光脉冲序列(ω2)和信号脉冲序列(ω3)(后一序列被以频率f1进行振幅调制)之间的相互作用导致的SRS信号进行同步检测而获得的SRG光谱包含与交叉克尔效应对应的寄生负效应，克尔效应在这里表现为使激光束散焦的效应。如所预计的，通过以频率f1对由激光脉冲序列(ω2)和空闲者脉冲序列(ω1)(后一序列被以频率f1、但是相位相反地进行振幅调制)之间的相互作用导致的SRS信号进行同步检测而获得的SRG光谱(曲线502)包含由于交叉克尔效应导致的、与在SRG配置中观察到的符号相反的符号的偏移。在SRGOLD模式(曲线503)下，以频率f1对激光信号进行同步检测使得由于交叉克尔效应而导致的、具有相反符号并且在整个光谱范围上抵消的伪像的效应可被抑制。这些实验使得可确认，通过如此描述的SRGOLD方法，可完全抑制均匀介质中的交叉克尔效应。
图8C示出验证上述SRGOLD方法的图片。关于这些实验，在共振(Ω＝1003cm-1)和偏共振(Ω＝930cm-1)下拍摄诸如图8B中所示的样本的一系列图像，该样本包含浸没在折射率液411中的20μm直径的聚苯乙烯珠413，折射率液411具有1.54的折射率，位于两个载玻片410、412之间。该实验如以上那样在隔膜被定位在检测器的上游并且被部分关闭以便最大化交叉克尔效应的检测的情况下进行。激光脉冲序列的平均光学功率约为160mW，信号脉冲(角频率ω3)的平均光学功率约为70mW。通过将空闲者脉冲序列(角频率ω1)的平均光学功率调整为大约30mW来最小化液体上的伪像。图8C示出与用未调制激光束(514)拍摄的图像相比的、分别在SRG(511)、SROL(512)和SRGOLD(513)模式下共振的聚苯乙烯珠的图像。图8C示出这些相同的图像偏共振(分别地，图像521至524)。“激光”图像是使得噪声可被评估的参考图像，该图像通过切除角频率ω1、ω3的脉冲序列而获得。伪像在共振和偏共振下都清晰地存在于SRG和SROL测量中，这些伪像具有相反的符号。在共振下，在SRGOLD图像中，液体的贡献消失，并且来自珠的SRS信号比在SRG图像和SROL图像中更强(两个贡献被累加)。偏共振，可看出，相对于SRG图像和SROL图像而言，伪像相当大地减小。液体的贡献完全消失。对于珠，只测量到少量的残留伪像(相对于SRG图像的伪像而言<10％)。
图9A至9D示出对于其特性更接近生物组织的特性的散射样本获得的实验结果。
图9A示出与图8B中的样本相同、除了提供有散射体414之外，例如，一条胶带被放置在包含浸没在折射率液中的聚苯乙烯珠的容器上。这次隔膜不存在于设备中，并且聚光物镜44的数值孔径被选为高于聚焦物镜42的数值孔径。图像505和506(图9B)分别示出在不存在散射体时以及在存在散射体时激光束的在聚光物镜的后光瞳处获得的图像。虚线白色圆圈指示物镜的光瞳的大小。在不存在散射体时，激光束不被阻隔，因为收集数值孔径高于激发数值孔径。相反，散射体的存在使从样本激发的激光束的角光谱变宽。聚光物镜的光瞳于是起到隔膜的作用。因此，能量中的一些(大约12.5％)被阻挡。图9C和9D示出关于SRG、SROL、SRGOLD和激光配置的、在共振(531至534)和偏共振(541至544)下的、聚苯乙烯珠的图像。为了获得这些图像，功率约为50mW(激光)、50mW(空闲者)和60mW(信号)。色标被选为突出伪像。SRG(531、541)图像和SROL(532、542)图像显现出由于样本的散射而导致的交叉克尔效应的检测。如在以上实验中那样，在SRGOLD图像(533、543)中可看出，液体的贡献消失，并且珠偏振的贡献大大地降低。
