CN111693509A - 差分复用的干涉增强双光梳相干拉曼光谱探测系统与方法 - Google Patents
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Abstract
一种差分复用的干涉增强双光梳相干拉曼光谱探测系统，包括双光梳光源系统、本地振荡产生模块、相干拉曼显微模块、收集探测模块等。通过本地振荡产生模块对双光梳光源的部分频率进行滤波，使其可作为本地振荡，分别与后续的反斯托克斯信号和相干斯托克斯信号进行干涉，使得测得的交流分量强度增强，从而提高被测信号的信噪比；同时，通过差分复用测量方法，对反相的反斯托克斯和相干斯托克斯信号作差，可获得强度更强的双光梳相干拉曼振荡信号。本发明克服了以往宽带相干拉曼光谱探测技术中信噪比较低、灵敏度不高的问题，实现快速测量地同时也可较好地去除非共振背景的影响，对生物、医学等高灵敏度显微探测应用领域具有重要意义。
Description
技术领域
本发明属于光谱探测技术领域，特别涉及一种差分复用的干涉增强双光梳相干拉曼光谱探测系统与方法。
背景技术
无标记、具有分子特异性的相干拉曼光谱探测可以有效地分辨生物组织分子的化学键，且具有亚微米量级的空间分辨率，在细胞新陈代谢研究、癌细胞检测、髓鞘相关的疾病检测、体内药物追踪等生物医学方面有大量应用。相干反斯托克斯拉曼光谱(CARS)探测是当前相干拉曼光谱探测技术发展的一个重要方向，其具有较强的信号强度和较短的信号积分时间，同时其探测反斯托克斯频率无荧光干扰，这些优点使得CARS技术在光谱探测和显微成像领域得到充分的研究与应用。此外，相干斯托克斯拉曼光谱(CSRS)也是相干拉曼光谱的一种，其与CARS有着许多相似之处，两者的主要区别在于CARS对相干拉曼过程中的反斯托克斯信号进行探测，而CSRS对其中的相干斯托克斯信号进行探测。相干斯托克斯信号是频率红移的信号，其频谱往往与激励光的频谱相互覆盖，难以通过简单的光学滤波将其与激励光分离，往往需要采用复杂的空间光路结构或者更高频的探测光将相干斯托克斯信号与激励光分离。因此，复杂的探测方法和装置使得CSRS光谱探测难以实施应用，这导致CSRS在相干拉曼光谱探测中的研究与应用都较少。
CARS技术是相干拉曼光谱探测的主流技术之一，目前已经发展出一系列宽带CARS光谱技术。其中，傅里叶变换CARS光谱测量技术提供了高分辨率宽带CARS测量的可能。该方法采用两个变换极限的飞秒脉冲实现激发和探测，通过延时扫描和傅里叶变换获得宽带拉曼光谱，可有效抑制非共振背景并能通过调节光程差灵活改变分辨率。然而，典型的傅里叶变换CARS测量经常受到暗电流、电噪声等背景噪声的显著干扰，这是因为测得的时域信号一般较弱，噪声未达到散粒噪声限，这会对测量信号信噪比造成影响。此外，傅里叶变换CARS的相干拉曼作用过程中，相干斯托克斯分量的信号被浪费了。在傅里叶变换CARS的相对延时扫描脉冲对拉曼激励方案中，由于激励光光谱的单一性、以及激励光的反斯托克斯频移与相干斯托克斯频移关于原激励光光谱的对称性，相干斯托克斯分量可以通过简单的光学滤波与激励光分离，而且其分离与反斯托克斯分量的分离是一致的，不存在其他相干拉曼过程中相干斯托克斯信号难以分离的问题。
