CN112462507B - 抑制相干反斯托克斯拉曼散射显微镜非共振背景信号的方法、成像方法及系统 - Google Patents

抑制相干反斯托克斯拉曼散射显微镜非共振背景信号的方法、成像方法及系统 Download PDF

Info

Publication number
CN112462507B
CN112462507B CN202011137163.6A CN202011137163A CN112462507B CN 112462507 B CN112462507 B CN 112462507B CN 202011137163 A CN202011137163 A CN 202011137163A CN 112462507 B CN112462507 B CN 112462507B
Authority
CN
China
Prior art keywords
light
raman scattering
stokes
laser
coherent anti
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN202011137163.6A
Other languages
English (en)
Other versions
CN112462507A (zh
Inventor
王璞
洪维礼
吴凡
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Beihang University
Original Assignee
Beihang University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Beihang University filed Critical Beihang University
Priority to CN202011137163.6A priority Critical patent/CN112462507B/zh
Publication of CN112462507A publication Critical patent/CN112462507A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN112462507B publication Critical patent/CN112462507B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B21/00—Microscopes
    • G02B21/06—Means for illuminating specimens
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/01—Arrangements or apparatus for facilitating the optical investigation
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/62—Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light
    • G01N21/63—Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light optically excited
    • G01N21/65—Raman scattering
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
    • G02B27/28—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00 for polarising
    • G02B27/286—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00 for polarising for controlling or changing the state of polarisation, e.g. transforming one polarisation state into another
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
    • G02F1/00—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
    • G02F1/01—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour 
    • G02F1/11—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour  based on acousto-optical elements, e.g. using variable diffraction by sound or like mechanical waves
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
    • G02F1/00—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
    • G02F1/35—Non-linear optics
    • G02F1/353—Frequency conversion, i.e. wherein a light beam is generated with frequency components different from those of the incident light beams

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Nonlinear Science (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Nuclear Medicine, Radiotherapy & Molecular Imaging (AREA)
  • Investigating, Analyzing Materials By Fluorescence Or Luminescence (AREA)
  • Microscoopes, Condenser (AREA)

Abstract

本申请涉及一种抑制相干反斯托克斯拉曼散射显微镜非共振背景信号的方法、成像方法及系统，上述抑制相干反斯托克斯拉曼散射显微镜非共振背景信号的系统不需要额外增加激光器或者重新设计激光器谐振腔，仅利用声光调制装置和啁啾展宽元件配合使用即可得到第一频率组合光和第二频率组合光。第一频率组合光和第二频率组合光以预设频率交替出现，以实现频率调制，进而可以简化系统，并可实时消除CARS的非共振背景信号。