应当指出，这里研究的拉曼线(Ω＝1003cm-1)相对于伪像是极其强烈的。图9F示出对于与以上相同的散射样本、在Ω＝1034cm-1(图像551至554)下以及在Ω＝1041cm-1(图像561至564)下拍摄的一系列50μm×50μm图像。后一频率相对于拉曼线在1034cm-1处的最大值略微偏移(参见图9E中所示的聚苯乙烯的拉曼光谱510)，因此使得与伪像相当的强度的拉曼线的情况可被模拟。关于这个频率，因为测量由交叉克尔效应主导，所以SRG图像和SROL图像(561、562)中的聚苯乙烯珠的对比度低。相反，珠在SRGOLD图像(563)中具有良好的对比度，因为伪像减小并且SRS信号比SRG图像或SROL图像的SRS信号大约强两倍。应当指出，各种图像被由于激光束而导致的噪声以及由于电子噪声而导致以相同量污染。
图10A至10C示出凭借根据本变体描述的SRGOLD方法对生物组织获得的第一结果。生物组织是鼠皮(20μm厚的样本)。图10A示出被研究区域的白光图像。对伪像的补偿在白光图像中被表示为0的点处偏共振(1550cm-1)地进行。该点是任意选择的。平均光学功率约为33mW(激光)、40mW(空闲者)和86mW(信号)。图10B示出酰胺光谱范围(1350-1700cm-1)内的SRG(911、912)、SROL(912、922)、SRGLOD(913、923)光谱以及激光参考(914、924)，这些光谱分别是在白光图像上所指示的点1和2处测量的。在两种情况下，SRG测量和SROL测量在偏共振频率(大约1550cm-1)下是相反的符号，从而确认伪像的存在。在SRGOLD光谱中，伪像的影响降低。
图10C示出对于各种配置：SRG、SROL、SRGOLD和激光、在II酰胺的共振(1450cm-1)和偏共振(1550cm-1)下拍摄的图像(分别地，被表示为共振下的571至574以及偏共振的581至584的曲线)。成像的区域在图10A中所示的白光图像中用虚线指示。在共振下，难以识别SRG(571)图像和SROL(572)图像中的结构，而在SRGOLD图像(573)中可看到类似于白光图像的结构。偏共振，总的说来，SRGOLD图像(583)具有比SRG图像和SROL图像更好的调零信号。这些实验显示出在生物组织中散射对SRS测量的影响。SRGOLD技术使得可获得更好的空间和光谱对比度以及更好的特异性。
通过图4或7A中的设备描述的方法具有实现简单的优点，因为可以对光学信号(角频率ω2的脉冲序列)进行调制频率的同步检测，并且该实现使用常见的市售的组件。
图11A和11B例示说明图4和7A中所示的设备的两个变体。图12A和12B示出分别例示说明图11A和11B中所示的设备的示例实现中的检测的信号(SRS信号和伪像)的表。
在图11A中的示例中，角频率ω1的脉冲序列14(空闲者)和ω3的脉冲序列16(信号)被以彼此不是倍数的独立的调制频率f2和f1进行振幅调制，以便形成调制脉冲序列15、17。角频率ω2的脉冲序列12(激光)不被调制。因此，一方面角频率ω2和(调制的)ω1的脉冲序列以及另一方面角频率ω2和(调制的)ω3的脉冲序列在样本中相互作用。如上，从样本发出的角频率ω2的脉冲被检测到。在激光/信号脉冲相互作用期间，如图12A的列601所示，所涉及的过程是SRG过程。曲线610示出未调制的激光脉冲序列，曲线612示出角频率ω3的脉冲序列，该序列被以频率f1调制。在这些曲线中，仅示出了脉冲序列的包络。由这两个脉冲序列的相互作用导致的SRS信号显现出被以调制频率f1调制(曲线614)的正的强度变化ΔISRG。伪像(由克尔效应导致的贡献被假定是占优势的)显现出被以相同的调制频率f1调制(曲线616)并且被假定为正的强度变化ΔIArtifacts。因此，通过调制频率f1的同步检测，获得信号ΔI(f1)，该信号使得：
ΔI(f1)＝ΔISRG+ΔIArtifacts