尽管傅里叶变换CARS测量具有快速、分辨率高等优点，而且该测量方法可以方便地去除非共振背景信号的干扰，但如上所述，在探测过程的噪声和有效信号利用程度的两个方面，该方法的信噪比还有很大的提升空间。相干拉曼光谱测量的信噪比直接影响对低浓度物质、微弱拉曼谱线的探测，尽管相干拉曼光谱已在多个领域发挥重要作用，但其应用仍局限在对较高强度拉曼谱线(如脂质的C-H键)的测量。此外，利用双光梳异步光学采样技术取代传统的机械相对延时扫描，使得相对延时扫描自动、快速、稳定；而且可以在双光梳光源中加入电光调制器件，通过对双光梳光源间重频差的可控快速调节，进一步提高傅里叶变换相干拉曼光谱探测的速度。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种差分复用的干涉增强双光梳相干拉曼光谱探测系统与方法，同时利用斯托克斯和反斯托克斯信号，借助本地振荡信号干涉探测提高信号强度。并通过利用双光梳异步光学采样技术，进行自动、快速、稳定的延时扫描，从而进一步提高傅里叶变换相干拉曼探测的速度，实现快速、稳定、高信噪比的高分辨宽带相干拉曼光谱探测。本发明适用于高速宽带相干拉曼光谱探测，具有高信噪比、高探测灵敏度的特点，对于宽带相干拉曼光谱探测在医学、生物学等研究领域的应用的进一步拓展有重要意义。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种差分复用的干涉增强双光梳相干拉曼光谱探测系统，包括：
双光梳光源系统1，为光谱显微成像提供所需的双光梳信号；
本地振荡产生模块，用于对双光梳信号中对应反斯托克斯信号频率和对应相干斯托克斯信号频率的成分分别进行强度衰减，使其能够作为本地振荡与后续的反斯托克斯信号和相干斯托克斯信号进行干涉；
相干拉曼显微模块，对被测样本进行相干拉曼过程激发并收集散射光信号，对被激发的被测样本进行位置扫描，获得被测样本不同位置下的相干拉曼光谱信息，实现空间三维光谱信息测量；
收集探测模块，对收集的散射光信号滤波得到反斯托克斯和相干斯托克斯信号，进行探测与分析处理。
所述双光梳信号为具有重频差和变换极限的飞秒双光梳信号，通过异步光学采样实现快速、自动、稳定的相对延时扫描，所述双光梳光源系统1内加入电光调制器件，通过对双光梳信号间重频差的可控快速调节，实现更高的光谱探测速率。
所述本地振荡产生模块包括光栅3、凸透镜4、第一中性密度滤波器5、第二中性密度滤波器6、补偿玻璃7和反射镜8，所述双光梳信号经分光镜2反射，之后依次经光栅3和凸透镜4使不同频率光信号在空间上相互平行地分离，然后，对应反斯托克斯信号频率的高频信号通过第一中性密度滤波器5造成部分衰减，对应相干斯托克斯信号频率的低频信号通过第二中性密度滤波器6造成部分衰减，衰减后的信号用来作为本地振荡，与后续的反斯托克斯信号和相干斯托克斯信号进行干涉；补偿玻璃7设置于中间光路，用来补偿由第一中性密度滤波器5和第二中性密度滤波器6引入的额外光程，以保证返回分光镜2的信号仍然保持为完整的脉冲形态，反射镜8设置在第一中性密度滤波器5、第二中性密度滤波器6和补偿玻璃7之后，三束平行光被反射镜8反射，并沿入射光路返回至分光镜2。
所述相干拉曼显微模块包括第一物镜9、压电位移台11和第二物镜12，从分光镜2出射的双光梳信号经第一物镜9聚焦到被测样本10上后对其进行激发，第二物镜12收集散射光信号，被测样本10设置于压电位移台11上，由压电位移台11对被激发的被测样本10进行位置扫描。
