CN106990089A - 同步降频的相干反斯托克斯拉曼散射成像系统及成像方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种同步降频的相干反斯托克斯拉曼散射成像系统，具有这样的特征，包括：光源产生装置，用于产生高重频光梳；同步降频装置，与光源产生装置连接，用于同步高重频光梳并降低高重频光梳的频率，输出第一波长低重频光梳；光参量转换装置，与同步降频装置连接，用于将第一波长低重频光梳转换成含有第一波长低重频光梳以及第二波长低重频光梳的混合低重频光梳并输出；以及成像装置，与光参量转换装置连接，用于对混合低重频光梳进行聚焦，并对待测样品进行相干反斯托克斯拉曼散射成像。本发明采用同步降频的方式使得引入的噪声低，不仅提高了成像的精度和稳定性，而且减少两激光源之间的误差，提高系统集成度、提升系统稳定性。

Description

同步降频的相干反斯托克斯拉曼散射成像系统及成像方法

技术领域

本发明涉及一种激光光谱技术领域，具体涉及一种同步降频的相干反斯托克斯拉曼散射成像系统及成像方法。

背景技术

21世纪是生物学的世纪，随着技术的不断发展，生命科学已经成为21世纪最为活跃的学科之一，对于疾病早期诊断的方法和工具的研究，也随之成为该学科的前沿领域。对于医学上的很多研究，尤其是揭示生物体的分子组份和各个组份之间的相互作用对生命过程的影响来说，光谱学是一种非常有效的研究手段。在生命科学研究中普遍使用的溶剂或生物样品中的水成分，对红外吸收光谱技术中所使用的波长较长的激发光具有较强的吸收，采用拉曼光谱的方式，可以避免上述问题，逐渐发展成为散射光谱学中最为重要的一种技术。现阶段，在拉曼光谱技术研究中，为了有效提高信号强度、缩短数据采集时间、降低所需激发光功率、抑制背景噪声和优化整体系统，将相干反斯托克斯拉曼散射(CARS)这一非线性光学过程与微弱信号探测和光学显微技术相结合，实现了基于CARS原理的光谱探测和显微成像技术。

但是，在实际临床应用中，由于产生非线性散射过程需要两束时间上同步、空间上重合、光谱上匹配特定能级间隔的超短脉冲光源，通常采用两台主动同步的固体超快光源或者一台固体超快光源与一个参量转换模块，这样不但费用昂贵，而且增加了操作难度，如同步系统的误差会影响最终光谱成像的精度，两台超快光源自身的载波包络相位抖动会引入光谱探测的误差，固体超快系统对散热要求高、环境抖动敏感、光路准直繁琐等。

近十几年来光学频率梳技术在频标计量及前沿基础物理研究领域发挥了巨大作用。光学频率梳之所以能够应用到光谱学研究中，得益于其频域上整齐分布的一系列光谱谱线，这些光谱谱线的间距相等，数量众多，光谱范围大，是进行光谱分析的天然精密“刻线”，而每个“刻线”宽度都极其窄细，这也为获得高的光谱分辨率打下基础。已有文献报道类似于傅里叶变换光谱仪的双光梳光谱仪的测量原理。该测量技术采用两束有微小差别的高重频光梳分别作为探测光和参考光，最终通过光频梳拍频得到时域信号。这一系统具有超高分辨率和实时性两大特点，可用于环境监测中对大气污染气体的检测，医学上对呼吸气体的检测，以及在半导体制造中对不纯气体的检测等。而在光纤光梳CARS系统中，如果采用高重频光梳作探测光，由于能量较低，非线性效应受到限制，探测灵敏度难以提高，而继续提高平均功率很容易造成生物样品的光致损伤，违背了无损探测的初衷。