而且，在激光/空闲者脉冲相互作用期间，如图12A的列602所示，所涉及的过程是SRL过程。曲线620示出未调制的激光脉冲序列，曲线622示出角频率ω1的脉冲序列，该序列被以频率f2调制。由这两个脉冲序列的相互作用导致的SRL信号显现出被以调制频率f2调制(曲线624)的负的强度变化-ΔISRL。伪像显现出被以相同的调制频率f2调制(曲线626)并且具有与由于SRG过程中的伪像而导致的强度变化相同的符号的强度变化ΔIArtifacts。通过调整入射在样本上的脉冲序列的平均光学功率，可在SRG和SRL两个过程中获得相同值的强度变化ΔIArtifacts。因此，通过调制频率f2的同步检测，获得信号ΔI(f2)，该信号使得：
ΔI(f2)＝-ΔISRL+ΔIArtifacts
从调制频率f1的同步检测和调制频率f2的同步检测发出的信号的电子处理然后使得可通过减法来获得放大的有用的SRS信号，而由于伪像而导致的信号取消。该方法还可用于通过将从同步检测发出的信号相加来确定伪像对总信号做出的贡献，使得可获得另一条对比度信息。
图11B示出另一个变体，在该变体中，角频率ω1的脉冲序列14(空闲者)和角频率ω3的脉冲序列16(信号)不被调制，角频率ω2的脉冲序列12(激光)改为被以频率f进行振幅调制。因此，一方面角频率ω1和(调制的)ω2的脉冲序列以及另一方面角频率ω3和(调制的)ω2的脉冲序列在样本中相互作用。与上述方法相反，在该实施方式中，一方面是从样本发出的角频率ω1的脉冲，另一方面是从样本发出的角频率ω2的脉冲被检测。因此，检测装置包括由二向色镜68分隔的两个信道。在第一信道中，滤光器47仅允许角频率ω1的脉冲被传送，这些脉冲通过快速光学检测器71被检测。在第二信道中，滤光器49允许角频率ω3的脉冲被传送，这些脉冲也通过快速光学检测器72被检测。在每个信道中，以调制频率f进行从光学检测器发出的信号的同步检测。在激光/信号脉冲在样本中相互作用期间，如图12B的列701所示，所涉及的过程是SRL过程。曲线710示出未调制的角频率ω3的脉冲序列，曲线712示出激光脉冲序列，后一序列被以频率f调制。对角频率ω3的脉冲(泵)测量的、由这两个脉冲序列相互作用导致的SRL信号显现出被以调制频率f调制(曲线714)的负的强度变化-ΔISRL。如上，伪像显现出被以相同的调制频率f调制(曲线716)的强度变化ΔIArtifacts。因此，通过调制频率f的同步检测，获得信号ΔI(A)，该信号使得：
ΔI(A)＝-ΔISRL+ΔIArtifacts
而且，在激光/空闲者脉冲相互作用期间，如图12B的列702所示，所涉及的过程是SRG过程。曲线720示出角频率ω1的脉冲序列，该序列未被调制，曲线722示出角频率ω2的激光脉冲序列，该序列被以频率f调制。这次，从角频率ω1的(斯托克斯)脉冲测量的、由这两个脉冲序列的相互作用导致的SRG信号显现出被以调制频率f调制(曲线724)的正的强度变化ΔISRG。伪像显现出被以相同的调制频率f调制(曲线726)并且其符号与由于SRL过程中的伪像而导致的强度变化相同的强度变化ΔIArtifacts。如上，通过调整入射在样本上的脉冲序列的平均光学功率，可在SRG和SRL两个过程中获得相同值的强度变化ΔIArtifacts。因此，通过调制频率f的同步检测，获得信号ΔI(B)，该信号使得：
ΔI(B)＝ΔISRG+ΔIArtifacts
从每个信道中的调制频率f的同步检测发出的信号的电子处理然后使得可通过减法来获得放大的有用的SRS信号，而由于伪像而导致的信号取消。该方法还可用于通过将从同步检测发出的信号相加来确定伪像对总信号做出的贡献。
直到现在描述的示例实现了一个或两个脉冲序列的振幅调制。根据本描述的方法还可通过在角频率ω2的激光脉冲序列与角频率ω1和ω3的脉冲序列之间引入的时间延迟的调制来实现。
图13示出实现时间延迟调制的SRS检测设备的示例实施方式。图14A至14C示意性地示出该示例中的样本中的相互作用，图15示出例示说明图13中所示的设备的示例实现中的检测的信号(SRS信号和伪像)的表。