所述收集探测模块包括带阻滤波器13、二向色镜14、第一光电二极管15、第二光电二极管16和计算机17，收集的散射光信号经带阻滤波器13滤除除反斯托克斯频率和相干斯托克斯频率外的光信号，之后经二向色镜14进行分光，反斯托克斯信号和相干斯托克斯信号与各自的本地振荡干涉后得到的干涉信号分别被第一光电探测器15和第二光电探测器16进行探测，探测信号发送至计算机17中进行相应分析处理，获得被测样本10的分子系统拉曼能级的信息。并可通过计算机17调控对被激发的被测样本的位置扫描，进而实现空间三维相干拉曼光谱探测。
所述分析处理，是将反斯托克斯信号和相干斯托克斯信号进行作差，即可获得强度约为原来两倍的双光梳相干拉曼信号。
本发明还提供了一种差分复用的干涉增强双光梳相干拉曼光谱探测方法，包括：
利用双光梳光源系统产生双光梳信号；
对双光梳信号中对应反斯托克斯信号频率和对应相干斯托克斯信号频率的成分分别进行强度衰减，使其能够作为本地振荡与后续的反斯托克斯信号和相干斯托克斯信号进行干涉；
对被测样本进行相干拉曼过程激发并收集散射光信号，对被激发的被测样本进行位置扫描，获得被测样本不同位置下的相干拉曼光谱信息，实现空间三维光谱信息测量；
对收集的散射光信号滤波得到反斯托克斯和相干斯托克斯信号，进行探测与分析处理，将反相的反斯托克斯信号和相干斯托克斯信号进行作差增强所得双光梳相干拉曼光谱信号。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1.采用双光梳作为激励光源，通过异步光学采样进行自动、稳定、快速的相对延时扫描，从而提高了傅里叶变换相干拉曼光谱的探测速度。
2.采用时间复用的双光梳拉曼光谱方法，同时探测反斯托克斯和相干斯托克斯信号，避免了相干拉曼过程中有效信号的浪费，使得最终测得信号强度有约一倍的提升，从而提高了探测的灵敏度。
3.保留了激励光源一定强度的高频和低频成分，使得这两个频率成分的光可以分别作为反斯托克斯和相干斯托克斯信号的本地振荡信号，实现类似外差探测的效果，极大地减弱了暗电流、电噪声等背景噪声的显著干扰。
附图说明
图1是本发明的系统原理示意图。
图2是双光梳相干拉曼光谱中产生反斯托克斯信号和相干斯托克斯信号的原理图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例详细说明本发明的实施方式。
本发明一种差分复用的干涉增强双光梳相干拉曼光谱探测系统，包括双光梳光源系统、本地振荡产生模块、相干拉曼显微模块、收集探测模块等。通过本地振荡产生模块对双光梳信号的部分频率进行滤波，使其可作为本地振荡，分别与后续的反斯托克斯信号和相干斯托克斯信号进行干涉，使得测得的交流分量强度增强，从而提高被测信号的信噪比；同时，通过差分复用测量方法，对反相的反斯托克斯和相干斯托克斯信号作差，可获得强度更强的双光梳相干拉曼振荡信号。
本发明的具体组成可参考图1，其中：
双光梳光源系统1作为光源，为光谱显微成像提供所需的双光梳信号。本发明中，双光梳信号为具有一定重频差的、变换极限的飞秒双光梳信号，通过异步光学采样实现快速、自动、稳定的相对延时扫描，双光梳光源系统1内可加入电光调制器件，通过对双光梳信号间重频差的可控快速调节，实现更高的光谱探测速率。双光梳信号经分光镜2后部分进入本地振荡产生模块进行后续的滤波等处理。