Description

抑制相干反斯托克斯拉曼散射显微镜非共振背景信号的方 法、成像方法及系统
技术领域
本申请涉及显微镜技术领域，特别是涉及一种抑制相干反斯托克斯拉曼散射显微镜非共振背景信号的方法、成像方法及系统。
背景技术
相干反斯托克斯拉曼散射(coherent anti-stokes Raman scattering，简称CARS)显微镜通过测量分子振动对化学成分进行探测或生物组织进行成像。CARS显微镜利用两束激光对样品进行照射，分别为泵浦光(ωP)和斯托克斯光(ωS)。两束激光与所探测样品相互作用，当ωP-ωS所对应的拉曼位移与所探测样品的分子振动模式相匹配时，在其相位匹配方向上会产生一束反斯托克斯光信号，其频率为ωAS＝2ωP-ωS。由于影响分子振动的主要是化学键，而不同化学键的振动模式和频率是相对固定的，CARS显微镜可对样品进行无标记成像，并具有很强的化学特异性，并且其探测灵敏度也强于自发拉曼显微镜。但是，在CARS信号中存在一个非共振的背景信号，该背景信号并没有携带化学特异性信息并会扭曲和掩盖我们所需要探测的共振信号。非共振背景信号的存在同时会极大的限制CARS显微镜的探测灵敏度，并对光谱分析造成极大的困难。
目前用于减少或消除CARS显微镜非共振背景信号的技术主要分为：分辨偏振方向的方法、时间分辨的方法、反向探测的方法和频率调制的方法。
分辨偏振方向的CARS显微镜是利用共振信号的偏振方向和非共振背景信号的偏振方向不一致来抑制非共振背景信号。通常是在信号探测器前加入一个检偏镜，使其偏振方向与非共振背景信号的偏振方向垂直，进而滤除非共振背景信号。但由于光路中的光学器件存在双折射现象，并且在紧密聚焦处会对偏振方向有所干扰，有一部分非共振背景信号会泄露。该方法在抑制非共振背景信号的同时，也会削弱共振信号。
泵浦光和斯托克斯光同时对样品进行激发时非共振背景信号也会同时产生，非共振背景信号的产生和消失是一个瞬时过程，而共振信号通常会持续几个皮秒的时间。通过延迟探测光束相对于泵浦光和斯托克斯光到达样品的时间，时间分辨的CARS显微镜可以减少非共振背景信号对CARS信号的影响。但该技术依然存在局限性，共振信号会随时间呈指数衰减，造成了较低的信号水平，对信号的探测也取决于所探测的拉曼模式的移相时间。
反向探测的CARS显微镜，其反向信号强度远小于正向信号强度。并且由于CARS的相位匹配条件的限制，只有小于入射光波长的物体才会产生反向信号，这限制了它的使用范围。
所探测到的CARS信号包括三个部分，分别为共振信号部分、非共振背景信号部分和共振信号和非共振信号的耦合项。其中，非共振背景信号在全光谱范围内为一常量，不会随着ωP-ωS的变化而变化。当以一定的频率对ωP-ωS的值进行调制时，可以很容易的将非共振背景信号部分去除。频率调制的CARS显微镜通过此原理对非共振背景信号进行抑制甚至消除，可实时消除非共振背景信号并保证共振信号不受影响。但传统的频率调制的CARS显微镜实现方案过于复杂，通常通过增加激光器、重新设计激光器谐振腔的方式来获得两束不同的泵浦光或斯托克斯光(ωP1，2或ωS1，2)，实现对ωP-ωS的调制，或者利用偏振方向调制元件与高光谱技术相结合的方式实现对ωP-ωS的调制，极大的限制了频率调制的CARS显微镜的应用。
发明内容
基于此，针对传统的频率调制的CARS显微镜实现方案过于复杂的问题，本申请提供一种抑制相干反斯托克斯拉曼散射显微镜非共振背景信号的方法、成像方法及系统。
一种抑制相干反斯托克斯拉曼散射显微镜非共振背景信号的系统，包括：
激光源，用于同步发射两路激光，第一路激光为斯托克斯光，第二路激光为泵浦光；
声光调制装置，设置于所述第一路激光的光路上，用于对所述斯托克斯光进行强度调制，以预设频率交替产生一级衍射光或零级衍射光，并对所述一级衍射光和所述零级衍射光进行分离，分别形成第一子光路和第二子光路；
第一延迟单元，设置于所述第二路激光的光路上，用于同步所述零级衍射光和所述泵浦光；
第二延迟单元，设置于所述第一子光路上，用于同步所述一级衍射光和所述泵浦光；
合束器，用于将所述第一子光路、所述第二子光路和所述第二路激光在空间上合为第一光束；以及
啁啾展宽元件，设置于所述第一光束的出光方向，用于对所述第一光束进行啁啾展宽，以得到第一频率组合光和第二频率组合光，所述第一频率组合光和所述第二频率组合光以所述预设频率交替出现，以实现频率调制，进而实现抑制相干反斯托克斯拉曼散射显微镜非共振背景信号。
在其中一个实施例中，还包括：
第一激光调整组件，设置于所述声光调制装置的输入端，用于对所述斯托克斯光的功率进行调整，并对所述斯托克斯光进行扩束；以及
第二激光调整组件，设置于所述第一延迟单元的输入端，用于对所述泵浦光的功率进行调整，并对所述泵浦光进行扩束。
在其中一个实施例中，还包括：
第三激光调整组件，设置于所述声光调制装置的输出端，并位于所述第二子光路上，用于对所述零级衍射光的功率进行调整。
一种相干反斯托克斯拉曼散射显微成像系统，包括：