在图13中的设备中，延迟线58被布置在角频率ω1和ω3的脉冲序列共用的信道中。可替代地，该延迟线可被安置在激光脉冲(角频率ω2)的信道中。如通过图14A和14B所说明的，该延迟线使得以调制频率f1调制的时间延迟可被引入在角频率ω1和ω3的脉冲与角频率ω2的脉冲之间。该延迟线使得变化可被引入到光路中。该光路中的变化可在两个位置之间机械地获得。可替代地，该延迟线可包括在两个角度之间交替以便产生两个光路长度的声光偏转器。通过调整特定于每个空闲者信道和信号信道的延迟线(参见例如图4中的延迟线54、56)，在角频率ω1和ω3的脉冲之间引入所设置的2τ的延迟。延迟线58(图13)的调制使得调制频率f1的在+/-Δt之间变化的时间延迟被引入，以使得角频率ω2和ω3的脉冲在样本中在时间段T内叠加(状态a，图14A)并且频率ω1和ω2的脉冲(状态b，图14B)在后一时间段T中叠加，状态a和b以调制频率f1交替(图14C)。角频率ω2的激光脉冲的同步检测然后使得表征样本的分子振动共振的信号可被确定。在状态a(列801，图15)下，角频率ω2的脉冲(曲线810)和角频率ω3的脉冲(曲线814)在时间上叠加，而角频率ω1的脉冲(曲线812)在时间上偏移；结果，曲线816中所示的激光脉冲进行SRG过程。再一次，在该示例中，假定伪像主要是由于交叉克尔效应导致的，并且表现为正信号(曲线818)。在状态b(列802，图15)下，角频率ω2的脉冲(曲线820)和角频率ω1的脉冲(曲线822)叠加，而角频率ω3的脉冲(曲线824)在时间上偏移；结果，曲线826中所示的激光脉冲经过SRL过程。再一次，伪像表现为正信号(曲线828)。如上，调整入射在样本上的脉冲序列的平均光学功率使得由于SRG和SRL过程中的伪像而导致的信号可变成相等的，例如通过如以上所说明的那样使SRGOLD信号偏共振归零。因此，在以调制频率f1对从样本发出的角频率ω2的脉冲(列803，图15)进行同步检测期间，伪像取消(曲线838)，而有用的SRS信号增大(曲线836)。在图15中，曲线830、832和834示意性地例示说明上述SRGOLD过程的这个变体。角频率ω2的脉冲序列被连续地发射(曲线830)，而角频率ω1和ω3的脉冲序列经受调制的时间延迟(曲线832、834)。应该指出，延迟线的布置的变体是可能的。如图13中的情况那样，可在ω1和ω3脉冲共用的信道中提供延迟线，或者在角频率ω2的脉冲的信道中提供延迟线。在这种情况下，特定于每个空闲者/信号信道的延迟线使得角频率ω1和ω3的脉冲之间的延迟2τ可被调整。可替代地，延迟线可被特定地布置在每个空闲者/信号信道中，在这些信道中的每个中，在τ-Δt和τ+Δt之间调制的时间延迟用于一个信道。
尽管图11A、11B和13中的示例中所用的光学检测是前向模式检测，但是可使用诸如以上通过图7B和7D所示的后向模式(epi模式)或内窥镜模式光学检测。这些设备也可以至少部分是光纤。
图16至20更详细地例示说明在脉冲是频率啁啾脉冲的情况下的根据本描述的方法的变体的实现。
图16A和16B是例示说明扩展光谱脉冲序列源的示例实施方式的示意图。该源例如包括通常产生长度短于200fs的脉冲的超短脉冲OPO源20，其包括主激光器24(例如，Nd:YVO激光器)和OPO激光器22，主激光器24发射1064nm的脉冲12，OPO激光器22从主激光器接收大约532nm的倍频脉冲11。OPO激光器通过光学参数化振荡发射角频率ω1的空闲者脉冲14以及角频率ω3的信号脉冲16。在激光信道、信号信道、空闲者信道中的每个中，时间分散线(分别地，52、53、51)使得超短脉冲(其长度通常短于100皮秒，例如长度为几皮秒)可扩展到时间上较长的脉冲中，所述超短脉冲的角频率在中心角频率周围与时间成线性地变化。因此，图16B例示说明通过OPO输出的脉冲。如所知道的，时间分散线可包括色散材料，并且例如是玻璃棒或棱镜或光栅压缩器。