发明内容

本发明是为了解决上述问题而进行的，目的在于提供同步降频的相干反斯托克斯拉曼散射成像系统及成像方法，用于对待测样品进行相干反斯托克斯拉曼散射成像。

本发明提供了一种同步降频的相干反斯托克斯拉曼散射成像系统，具有这样的特征，包括：光源产生装置，用于产生高重频光梳；同步降频装置，与光源产生装置连接，用于同步高重频光梳并降低高重频光梳的频率，输出第一波长低重频光梳；光参量转换装置，与同步降频装置连接，用于将第一波长低重频光梳转换成含有第一波长低重频光梳以及第二波长低重频光梳的混合低重频光梳并输出；以及成像装置，与光参量转换装置连接，用于对混合低重频光梳进行聚焦，并对待测样品进行相干反斯托克斯拉曼散射成像，其中，同步降频装置具有：第一分束器，用于对高重频光梳进行分束得到第一高重频光梳以及第二高重频光梳；光电探测器，与第一分束器连接，对第二高重频光梳进行提取得到初始载波信号以及初始开关信号；载波信号滤波放大模块，用于对初始载波信号进行滤波、放大得到载波信号；开关信号滤波放大模块，用于对初始开关信号进行滤波、放大得到开关信号；混频器，用于对载波信号以及开关信号进行混频得到混频信号；滤波放大模块，用于对混频信号进行滤波、放大得到驱动信号；声光调制器，根据驱动信号将第一高重频光梳调制为第一波长低重频光梳进行输出，光参量转换装置具有：二向色模块，用于耦合第一波长低重频光梳与第二波长低重频光梳；非线性光纤，用于对耦合后的第一波长低重频光梳进行频率转换，产生第二波长低重频光梳；第二分束器，用于将频率转换后的第一波长低重频光梳与第二波长低重频光梳进行分束，输出包含部分第一波长低重频光梳以及部分第二波长低重频光梳的混合低重频光梳；延时光纤，与第二分束器连接，用于将另一部分第一波长低重频光梳以及另一部分第二波长低重频光梳提供给二向色模块。

在本发明提供的同步降频的相干反斯托克斯拉曼散射成像系统中，还可以具有这样的特征：其中，成像装置包括光纤准直器、用于聚焦混合低重频光梳的聚焦物镜、滤波器以及成像元件。

在本发明提供的同步降频的相干反斯托克斯拉曼散射成像系统中，还可以具有这样的特征：其中，载波信号滤波放大模块具有滤波器以及放大器。

在本发明提供的同步降频的相干反斯托克斯拉曼散射成像系统中，还可以具有这样的特征：其中，开关信号滤波放大模块具有分频器、滤波器以及放大器。

在本发明提供的同步降频的相干反斯托克斯拉曼散射成像系统中，还可以具有这样的特征：其中，二向色模块为二向色滤光片或波分复用器。

本发明还提供了上述的同步降频的相干反斯托克斯拉曼散射成像系统的成像方法，其特征在于，包括：采用光源产生装置产生高重频光梳作为激光源；采用第一分束器对高重频光梳进行分束，得到第一高重频光梳以及第二高重频光梳；采用光电探测器对第二高重频光梳进行提取得到初始载波信号以及初始开关信号；采用载波信号滤波放大模块对初始载波信号进行滤波放大得到载波信号；

采用开关信号滤波放大模块对开关信号进行滤波放大得到开关信号；采用混频器对载波信号以及开关信号进行混频得到混频信号；采用滤波放大模块对混频信号进行滤波放大得到驱动信号；采用声光调制器根据驱动信号将第一高重频光梳调制成第一波长低重频光梳输出；采用二向色模块对第一波长低重频光梳与第二波长低重频光梳进行耦合；采用非线性光纤对耦合后的第一波长低重频光梳进行频率转换，产生第二波长低重频光梳；采用第二分束器对频率转换后的低重频光梳与第二波长低重频光梳进行分束，输出包含部分第一波长低重频光梳以及部分第二波长低重频光梳的混合低重频光梳；采用延时光纤将另一部分第一波长的低重频光梳以及另一部分第二波长低重频光梳提供给二向色模块；以及采用成像装置将混合低重频光梳聚焦到待测样品上并待测样品进行成像。

发明的作用与效果

根据本发明所涉及的同步降频的相干反斯托克斯拉曼散射成像系统及其成像方法，利用同步降频模块实现光梳光源的重频改变，这样不仅使得引入的噪声低、幅度噪声小，而且降频后光梳脉冲的时域稳定度高，提高光谱成像的稳定性。同时，通过采用低重频光梳光源提高光源的能量，增强非线性作用效果，同时还减弱了噪声对光谱探测的干扰，有效提高光谱成像的探测效率和灵敏度。另外，采用光纤式参量转换代替双激光源的设计，在参量转换输出端实现两束同步光梳，不仅避免主动同步系统的噪声，而且提高成像系统的集成度；通过调节延时光纤的长度实现两束同步光梳的光谱调谐，以及实现多种化学键检测或多种物质鉴别，扩展成像系统的应用范围。