上述实施例中任一项所述的抑制相干反斯托克斯拉曼散射显微镜非共振背景信号的系统；
样品台，用于动态承载样品，以利用所述第一频率组合光和第二频率组合光对所述样品进行扫描，进而获得相干反斯托克斯拉曼散射谱；以及
探测器，设置于所述样品的光输出方向，用于探测所述相干反斯托克斯拉曼散射谱，进而获得相干反斯托克斯拉曼散射图像。
一种相干反斯托克斯拉曼散射显微成像系统，包括：
上述实施例中任一项所述的抑制相干反斯托克斯拉曼散射显微镜非共振背景信号的系统；
扫描单元，设置于啁啾展宽元件的出光方向，以利用所述第一频率组合光和第二频率组合光对样品进行扫描，进而获得相干反斯托克斯拉曼散射谱；以及
探测器，设置于所述样品的光输出方向，用于探测所述相干反斯托克斯拉曼散射谱，进而获得相干反斯托克斯拉曼散射图像。
一种抑制相干反斯托克斯拉曼散射显微镜非共振背景信号的方法，包括：
同步发射两路激光，第一路激光为斯托克斯光，第二路激光为泵浦光；
对所述斯托克斯光进行强度调制，以预设频率交替产生一级衍射光或零级衍射光；
对所述一级衍射光和所述零级衍射光进行分离，分别形成第一子光路和第二子光路；
同步所述零级衍射光和所述泵浦光，并同步所述一级衍射光和所述泵浦光；
将所述第一子光路、所述第二子光路和所述第二路激光在空间上合为第一光束；
对所述第一光束进行啁啾展宽，以得到第一频率组合光和第二频率组合光，所述第一频率组合光和所述第二频率组合光以所述预设频率交替出现，以实现频率调制，进而实现抑制相干反斯托克斯拉曼散射显微镜非共振背景信号。
在其中一个实施例中，还包括：
对所述斯托克斯光的功率进行调整，并对所述斯托克斯光进行扩束；
对所述泵浦光的功率进行调整，并对所述泵浦光进行扩束。
在其中一个实施例中，还包括：
对所述零级衍射光的功率进行调整。
一种相干反斯托克斯拉曼散射显微成像方法，包括：
同步发射两路激光，第一路激光为斯托克斯光，第二路激光为泵浦光；
对所述斯托克斯光进行强度调制，以预设频率交替产生一级衍射光或零级衍射光；
对所述一级衍射光和所述零级衍射光进行分离，分别形成第一子光路和第二子光路；
同步所述零级衍射光和所述泵浦光，并同步所述一级衍射光和所述泵浦光；
将所述第一子光路、所述第二子光路和所述第二路激光在空间上合为第一光束；
对所述第一光束进行啁啾展宽，以得到第一频率组合光和第二频率组合光，所述第一频率组合光和所述第二频率组合光以所述预设频率交替出现；
利用所述第一频率组合光和第二频率组合光对样品进行扫描，进而获得相干反斯托克斯拉曼散射谱；
探测所述相干反斯托克斯拉曼散射谱，进而获得相干反斯托克斯拉曼散射图像。
在其中一个实施例中，还包括：
对所述斯托克斯光的功率进行调整，并对所述斯托克斯光进行扩束；
对所述泵浦光的功率进行调整，并对所述泵浦光进行扩束；
对所述零级衍射光的功率进行调整。
上述抑制相干反斯托克斯拉曼散射显微镜非共振背景信号的系统包括激光源、声光调制装置、第一延迟单元、第二延迟单元、合束器以及啁啾展宽元件。激光源用于同步发射两路激光。第一路激光为斯托克斯光路，第二路激光为泵浦光路。声光调制装置设置于第一路激光的光路上，用于对斯托克斯光进行强度调制，以预设频率交替产生一级衍射光或零级衍射光，并对一级衍射光和零级衍射光进行分离，分别形成第一子光路和第二子光路。第一延迟单元设置于第二路激光的光路上，用于同步零级衍射光和泵浦光。第二延迟单元设置于第一子光路上，用于同步一级衍射光和泵浦光。合束器用于将第一子光路、第二子光路和第二路激光在空间上合为第一光束。啁啾展宽元件设置于第一光束的出光方向，用于对第一光束进行啁啾展宽，以得到第一频率组合光和第二频率组合光。第一频率组合光和第二频率组合光以预设频率交替出现，以实现频率调制，进而实现抑制相干反斯托克斯拉曼散射显微镜非共振背景信号。上述抑制相干反斯托克斯拉曼散射显微镜非共振背景信号的系统不需要额外增加激光器或者重新设计激光器谐振腔，仅利用声光调制装置和啁啾展宽元件配合使用即可得到第一频率组合光和第二频率组合光，以实现频率调制，进而可以简化系统，并可实时消除CARS的非共振背景信号。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或传统技术中的技术方案，下面将对实施例或传统技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本申请一个实施例提供的设备实现方案的结构示意图；
图2为本申请一个实施例提供的技术原理示意图；
图3为本申请一个实施例提供的声光调制器的工作原理示意图；
图4为本申请一个实施例提供的选用的SF11材质的玻璃棒对飞秒激光的啁啾展宽示意图；
图5为本申请一个实施例提供的抑制相干反斯托克斯拉曼散射显微镜非共振背景信号的方法的流程示意图；
图6为本申请一个实施例提供的相干反斯托克斯拉曼散射显微成像方法的流程示意图；
图7为本申请一个实施例提供的实验效果图。
主要元件附图标号说明