本地振荡产生模块用于对双光梳信号中对应反斯托克斯信号频率和对应相干斯托克斯信号频率的成分分别进行强度衰减，使其能够作为本地振荡与后续的反斯托克斯信号和相干斯托克斯信号进行干涉。本地振荡产生模块包括光栅3、凸透镜4、第一中性密度滤波器5、第二中性密度滤波器6、补偿玻璃7和反射镜8。双光梳信号经分光镜2反射，之后依次经光栅3和凸透镜4使不同频率光信号在空间上相互平行地分离，在对应反斯托克斯信号频率的高频成分和相干斯托克斯信号频率的低频成分的位置分别放置第一中性密度滤波器5和第二中性密度滤波器6，高频信号通过第一中性密度滤波器5造成部分衰减，低频信号通过第二中性密度滤波器6造成部分衰减，衰减后的信号用来作为本地振荡，与后续的反斯托克斯信号和相干斯托克斯信号进行干涉，从而提高被测信号强度。此外，由于第一中性密度滤波器5和第二中性密度滤波器6对对应的频率成分引入了额外的光程，因此在剩余的频率成分位置即中间光路上加入相应的补偿玻璃7，用来补偿由第一中性密度滤波器5和第二中性密度滤波器6引入的额外光程，让双光梳信号的所有频率成分都有基本一致的延时，以保证返回分光镜2的信号仍然保持为完整的脉冲形态。经过第一中性密度滤波器5、第二中性密度滤波器6和补偿玻璃7的三束平行光被反射镜8反射，并沿入射光路返回至分光镜2。
相干拉曼显微模块用于对被测样本进行相干拉曼过程激发并收集散射光信号，对被激发的被测样本进行位置扫描，获得被测样本不同位置下的相干拉曼光谱信息，实现空间三维光谱信息测量。相干拉曼显微模块包括第一物镜9、压电位移台11和第二物镜12，从分光镜2出射的双光梳信号经第一物镜9聚焦到被测样本10上后对其进行激发，第二物镜12收集散射光信号，被测样本10设置于压电位移台11上，由压电位移台11对被激发的被测样本10进行位置扫描。
双光梳信号与被测样本10的相干拉曼作用过程如图2所示。双光梳信号包含两个光频梳信号，分别记为光频梳1和光频梳2，两者具有一定的重频差，因此可以实现异步光学采样。不妨假定光频梳1的脉冲信号超前于光频梳2的脉冲信号，那么在相干拉曼激发过程中，光频梳1的脉冲信号将拉曼活性分子激发到拉曼激发态，之后分子系统以拉曼模式频率振荡；经过一段延时后，光频梳2的脉冲信号入射探测此系统。当光频梳2的脉冲信号对系统的激励与系统的振荡同相时，出射的探测脉冲的光谱往低频方向偏移；而当它们反相时，出射探测脉冲的光谱往高频方向偏移。因此探测出射的高频信号(反斯托克斯分量)和低频信号(相干斯托克斯分量)随延时扫描的强度变化就可获得包含分子系统拉曼能级的信息。
收集探测模块对收集的散射光信号滤波得到反斯托克斯和相干斯托克斯信号，进行探测与分析处理。收集探测模块包括带阻滤波器13、二向色镜14、第一光电二极管15、第二光电二极管16和计算机17，收集的散射光信号经带阻滤波器13滤波，滤波的目的是滤除原激励信号(双光梳信号)中多余的频率成分，即与补偿玻璃7对应的频率成分，使得经过滤波的信号只包含反斯托克斯和相干斯托克斯信号的频率成分。经过滤波的信号经二向色镜14进行分光，反斯托克斯信号和相干斯托克斯信号与各自的本地振荡干涉后得到的干涉信号分别被第一光电二极管15和第二光电二极管16探测，两探测信号发送至计算机17中进行进一步分析处理，不难发现，反斯托克斯和相干斯托克斯信号是恰好反相的，因此对两信号相减即可得到振荡强度约为原来两倍的双光梳相干拉曼时域信号。从得到的时域信号中选取有效部分的信号，即除去相对延时为零附近非共振背景较强的信号和相对延时较大时振荡信号被噪声淹没的信号，对剩余有效的信号进行傅里叶变换即可得到被测样本10的相干拉曼光谱，获得其分子系统拉曼能级的信息。完成被测样本10某一空间位置的测量后，计算机17控制压电位移台11移动被测样本10，对下一个空间位置的样本进行测量，从而可实现三维空间探测。