附图说明

图1是本发明的实施例中同步降频的相干反斯托克斯拉曼散射成像系统的装置结构框图；

图2是本发明的实施例中同步降频的相干反斯托克斯拉曼散射成像系统的结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，以下实施例结合附图对本发明同步降频的相干反斯托克斯拉曼散射成像系统及成像方法作具体阐述。

图1是本发明的实施例中同步降频的相干反斯托克斯拉曼散射成像系统的装置结构框图；以及图2是本发明的实施例中同步降频的相干反斯托克斯拉曼散射成像系统的结构示意图。

如图1、2所示，同步降频的相干反斯托克斯拉曼散射成像系统100光源产生装置10、同步降频装置20、光参量转换装置30以及成像装置40。

光源产生装置10用于产生高重频光梳。在本实施例中，光梳即为光学频率梳，光源产生装置10为重复频率为80MHz的掺镱光纤光梳，中心波长为1030nm，其载波包络相位信号和重频信号已经锁定，作为同步降频的相干反斯托克斯拉曼散射成像系统100的光源。

同步降频装置20与光源产生装置10连接，用于同步高重频光梳并降低高重频光梳的频率，输出低重频光梳。同步降频装置20包括第一分束器21、光电探测器22、载波信号滤波放大模块23、开关信号滤波放大模块24、混频器25、滤波放大模块26以及声光调制器27。

第一分束器21与光源产生装置10连接，将高重频光梳分束得到第一高重频光梳以及第二高重频光梳。在本实施例中，第一高重频光梳的能量大于第二高重频光梳的能量。

光电探测器22与第一分束器21连接，从第二高重频光梳提取出初始载波信号以及初始开关信号。

载波信号滤波放大模块23包括第一级滤波器231以及第一级放大器232。第一级滤波器231以及第一级放大器232对初始载波信号进行滤波、放大得到载波信号。

开关信号滤波放大模块24包括分频器241、第二级滤波器242以及第二级放大器243。初始开关信号经分频器241分频后，在第二级滤波器242及第二级放大器243中进行滤波以及放大得到开关信号。

混频器25分别与第一级放大器232以及第二级放大器242连接，对载波信号以及开关信号进行混频得到混频信号。

滤波放大模块26包括第三极滤波器261以及第三极放大器262。第三极滤波器261以及第三极放大器262对混频信号进行滤波、放大得到驱动信号。

声光调制器27分别与第一分束器21以及第三极放大器262连接，根据驱动信号，将第一高重频光梳调制成第一波长低重频光梳后进行输出，第一波长低重频光梳的中心波长为1030nm。

光参量转换装置30用于将第一波长低重频光梳转换成包含第一波长低重频光梳以及第二波长低重频光梳的混合低重频光梳并输出。光参量转换装置30包括二向色模块31、非线性光纤32、第二分束器33以及延时光纤34。

二向色模块31分别与声光调制器27以及延时光纤34连接。二向色模块31为二向色滤光片或波分复用器。在本实施例中，二向色模块为波分复用器。第一波长低重频光梳经波分复用器耦合后进入非线性光纤32。

非线性光纤32与波分复用器连接，对耦合后的第一波长低重频光梳进行非线性作用，在四波混频的作用下，产生第二波长低重频光梳，第二波长低重频光梳为中心波长为800nm，功率很小的参量激光。在本实施例中，非线性光纤32为光子晶体光纤。

第二分束器33非线性光纤32连接，将包含部分第一波长低重频光梳以及部分第二波长低重频光梳的混合低重频光梳输出。

延时光纤34分别与第二分束器33以及波分复用器连接，将另一部分第一波长低重频光梳以及另一部分第二波长低重频光梳提供至波分复用器，第二波长低重频光梳经波分复用器耦合后再次进入非线性光纤32，第二波长低重频光梳在非线性光纤32中发生级联的四波混合作用，从第二分束器33中输出含中心波长为1030nm以及800nm的同步超短脉冲的混合低重频光梳。