图17A至17C例示说明当脉冲是扩展光谱脉冲时，根据本描述的方法的基于振幅调制的实现中的样本中的相互作用。与图5A至5C相比，每个脉冲显现出随着时间而变化的线性角频率梯度。然而，SRGOLD方法的实现不变。具体而言，脉冲序列在样本中交替地以给定的调制频率相互作用。将观察到，在每个时间点，遵守条件ω2-ω1＝ω3-ω2＝ΩR，其中，ΩR是样本的分子振动共振频率，使得根据本描述的方法可被实现。在该示例中，可引入一方面角频率ω1和ω2的脉冲与另一方面角频率ω2和ω3的脉冲之间的相同的时移，以使得可探测到分子振动共振频率，脉冲之间的少量时移等于脉冲之间的角频率差的变化。
图18A至18C例示说明当脉冲是扩展光谱脉冲时，根据本描述的方法的基于时间延迟调制的实现中的样本中的相互作用。这里再次，尤其是关于图13至15描述的方法适用于频率啁啾脉冲。在使用频率啁啾脉冲的情况下，也可通过调整时间延迟来修改感兴趣的振动共振频率，尤其是关于光谱学或高光谱成像应用。在图18A和18B中，时间延迟被在两个值-Δt1和+Δt1之间调制。这对应于一方面角频率ω1和ω2与另一方面角频率ω2和ω3之间的差值Ω1。在图19A至19C中，示出了相同的脉冲，但是时间延迟的调制在两个值-Δt2和+Δt2之间，对应于一方面角频率ω1和ω2与另一方面角频率ω2和ω3之间的差值Ω2。因此，改变时间延迟使得振动共振的光谱可被探测到。
图20示出根据本发明的另一个示例的、实现时间延迟调制和扩展光谱脉冲的SRS检测设备的示例实施方式。在该示例中，脉冲序列发射源20发射超短脉冲序列，这些超短脉冲序列通过拉伸器52而被时间扩展以便形成以角频率ω2为中心的频率啁啾脉冲序列。所述设备还包括二向色分束器67，其使得一方面以角频率ω2为中心的脉冲和另一方面分别以角频率ω1和ω3为中心的脉冲可被分离。例如通过例如参照图13描述的延迟线58，角频率ω2的脉冲序列与角频率ω1和ω3的脉冲序列之间的时间延迟调制于是是可能的。可对SRS信号的检测实现相同的同步检测方法。
图21A至21C例示说明图20的示例中的样本中的相互作用。如图18A至18C所示，调制发生在与角频率ω2的脉冲与角频率ω1和ω3的脉冲之间的+/-Δt的时间延迟对应的状态a和状态b之间。再一次，在该示例中，观察到，改变时间延迟Δt使得感兴趣的振动共振Ω的角频率可被异常容易地修改。
尽管通过若干个详述的示例实施方式进行了描述，但是根据本发明的检测设备和方法包括对于本领域技术人员将显而易见的各种变体、修改和改进，要理解这些变体、修改和改进落在诸如由权利要求限定的本发明的范围内。

Claims (19)

1.一种用于检测在样本中诱导的受激拉曼散射(SRS)类型的共振非线性光学信号的设备，所述设备包括：
-电光装置，所述电光装置用于在所述样本中使角频率ω1和ω2的光脉冲序列(14、12)以第一调制频率相互作用并且使角频率ω2和ω3的光脉冲序列(12、16)以第二调制频率相互作用，以使得ω2-ω1＝ω3-ω2＝ΩR，其中，ΩR是所述样本的分子振动共振角频率；
-装置(70、80)，所述装置用于以所述第一调制频率和所述第二调制频率对由所述样本中的所述光脉冲的相互作用导致的非线性光学信号进行同步检测；以及
-电子处理装置(80)，所述电子处理装置使得可从由所述同步检测导致的电子信号获得表征所述样本的分子振动共振的信号。
2.根据权利要求1所述的设备，其中，所述电光装置包括：用于发射角频率ω1、ω2和ω3的脉冲序列的光源(20)；以及用于分别以所述第一调制频率和所述第二调制频率对角频率ω1和ω3的脉冲序列进行振幅调制的装置。
3.根据权利要求2所述的设备，其中，所述电光装置包括用于以相同的调制频率、但是相位相反地对角频率ω1和ω3的脉冲序列进行振幅调制的装置(32、34、36)。
4.根据权利要求2所述的设备，其中，所述电光装置包括用于以彼此不是倍数的两个独立的调制频率对角频率ω1和ω3的脉冲序列进行振幅调制的装置(34、36)。