10、激光源；20、声光调制装置；21、声光调制器；22、透镜组；23、平面反射镜；30、第一延迟单元；40、第二延迟单元；50、合束器；51、分光镜；52、二向色镜；60、啁啾展宽元件、70、第一激光调整组件；71、第一二分之一波片；72、第一偏振分光棱镜；80、第二激光调整组件；81、第二二分之一波片；82、第二偏振分光棱镜；90、第三激光调整组件；91、第三二分之一波片；92、第三偏振分光棱镜；110、扫描单元；120、样品台；130、物镜；140、聚光镜；150、探测器；151、过滤器；152光电倍增管；153、锁相放大器。
具体实施方式
为使本申请的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本申请的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本申请。但是本申请能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本申请内涵的情况下做类似改进，因此本申请不受下面公开的具体实施的限制。
可以理解，本申请所使用的术语“第一”、“第二”等可在本文中用于描述各种元件，但这些元件不受这些术语限制。这些术语仅用于将第一元件与另一个元件区分。举例来说，在不脱离本申请的范围的情况下，可以将第一获取模块称为第二获取模块，且类似地，可将第二获取模块称为第一获取模块。第一获取模块和第二获取模块两者都是获取模块，但其不是同一个获取模块。
需要说明的是，当元件被称为“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本申请。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
本申请提供一种抑制相干反斯托克斯拉曼散射显微镜非共振背景信号的系统。其中，全部的CARS信号构成可表示为以下形式：
Figure BDA0002737093940000091
包括共振部分
Figure BDA0002737093940000092
非共振部分
Figure BDA0002737093940000093
和两者的耦合项
Figure BDA0002737093940000094
上述抑制相干反斯托克斯拉曼散射显微镜非共振背景信号的系统包括激光源10、声光调制装置20、第一延迟单元30、第二延迟单元40、合束器50以及啁啾展宽元件60。激光源10用于同步发射两路激光。第一路激光为斯托克斯光路，第二路激光为泵浦光路。声光调制装置20设置于第一路激光的光路上，用于对斯托克斯光进行强度调制，以预设频率交替产生一级衍射光或零级衍射光，并对一级衍射光和零级衍射光进行分离，分别形成第一子光路和第二子光路。第一延迟单元30设置于第二路激光的光路上，用于同步零级衍射光和泵浦光。第二延迟单元40设置于第一子光路上，用于同步一级衍射光和泵浦光。合束器50用于将第一子光路、第二子光路和第二路激光在空间上合为第一光束。啁啾展宽元件60设置于第一光束的出光方向，用于对第一光束进行啁啾展宽，以得到第一频率组合光和第二频率组合光。第一频率组合光和第二频率组合光以预设频率交替出现，以实现频率调制，进而实现抑制相干反斯托克斯拉曼散射显微镜非共振背景信号。
具体的请参见图1，激光源10选用具有同步的双路激光输出的激光光源，其脉冲为变换受限的飞秒激光脉冲。其中一路激光波长固定，选作斯托克斯光(ωS)，可选用1030nm，1045nm或1064nm的波长。另外一路激光波长可调谐，选作泵浦光(ωP)，调谐范围为680nm-1300nm。可选地，利用固体激光器提供两束同步的飞秒激光。其中一束作为斯托克斯光(ωS)，波长1045nm，脉冲时间220fs，功率3.5W。另一束作为泵浦光(ωP)，波长可调谐范围680nm-1300nm，脉冲时间120fs，功率1W。激光器重复频率80MHz。
声光调制装置20包括声光调制器21、透镜组22和平面反射镜23。合束器50可以包括分光镜51和二向色镜52。声光调制器21以给定参考频率在工作状态“on”和非工作状态“off”之间进行切换，分别提供一级衍射光(ωS2)和零级衍射光(ωS1)，并对原始激光的参数(波长、波长带宽、脉冲宽度等)不会造成影响，一级衍射光相对于零级衍射光激光功率会有所降低。两级衍射光的调制深度、调制后的激光强度和出现时间如附图3所示。斯托克斯光经过声光调制器21后，利用透镜组22进行扩束，并利用平面反射镜23将一级衍射光和零级衍射光分离，进入两路单独的光路进行传导。一级衍射光通过第二延迟单元40，调整与零级衍射光的时间延迟，并同时调节与泵浦光的时间延迟，使其同泵浦光同时到达样品处。后通过分光镜51与零级衍射光汇合。