成像装置40用于对混合低重频光梳进行聚焦，并对待测样品进行相干反斯托克斯拉曼散射成像。成像装置40包括光纤准直器41、第一聚焦物镜42、待测样品43、第二聚焦物镜44、光谱滤波器45以及CCD相机46。

光纤准直器41与第二分束器33连接，将含中心波长为1030nm以及800nm的同步超短脉冲的混合低重频光梳转换为两束准直的空间激光。

第一聚焦物镜将两束空间激光聚焦到待测样品43上，两束空间激光发生受激拉曼与四波混频作用，产生中心波长为654nm的反思托克斯光。

第二聚焦物镜44将反思托斯光以及两束空间激光转换为三束空间准直的光束。

光谱滤波器45将三束激光中的中心波长为1030nm以及中心波长为800nm的激光发射，中心波长为654nm的激光被光谱滤波器45投射到CCD相机46上，获得光谱信号。调节待测样品43的位置，记录对应的CCD相机46上的中心波长为654nm的激光的强度，实现高精度的光谱成像。

同步降频的相干反斯托克斯拉曼散射成像系统100的成像方法为：以中心波长为1030nm高重频光梳作为激光源；第一分束器21对高重频光梳进行分束，得到第一高重频光梳以及第二高重频光梳，光电探测器22对第二高重频光梳进行提取得到初始载波信号以及初始开关信号，载波信号滤波放大模块23对初始载波信号进行滤波放大得到载波信号，开关信号滤波放大模块24对开关信号进行滤波放大得到开关信号，混频器25对载波信号以及开关信号进行混频得到混频信号，滤波放大模块26对混频信号进行滤波放大得到驱动信号，声光调制器27根据驱动信号将第一高重频光梳调制成第一波长低重频光梳输出。

波分复用器31对第一波长低重频光梳与第二波长低重频光梳进行耦合，非线性光纤32对耦合后的第一波长低重频光梳进行频率转换，产生新的中心波长为800nm的第二波长低重频光梳，第二分束器33将包含部分第一波长低重频光梳以及部分第二波长低重频光梳的混合低重频光梳输出。延时光纤34将另一部分第一波长低重频光梳以及另一部分第二波长低重频光梳提供至波分复用器。

光纤准直器41将混合低重频光梳转换为两束准直的空间激光，第一聚焦物镜将两束空间激光聚焦到待测样品43上，两束空间激光发生受激拉曼与四波混频作用，产生中心波长为654nm的反思托克斯光，第二聚焦物镜44将反思托斯光以及两束空间激光转换为三束空间准直的光束，光谱滤波器45将三束激光中的中心波长为1030nm以及中心波长为800nm的激光发射，中心波长为654nm的激光被光谱滤波器45投射到CCD相机46上，获得光谱信号。调节待测样品43的位置，记录对应的CCD相机46上的中心波长为654nm的激光的强度，实现高精度的光谱成像。

实施例的作用与效果

根据本实施例中的同步降频的相干反斯托克斯拉曼散射成像系统及其成像方法，利用同步降频模块实现光梳光源的重频改变，这样不仅使得引入的噪声低、幅度噪声小，而且降频后光梳脉冲的时域稳定度高，提高光谱成像的稳定性。同时，通过采用低重频光梳光源提高光源的能量，增强非线性作用效果，同时还减弱了噪声对光谱探测的干扰，有效提高光谱成像的探测效率和灵敏度。另外，采用光纤式参量转换代替双激光源的设计，在参量转换输出端实现两束同步光梳，不仅避免主动同步系统的噪声，而且提高成像系统的集成度；通过调节延时光纤的长度实现两束同步光梳的光谱调谐，以及实现多种化学键检测或多种物质鉴别，扩展成像系统的应用范围。此外，本发明采用光梳光源，提高频谱分辨精度，进而提高成像检测的精度，实现高精度的生物成像。

上述实施方式为本发明的优选案例，并不用来限制本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种同步降频的相干反斯托克斯拉曼散射成像系统，用于对待测样品进行相干反斯托克斯拉曼散射成像，其特征在于，包括：