5.根据权利要求1所述的设备，其中，所述第一调制频率和所述第二调制频率是相同的，并且所述电光装置包括：用于发射角频率ω1、ω2和ω3的脉冲序列的光源(20)；以及用于以所述调制频率对角频率ω2的脉冲序列进行振幅调制的装置(38)。
6.根据权利要求1所述的设备，其中，所述第一调制频率和所述第二调制频率是相同的，并且所述电光装置包括：用于发射角频率ω1、ω2和ω3的脉冲序列的光源(20)；以及至少一个延迟线(58)，所述延迟线使得可在角频率ω1和ω3的脉冲序列与角频率ω2的脉冲序列之间产生以所述调制频率调制的时间延迟。
7.根据权利要求1所述的设备，其中，所述电光装置包括用于发射分别以角频率ω1、ω2和ω3为中心的频率啁啾脉冲序列的光源(20、51-53)。
8.根据权利要求7所述的设备，其中，所述发射光源还包括延迟线，所述延迟线使得可以以使所述样本的检测到所述非线性光学信号的分子振动共振频率变化的方式，在一方面角频率ω1和ω2的脉冲与另一方面角频率ω2和ω3的脉冲之间产生相同的时移。
9.根据权利要求6所述的设备，其中，所述电光装置包括用于发射分别以角频率ω1、ω2和ω3为中心的频率啁啾脉冲序列的光源(20、51-53)，其中，所述发射光源包括：以角频率ω2为中心的频率啁啾脉冲序列的发生器(20、50)；以及二向色分束器(67)，所述二向色分束器使得可分离一方面以角频率ω2为中心的脉冲和另一方面分别以角频率ω1和ω3为中心的脉冲。
10.根据前面的权利要求中任一项所述的设备，其特征在于，所述电光装置至少部分是光纤。
11.一种用于检测在样本中诱导的受激拉曼散射(SRS)类型的共振非线性光学信号的方法，包括：
-在所述样本中使角频率ω1和ω2的光脉冲序列以第一调制频率相互作用并且使角频率ω2和ω3的光脉冲序列以第二调制频率相互作用，以使得ω2-ω1＝ω3-ω2＝ΩR，其中，ΩR是所述样本的分子振动共振角频率；
-以所述第一调制频率和所述第二调制频率对由所述样本中的所述光脉冲的相互作用导致的非线性光学信号进行同步检测；以及
-进行使得可从由所述同步检测导致的电子信号获得表征所述样本的分子振动共振的信号的电子处理。
12.根据权利要求11所述的方法，包括：发射角频率ω1、ω2和ω3的脉冲序列，并且分别以所述第一调制频率和所述第二调制频率对角频率ω1和ω3的脉冲序列进行振幅调制。
13.根据权利要求12所述的方法，其中，以相同的调制频率、但是相位相反地对角频率ω1和ω3的脉冲序列进行振幅调制。
14.根据权利要求12所述的方法，其中，以彼此不是倍数的两个独立的调制频率对角频率ω1和ω3的脉冲序列进行振幅调制。
15.根据权利要求11所述的方法，其中，所述第一调制频率和所述第二调制频率是相同的，所述方法包括：发射角频率ω1、ω2和ω3的脉冲序列，并且以所述调制频率对角频率ω2的脉冲序列进行振幅调制。
16.根据权利要求11所述的方法，其中，所述第一调制频率和所述第二调制频率是相同的，所述方法包括：发射角频率ω1、ω2和ω3的脉冲序列，并且在角频率ω1和ω3的脉冲序列与角频率ω2的脉冲序列之间产生以所述调制频率调制的时间延迟。
17.根据权利要求11至16中的任一项所述的方法，其中，所述脉冲是分别以角频率ω1、ω2和ω3为中心的频率啁啾脉冲。
18.根据权利要求17所述的方法，还包括：以为了检测表征所述样本的另一个分子振动共振频率的非线性光学信号的方式，在一方面角频率ω1和ω2的脉冲与另一方面角频率ω2和ω3的脉冲之间产生相同的时移。
19.根据从属于权利要求16时的权利要求17所述的方法，包括：产生以角频率ω2为中心的频率啁啾脉冲序列，并且将所述脉冲分离为一方面以角频率ω2为中心的脉冲和另一方面分别以角频率ω1和ω3为中心的脉冲。
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