在泵浦光路存在第一延迟单元30，用于调节泵浦光同零级衍射光的时间延迟，使两束激光同时到达样品处。泵浦光和两级斯托克斯光经光路传导后，通过二向色镜52在空间上汇合并保持共线。随后通过啁啾展宽元件60，对泵浦光和斯托克斯光在时域上进行展宽，通过调节泵浦光与斯托克斯光不同的时间延迟状态，可得到不同的ωP-ωS。一级衍射光相对于零级衍射光的时间延迟使泵浦光和斯托克斯光可形成不同的ωP-ωS1(第二频率组合光)和ωP-ωS2(第一频率组合光)。并且ωP-ωS1和ωP-ωS2会以声光调制器21的调制频率交替出现，从而实现频率调制。其中，所述啁啾展宽元件60可以为SF11材质的光学玻璃棒。ωP-ωS1可定位于共振位置。ωP-ωS2可定位于非共振背景位置。请参见图2，非共振背景信号在全光谱范围内是一个常量。通过频率调制可得到由CARS信号和非共振背景信号构成的调制信号，通过对该调制信号的解调，可实时去除非共振背景信号。
通过玻璃棒后，可以利用光学元件将泵浦光和斯托克斯光传导至显微镜系统，通过物镜130聚焦于样品上，使ωP-ωS1共振于所需测试样品的化学键的振动频率，ωP-ωS2远离测试样品的化学键振动频率。据此将得到CARS信号和非共振背景信号。激发的CARS信号和非共振背景信号通过聚光镜收集，通过滤波器进入光电倍增管152，最后进入锁相放大器153对信号进行解调，从而获得去除非共振背景信号的CARS信号。滤波器可以为带通滤波片。
本实施例中，提出了一种利用声光调制器21的衍射光和高光谱技术相结合的方案，对CARS显微镜的非共振背景信号进行抑制。上述抑制相干反斯托克斯拉曼散射显微镜非共振背景信号的系统不需要额外增加激光器或者重新设计激光器谐振腔，仅利用声光调制装置20和啁啾展宽元件60配合使用即可得到第一频率组合光和第二频率组合光，以实现频率调制，进而可以简化系统，并可实时消除CARS的非共振背景信号。
在其中一个实施例中，抑制相干反斯托克斯拉曼散射显微镜非共振背景信号的系统还包括第一激光调整组件70和第二激光调整组件80。第一激光调整组件70设置于声光调制装置20的输入端，用于对斯托克斯光的功率进行调整，并对斯托克斯光进行扩束。第二激光调整组件80设置于第一延迟单元30的输入端，用于对泵浦光的功率进行调整，并对泵浦光进行扩束。
第一调整组件包括第一二分之一波片71和第一偏振分光棱镜72。第二激光调整组件80包括第二二分之一波片81和第二偏振分光棱镜82。
泵浦光出激光器，经过第二二分之一波片81(HWP)对其偏振方向进行调整，同时第二偏振分光棱镜82(PBS)只允许垂直或水平分量的激光通过，第二二分之一波片81搭配第二偏振分光棱镜82对其激光功率进行调整。出偏振分光棱镜后进入透镜组22，对泵浦光进行扩束，使其到达显微镜的物镜130处时可覆盖物镜130的后入光口。扩束后，泵浦光到达第一延迟单元30。
斯托克斯光出激光器，经过第一二分之一波片71(HWP)对其偏振方向进行调整，搭配第一偏振分光棱镜72(PBS)对其激光功率进行调整。出第一偏振分光棱镜72后进入透镜组22，对斯托克斯光进行扩束，使其到达显微镜的物镜130处时可覆盖物镜130的后入光口。在透镜组22焦点上放置一声光调制器21，对斯托克斯光进行强度调制。
在其中一个实施例中，抑制相干反斯托克斯拉曼散射显微镜非共振背景信号的系统还包括第三激光调整组件90。第三激光调整组件90设置于声光调制装置20的输出端，并位于第二子光路上，用于对零级衍射光的功率进行调整。第三激光调整组件90包括第三二分之一波片91和第三偏振分光棱镜92。零级衍射光通过第三二分之一波片91和第三偏振分光棱镜92对其功率进行调整，使零级衍射光和一级衍射光所产生的非共振背景信号强度一致。两级衍射光在二向色镜52处同泵浦光汇合，在空间上共线。
本申请提供一种相干反斯托克斯拉曼散射显微成像系统，包括上述实施例中任一项的抑制相干反斯托克斯拉曼散射显微镜非共振背景信号的系统、扫描单元110以及探测器150。
扫描单元110设置于啁啾展宽元件60的出光方向，以利用第一频率组合光和第二频率组合光对样品进行扫描，进而获得相干反斯托克斯拉曼散射谱。探测器150设置于样品的光输出方向，用于探测相干反斯托克斯拉曼散射谱，进而获得相干反斯托克斯拉曼散射图像。
利用扫描单元110将泵浦光和斯托克斯光传导至显微镜系统，通过物镜130聚焦于样品上，使ωP-ωS1共振于所需测试样品的化学键的振动频率，ωP-ωS2远离测试样品的化学键振动频率。据此将得到CARS信号和非共振背景信号。激发的CARS信号和非共振背景信号通过聚光镜收集，通过滤波器进入光电倍增管152，最后进入锁相放大器153对信号进行解调，从而获得去除非共振背景信号的CARS信号。滤波器可以为带通滤波片。
本申请提供一种相干反斯托克斯拉曼散射显微成像系统。上述相干反斯托克斯拉曼散射显微成像系统包括上述实施例中任一项的抑制相干反斯托克斯拉曼散射显微镜非共振背景信号的系统、样品台120以及探测器150。探测器150包括过滤器151、光电倍增管152以及锁相放大器153。