光源产生装置，用于产生高重频光梳；

同步降频装置，与所述光源产生装置连接，用于同步所述高重频光梳并降低所述高重频光梳的频率，输出第一波长低重频光梳；

光参量转换装置，与所述同步降频装置连接，用于将所述第一波长低重频光梳转换成含有所述第一波长低重频光梳以及第二波长低重频光梳的混合低重频光梳并输出；以及

成像装置，与所述光参量转换装置连接，用于对所述混合低重频光梳进行聚焦，并对所述待测样品进行相干反斯托克斯拉曼散射成像，

其中，所述同步降频装置具有：

第一分束器，用于对所述高重频光梳进行分束得到第一高重频光梳以及第二高重频光梳；

光电探测器，与所述第一分束器连接，对所述第二高重频光梳进行提取得到初始载波信号以及初始开关信号；

载波信号滤波放大模块，用于对所述初始载波信号进行滤波、放大得到载波信号；

开关信号滤波放大模块，用于对所述初始开关信号进行滤波、放大得到开关信号；

混频器，用于对所述载波信号以及所述开关信号进行混频得到混频信号；

滤波放大模块，用于对所述混频信号进行滤波、放大得到驱动信号；

声光调制器，根据所述驱动信号将所述第一高重频光梳调制为所述第一波长低重频光梳进行输出，

所述光参量转换装置具有：

二向色模块，用于耦合所述第一波长低重频光梳与所述第二波长低重频光梳；

非线性光纤，用于对耦合后的第一波长所述低重频光梳进行频率转换，产生所述第二波长低重频光梳；

第二分束器，用于将频率转换后的所述第一波长低重频光梳与所述第二波长低重频光梳进行分束，输出包含部分所述第一波长低重频光梳以及部分所述第二波长低重频光梳的所述混合低重频光梳；

延时光纤，与所述第二分束器连接，用于将另一部分所述第一波长低重频光梳以及另一部分所述第二波长低重频光梳提供给所述二向色模块。

2.根据权利要求1所述的同步降频的相干反斯托克斯拉曼散射成像系统，其特征在于：

其中，所述成像装置包括光纤准直器、用于聚焦所述混合低重频光梳的聚焦物镜、滤波器以及成像元件。

3.根据权利要求1所述的同步降频的相干反斯托克斯拉曼散射成像系统，其特征在于：

其中，所述载波信号滤波放大模块具有滤波器以及放大器。

4.根据权利要求1所述的同步降频的相干反斯托克斯拉曼散射成像系统，其特征在于：

其中，所述开关信号滤波放大模块具有分频器、滤波器以及放大器。

5.根据权利要求1所述的同步降频的相干反斯托克斯拉曼散射成像系统，其特征在于：

其中，所述二向色模块为二向色滤光片或波分复用器。

6.一种如权利要求1所述的同步降频的相干反斯托克斯拉曼散射成像系统的成像方法，其特征在于，包括：

采用光源产生装置产生高重频光梳作为激光源；

采用第一分束器对所述高重频光梳进行分束，得到第一高重频光梳以及第二高重频光梳；

采用光电探测器对所述第二高重频光梳进行提取得到初始载波信号以及初始开关信号，

采用载波信号滤波放大模块对所述初始载波信号进行滤波放大得到载波信号；

采用开关信号滤波放大模块对所述开关信号进行滤波放大得到开关信号；

采用混频器对所述载波信号以及所述开关信号进行混频得到混频信号；

采用滤波放大模块对所述混频信号进行滤波放大得到驱动信号；

采用所述声光调制器根据所述驱动信号将所述第一高重频光梳调制成第一波长低重频光梳输出；

采用二向色模块对所述第一波长低重频光梳与所述第二波长低重频光梳进行耦合；

采用非线性光纤对耦合后的所述第一波长低重频光梳进行频率转换，产生所述第二波长低重频光梳；

采用第二分束器对频率转换后的所述低重频光梳与所述第二波长低重频光梳进行分束，输出包含部分所述第一波长低重频光梳以及部分所述第二波长低重频光梳的混合低重频光梳；

采用延时光纤将另一部分所述第一波长的低重频光梳以及另一部分所述第二波长低重频光梳提供给所述二向色模块；以及

采用成像装置将所述混合低重频光梳聚焦到待测样品上并所述待测样品进行成像。