下面对本地振荡信号与反斯托克斯和相干斯托克斯信号的干涉探测进行进一步说明。典型的(无本地振荡信号进行干涉探测的)双光梳CARS测量会受到暗电流、电噪声等背景噪声的显著干扰。利用本地振荡可以提高被测信号的强度，从而提高信噪比，但应注意到被测信号强度的提高也会导致散粒噪声的提高。干涉信号的振荡部分信号正比于
其中ILO和Is分别为本地振荡和目标信号的强度，而散粒噪声正比于
其中I表示探测器探测的整体信号强度，在ILO远大于Is的条件下I可以近似为ILO。信噪比SNR和各个信号强度的关系可以表示为：
其中，a表示暗电流、电噪声等背景噪声的强度，
表示散粒噪声强度。不难发现，通过增大本地振荡信号的强度ILO会同比例地增大干涉振荡信号和散粒噪声，这样暗电流、电噪声等与ILO强度无关的背景噪声a的干扰作用会减弱。将本地振荡信号的强度设置到散粒噪声远大于暗电流、电噪声等背景噪声，使得背景噪声的影响可忽略不计，此时可以获得最大的信噪比提升。此时即使进一步提高本地振荡信号的强度也无法进一步提高信噪比，因为散粒噪声也会随之提高，而且可能会导致被测信号超出探测器的动态范围。因此，通过第一中性密度滤波器5和第二中性密度滤波器6适当地对双光梳信号的高频和低频成分的强度进行衰减，使得这两部分信号可以作为本地振荡与后续的反斯托克斯信号和相干斯托克斯信号进行干涉探测。
综上，本发明通过差分复用和干涉增强两种方法来同时提高相干拉曼光谱探测强度。其中，差分复用方法通过将反相的反斯托克斯信号和相干斯托克斯信号进行作差，相较于只探测其中一种信号，所得相干拉曼光谱信号有约一倍的增强；干涉增强方法通过提供本地振荡，与反斯托克斯信号和相干斯托克斯信号分别进行干涉，所得探测信号的强度相较于不施加本地振荡的情况获得了增强。
可见，通过对反斯托克斯信号和相干斯托克斯信号同时测量的时间复用方法，以及利用本地振荡提高被测信号强度，可以提高双光梳相干拉曼光谱测量的信噪比，从而实现更高灵敏度的相干拉曼光谱测量。
上述实施例仅用于说明本发明，其中双光梳信号高频和低频的衰减方法、探测器类型、以及光谱信号的探测与数据处理流程都可以根据探测需求，在本发明技术方案的基础上进行等同配置、变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。
Claims (9)
1.一种差分复用的干涉增强双光梳相干拉曼光谱探测系统，其特征在于，包括：
双光梳光源系统(1)，为光谱显微成像提供所需的双光梳信号；
本地振荡产生模块，用于对双光梳信号中对应反斯托克斯信号频率和对应相干斯托克斯信号频率的成分分别进行强度衰减，使其能够作为本地振荡与后续的反斯托克斯信号和相干斯托克斯信号进行干涉；
相干拉曼显微模块，对被测样本进行相干拉曼过程激发并收集散射光信号，对被激发的被测样本进行位置扫描，获得被测样本不同位置下的相干拉曼光谱信息，实现空间三维光谱信息测量；
收集探测模块，对收集的散射光信号滤波得到反斯托克斯和相干斯托克斯信号，进行探测与分析处理。
2.根据权利要求1所述差分复用的干涉增强双光梳相干拉曼光谱探测系统，其特征在于，所述双光梳信号为具有重频差的变换极限飞秒双光梳信号，通过异步光学采样实现快速、自动、稳定的相对延时扫描。
3.根据权利要求2所述差分复用的干涉增强双光梳相干拉曼光谱探测系统，其特征在于，所述双光梳光源系统(1)内加入电光调制器件，通过对双光梳信号间重频差的可控快速调节，实现更高的光谱探测速率。