样品台120用于动态承载样品，以利用第一频率组合光和第二频率组合光对样品进行扫描，进而获得相干反斯托克斯拉曼散射谱。探测器150设置于样品的光输出方向，用于探测相干反斯托克斯拉曼散射谱，进而获得相干反斯托克斯拉曼散射图像。通过物镜130聚焦于样品上，使ωP-ωS1共振于所需测试样品的化学键的振动频率，ωP-ωS2远离测试样品的化学键振动频率。据此将得到CARS信号和非共振背景信号。激发的CARS信号和非共振背景信号通过聚光镜140收集，通过滤波器进入光电倍增管152，最后进入锁相放大器153对信号进行解调，从而获得去除非共振背景信号的CARS信号。滤波器可以为带通滤波片。此实施例相对于图1来说，减少了扫描单元110的设置，替换为动态承载样品的样品台120。
请参见图5，本申请提供一种抑制相干反斯托克斯拉曼散射显微镜非共振背景信号的方法。上述抑制相干反斯托克斯拉曼散射显微镜非共振背景信号的方法包括：
S10，同步发射两路激光，第一路激光为斯托克斯光，第二路激光为泵浦光；
S20，对斯托克斯光进行强度调制，以预设频率交替产生一级衍射光或零级衍射光；
S30，对一级衍射光和零级衍射光进行分离，分别形成第一子光路和第二子光路；
S40，同步零级衍射光和泵浦光，并同步一级衍射光和泵浦光；
S50，将第一子光路、第二子光路和第二路激光在空间上合为第一光束；
S60，对第一光束进行啁啾展宽，以得到第一频率组合光和第二频率组合光，第一频率组合光和第二频率组合光以预设频率交替出现，以实现频率调制，进而实现抑制相干反斯托克斯拉曼散射显微镜非共振背景信号。
该方法是基于上述抑制相干反斯托克斯拉曼散射显微镜非共振背景信号的系统实施的方法，作为该方法的进一步改进，同样可以基于上述成像系统实施，例如，还包括对斯托克斯光的功率进行调整，并对斯托克斯光进行扩束；对泵浦光的功率进行调整，并对泵浦光进行扩束。进一步地，还包括对零级衍射光的功率进行调整。
上述抑制相干反斯托克斯拉曼散射显微镜非共振背景信号的方法采用了上述抑制相干反斯托克斯拉曼散射显微镜非共振背景信号的系统，利用声光调制装置20和啁啾展宽元件60配合使用即可得到第一频率组合光和第二频率组合光，以实现频率调制，进而可以简化系统，并可实时消除CARS的非共振背景信号。
请参见图6，本申请提供一种相干反斯托克斯拉曼散射显微成像方法。上述相干反斯托克斯拉曼散射显微成像方法包括：
S10，同步发射两路激光，第一路激光为斯托克斯光，第二路激光为泵浦光；
S20，对斯托克斯光进行强度调制，以预设频率交替产生一级衍射光或零级衍射光；
S30，对一级衍射光和零级衍射光进行分离，分别形成第一子光路和第二子光路；
S40，同步零级衍射光和泵浦光，并同步一级衍射光和泵浦光；
S50，将第一子光路、第二子光路和第二路激光在空间上合为第一光束；
S60，对第一光束进行啁啾展宽，以得到第一频率组合光和第二频率组合光，第一频率组合光和第二频率组合光以预设频率交替出现；
S70，利用第一频率组合光和第二频率组合光对样品进行扫描，进而获得相干反斯托克斯拉曼散射谱；
S80，探测相干反斯托克斯拉曼散射谱，进而获得相干反斯托克斯拉曼散射图像。
该方法是基于上述相干反斯托克斯拉曼散射显微成像系统实施的方法，作为该方法的进一步改进，同样可以基于上述成像系统实施，此处不再赘述。
上述相干反斯托克斯拉曼散射显微成像方法采用了上述抑制相干反斯托克斯拉曼散射显微镜非共振背景信号的系统，利用声光调制装置20和啁啾展宽元件60配合使用即可得到第一频率组合光和第二频率组合光，以实现频率调制，进而可以简化系统，并可实时消除CARS的非共振背景信号。在消除非共振背景信号，提高探测灵敏度的同时，提高了CARS显微镜的光谱分辨率并可提供光谱信息，同时可对化学样品或生物样品进行实时的定量和定性分析。
图7为本实施例的实验效果图，测试样品为100％二甲基亚砜(DMSO)溶液，第一频率组合光和第二频率组合光的探测频率均为2913cm-1。当只有0级光进行探测时，为正常CARS成像图像，当1级光和0级光同时出现时，在样品相同位置上，其信号强度降低44.4％。证明了该方案对全光谱范围内为常量的非共振背景信号进行实时抑制的可行性。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对申请专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种抑制相干反斯托克斯拉曼散射显微镜非共振背景信号的系统，其特征在于，包括：
激光源，用于同步发射两路激光，第一路激光为斯托克斯光，第二路激光为泵浦光；
声光调制装置，包括声光调制器、透镜组和平面反射镜，设置于所述第一路激光的光路上，所述斯托克斯光经过所述声光调制器对所述斯托克斯光进行强度调制，所述声光调制器以预设频率在工作状态和非工作状态之间进行切换，分别提供一级衍射光和零级衍射光，利用所述透镜组对所述一级衍射光和所述零级衍射光进行扩束，并利用所述平面反射镜对所述一级衍射光和所述零级衍射光进行分离，分别形成第一子光路和第二子光路；第一延迟单元，设置于所述第二路激光的光路上，用于同步所述零级衍射光和所述泵浦光；
第二延迟单元，设置于所述第一子光路上，用于同步所述一级衍射光和所述泵浦光；
合束器，用于将所述第一子光路、所述第二子光路和所述第二路激光在空间上合为第一光束；以及
啁啾展宽元件，设置于所述第一光束的出光方向，用于对所述第一光束进行啁啾展宽，以得到第一频率组合光和第二频率组合光，所述第一频率组合光和所述第二频率组合光以所述预设频率交替出现，以实现频率调制，进而实现抑制相干反斯托克斯拉曼散射显微镜非共振背景信号。
2.根据权利要求1所述的抑制相干反斯托克斯拉曼散射显微镜非共振背景信号的系统，其特征在于，还包括：
第一激光调整组件，设置于所述声光调制装置的输入端，用于对所述斯托克斯光的功率进行调整，并对所述斯托克斯光进行扩束；以及
第二激光调整组件，设置于所述第一延迟单元的输入端，用于对所述泵浦光的功率进行调整，并对所述泵浦光进行扩束。
3.根据权利要求2所述的抑制相干反斯托克斯拉曼散射显微镜非共振背景信号的系统，其特征在于，还包括：
第三激光调整组件，设置于所述声光调制装置的输出端，并位于所述第二子光路上，用于对所述零级衍射光的功率进行调整。
4.一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1-3中任一项所述的抑制相干反斯托克斯拉曼散射显微镜非共振背景信号的系统；
样品台，用于动态承载样品，以利用所述第一频率组合光和第二频率组合光对所述样品进行扫描，进而获得相干反斯托克斯拉曼散射谱；以及
探测器，设置于所述样品的光输出方向，用于探测所述相干反斯托克斯拉曼散射谱，进而获得相干反斯托克斯拉曼散射图像。
5.一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1-3中任一项所述的抑制相干反斯托克斯拉曼散射显微镜非共振背景信号的系统；
扫描单元，设置于啁啾展宽元件的出光方向，以利用所述第一频率组合光和第二频率组合光对样品进行扫描，进而获得相干反斯托克斯拉曼散射谱；以及
探测器，设置于所述样品的光输出方向，用于探测所述相干反斯托克斯拉曼散射谱，进而获得相干反斯托克斯拉曼散射图像。
6.一种抑制相干反斯托克斯拉曼散射显微镜非共振背景信号的方法，其特征在于，利用权利要求1-3中任一项所述的抑制相干反斯托克斯拉曼散射显微镜非共振背景信号的系统实现其方法，包括：
同步发射两路激光，第一路激光为斯托克斯光，第二路激光为泵浦光；
对所述斯托克斯光进行强度调制，以预设频率交替产生一级衍射光和零级衍射光；
对所述一级衍射光和所述零级衍射光进行分离，分别形成第一子光路和第二子光路；
同步所述零级衍射光和所述泵浦光，并同步所述一级衍射光和所述泵浦光；
将所述第一子光路、所述第二子光路和所述第二路激光在空间上合为第一光束；
对所述第一光束进行啁啾展宽，以得到第一频率组合光和第二频率组合光，所述第一频率组合光和所述第二频率组合光以所述预设频率交替出现，以实现频率调制，进而实现抑制相干反斯托克斯拉曼散射显微镜非共振背景信号。
7.根据权利要求6所述的抑制相干反斯托克斯拉曼散射显微镜非共振背景信号的方法，其特征在于，还包括：
对所述斯托克斯光的功率进行调整，并对所述斯托克斯光进行扩束；
对所述泵浦光的功率进行调整，并对所述泵浦光进行扩束。
8.根据权利要求6所述的抑制相干反斯托克斯拉曼散射显微镜非共振背景信号的方法，其特征在于，还包括：
对所述零级衍射光的功率进行调整。
9.一种相干反斯托克斯拉曼散射显微成像方法，其特征在于，利用权利要求4或5中任一项所述的相干反斯托克斯拉曼散射显微成像系统实现其方法，包括：
同步发射两路激光，第一路激光为斯托克斯光，第二路激光为泵浦光；
对所述斯托克斯光进行强度调制，以预设频率交替产生一级衍射光和零级衍射光；
对所述一级衍射光和所述零级衍射光进行分离，分别形成第一子光路和第二子光路；
同步所述零级衍射光和所述泵浦光，并同步所述一级衍射光和所述泵浦光；
将所述第一子光路、所述第二子光路和所述第二路激光在空间上合为第一光束；
对所述第一光束进行啁啾展宽，以得到第一频率组合光和第二频率组合光，所述第一频率组合光和所述第二频率组合光以所述预设频率交替出现；
利用所述第一频率组合光和第二频率组合光对样品进行扫描，进而获得相干反斯托克斯拉曼散射谱；
探测所述相干反斯托克斯拉曼散射谱，进而获得相干反斯托克斯拉曼散射图像。
10.根据权利要求9所述的相干反斯托克斯拉曼散射显微成像方法，其特征在于，还包括：
对所述斯托克斯光的功率进行调整，并对所述斯托克斯光进行扩束；
对所述泵浦光的功率进行调整，并对所述泵浦光进行扩束；
对所述零级衍射光的功率进行调整。
CN202011137163.6A 2020-10-22 2020-10-22 抑制相干反斯托克斯拉曼散射显微镜非共振背景信号的方法、成像方法及系统 Active CN112462507B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202011137163.6A CN112462507B (zh) 2020-10-22 2020-10-22 抑制相干反斯托克斯拉曼散射显微镜非共振背景信号的方法、成像方法及系统