4.根据权利要求1所述差分复用的干涉增强双光梳相干拉曼光谱探测系统，其特征在于，所述本地振荡产生模块包括光栅(3)、凸透镜(4)、第一中性密度滤波器(5)、第二中性密度滤波器(6)、补偿玻璃(7)和反射镜(8)，所述双光梳信号经分光镜(2)反射，之后依次经光栅(3)和凸透镜(4)使不同频率光信号在空间上相互平行地分离，然后，对应反斯托克斯信号频率的高频信号通过第一中性密度滤波器(5)造成部分衰减，对应相干斯托克斯信号频率的低频信号通过第二中性密度滤波器(6)造成部分衰减，衰减后的信号用来作为本地振荡，与后续的反斯托克斯信号和相干斯托克斯信号进行干涉；补偿玻璃(7)设置于中间光路，用来补偿由第一中性密度滤波器(5)和第二中性密度滤波器(6)引入的额外光程，以保证返回分光镜(2)的信号仍然保持为完整的脉冲形态，反射镜(8)设置在第一中性密度滤波器(5)、第二中性密度滤波器(6)和补偿玻璃(7)之后，三束平行光被反射镜(8)反射，并沿入射光路返回至分光镜(2)。
5.根据权利要求1所述差分复用的干涉增强双光梳相干拉曼光谱探测系统，其特征在于，所述相干拉曼显微模块包括第一物镜(9)、压电位移台(11)和第二物镜(12)，从分光镜(2)出射的双光梳信号经第一物镜(9)聚焦到被测样本(10)上后对其进行激发，第二物镜(12)收集散射光信号，被测样本(10)设置于压电位移台(11)上，由压电位移台(11)对被激发的被测样本(10)进行位置扫描。
6.根据权利要求1所述差分复用的干涉增强双光梳相干拉曼光谱探测系统，其特征在于，所述收集探测模块包括带阻滤波器(13)、二向色镜(14)、第一光电二极管(15)、第二光电二极管(16)和计算机(17)，收集的散射光信号经带阻滤波器(13)滤除除反斯托克斯频率和相干斯托克斯频率外的光信号，之后经二向色镜(14)进行分光，反斯托克斯信号和相干斯托克斯信号与各自的本地振荡干涉后得到的干涉信号分别被第一光电探测器(15)和第二光电探测器(16)进行探测，探测信号发送至计算机(17)中进行相应分析处理，获得被测样本(10)的分子系统拉曼能级的信息。
7.根据权利要求6所述差分复用的干涉增强双光梳相干拉曼光谱探测系统，其特征在于，所述分析处理，将反斯托克斯信号和相干斯托克斯信号进行作差，即可获得强度约为原来两倍的双光梳相干拉曼信号。
8.根据权利要求6所述差分复用的干涉增强双光梳相干拉曼光谱探测系统，其特征在于，通过计算机(17)调控对被激发的被测样本的位置扫描，进而实现空间三维相干拉曼光谱探测。
9.一种差分复用的干涉增强双光梳相干拉曼光谱探测方法，其特征在于，包括：
利用双光梳光源系统产生双光梳信号；
对双光梳信号中对应反斯托克斯信号频率和对应相干斯托克斯信号频率的成分分别进行强度衰减，使其能够作为本地振荡与后续的反斯托克斯信号和相干斯托克斯信号进行干涉；
对被测样本进行相干拉曼过程激发并收集散射光信号，对被激发的被测样本进行位置扫描，获得被测样本不同位置下的相干拉曼光谱信息，实现空间三维光谱信息测量；
对收集的散射光信号滤波得到反斯托克斯和相干斯托克斯信号，进行探测与分析处理，将反相的反斯托克斯信号和相干斯托克斯信号进行作差增强所得双光梳相干拉曼光谱信号。
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