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202011137163.6A CN112462507B (zh) 2020-10-22 2020-10-22 抑制相干反斯托克斯拉曼散射显微镜非共振背景信号的方法、成像方法及系统

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN112462507A CN112462507A (zh) 2021-03-09
CN112462507B true CN112462507B (zh) 2022-05-10

Family

ID=74833249

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202011137163.6A Active CN112462507B (zh) 2020-10-22 2020-10-22 抑制相干反斯托克斯拉曼散射显微镜非共振背景信号的方法、成像方法及系统

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN112462507B (zh)

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN105043987A (zh) * 2015-08-26 2015-11-11 哈尔滨工业大学 一种测量光子回波光谱的实验装置
CN106200206A (zh) * 2016-08-29 2016-12-07 清华大学 基于双孤子脉冲产生的相干反斯托克斯拉曼显微成像系统
CN111474802A (zh) * 2020-05-09 2020-07-31 山西大学 一种同时产生压缩态光场以及纠缠态光场的装置

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP4212471B2 (ja) * 2001-07-03 2009-01-21 プレジデント アンド フェローズ オブ ハーバード カレッジ 偏光コヒーレントアンチストークスラマン散乱顕微鏡使用のシステム及び方法
US7352458B2 (en) * 2005-10-26 2008-04-01 President And Fellows Of Harvard College System and method for high sensitivity vibrational imaging with frequency modulation coherent anti-stokes Raman scattering analyses
WO2018118646A1 (en) * 2016-12-19 2018-06-28 Purdue Research Foundation A stimulated raman spectroscopic microscope by resonant delay-line tuning
EP3679355A4 (en) * 2017-09-08 2022-02-16 Purdue Research Foundation PROCEDURE FOR DETERMINING ANTIBIOTIC SUSCEPTIBILITY BY SIMULATED RAMAN METABOLISM IMAGING

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN105043987A (zh) * 2015-08-26 2015-11-11 哈尔滨工业大学 一种测量光子回波光谱的实验装置
CN106200206A (zh) * 2016-08-29 2016-12-07 清华大学 基于双孤子脉冲产生的相干反斯托克斯拉曼显微成像系统
CN111474802A (zh) * 2020-05-09 2020-07-31 山西大学 一种同时产生压缩态光场以及纠缠态光场的装置

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
CARS光谱中非共振背景的分离和抑制方法的理论研究;钟力科;《中国优秀博硕士学位论文全文数据库 (硕士) 基础科学辑》;20070415;第1-76页 *
High-sensitivity vibrational imaging with frequency modulation coherent anti-Stokes Raman scattering (FM CARS) microscopy;Feruz Ganikhanov 等;《OPTICS LETTERS》;20060615;第31卷(第12期);第1872-1874页 *

Also Published As

Publication number Publication date
CN112462507A (zh) 2021-03-09

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US7388668B2 (en) Phase sensitive heterodyne coherent anti-Stokes Raman scattering micro-spectroscopy and microscopy
JP4860705B2 (ja) 周波数変調コヒーレントアンチストークスラマン散乱分析による高感度振動イメージングのためのシステムおよび方法
US8064053B2 (en) 3-color multiplex CARS spectrometer
EP2601514B1 (en) Method and apparatus for non-resonant background reduction in coherent anti-stokes raman scattering (cars) spectroscopy
US8488118B2 (en) Apparatus and method for multi-modal imaging in nonlinear raman microscopy
JP2010169686A (ja) スペクトル・時間励起成形によるコヒーレント・ラマン顕微鏡法における選択的検出およびイメージングのためのシステムおよび方法
US20140043606A1 (en) Stimulated raman scattering detection apparatus
EP0352789A3 (en) Photoacoustic signal detecting device
CN112462507B (zh) 抑制相干反斯托克斯拉曼散射显微镜非共振背景信号的方法、成像方法及系统
KR101316548B1 (ko) 광―바이어스 이중변조 및 주파수 합성법을 이용하여 고속 고감도 측정이 가능한 시간 영역 분광기
JP2011175093A (ja) レーザ顕微鏡装置
KR102261858B1 (ko) 2차원 분광 시스템 및 분석 방법
JP2013003204A (ja) レーザ顕微鏡装置
JP5508901B2 (ja) レーザ顕微鏡装置の作動方法
US10132681B2 (en) Noise reduction apparatus and detection apparatus including the same
JP5198213B2 (ja) レーザ顕微鏡装置
JP4678236B2 (ja) 光学特性測定装置
CN116380856A (zh) 瞬态受激拉曼激发荧光光谱方法与系统
JP2011197578A (ja) Ｃａｒｓ光用ユニットおよび顕微鏡システム
CN115753728A (zh) 双脉冲受激傅里叶变换相干反斯托克斯拉曼光谱探测系统
JPH04269644A (ja) 光エコー顕微鏡
WO2021242100A1 (en) Simultaneous space-time resolution broadband coherent raman microscope with in-situ spectral referencing
CN115326781A (zh) 一种双频受激拉曼散射显微成像系统
JPH05273130A (ja) 光エコー顕微鏡
WO2023097405A1 (en) Chirp modulation simulated raman scattering microscopy

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant