CN114813699B - 一种量子增强的拉曼光谱关联检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种量子增强的拉曼光谱关联检测装置，涉及激光拉曼检测技术领域。装置包括：激光发射系统、整形系统、衰减系统、平衡探测器和锁相放大器；激光发射系统产生明亮振幅压缩光和双色量子关联光；双色量子关联光为第一和第二近红外激光；整形系统接收明亮振幅压缩光和第一近红外激光且将其聚焦至待测样本；整形系统还将透过待测样本的光中的第一近红外激光过滤，得到透过后的明亮振幅压缩光；衰减系统对第二近红外激光进行衰减以得到衰减激光；平衡探测器探测透过后的明亮振幅压缩光和衰减激光并计算两者的差值得到关联信号；锁相放大器确定关联信号的幅值并根据幅值得到待测样本的拉曼光谱。本发明能有效增强拉曼光谱探测的信噪比。

Description

一种量子增强的拉曼光谱关联检测装置

技术领域

本发明涉及激光拉曼检测技术领域，特别是涉及一种量子增强的拉曼光谱关联检测装置。

背景技术

拉曼光谱是基于拉曼散射效应的一种光谱分析技术，通过特征频移来反映物质分子结构或成分的信息。拉曼光谱检测是针对特定的化学键振动进行测量，与常规化学分析技术相比，拉曼光谱技术不需要额外染料分子或荧光蛋白标记，有非侵入性和可在体测量的优点，对生物和医学领域有着非常重要的作用。拉曼光谱不仅可以用于蛋白质、核酸和脂类等生物大分子无损伤的快速检测，而且可以用于癌症的诊断与手术治疗。通过对比正常组织与癌变组织的拉曼光谱，可以找到两种组织特征吸收峰的差异，从而为癌症的最终确诊和对肿瘤范围的确切切除提供重要信息。

光学检测技术具有检测限低、分析速度快、可实现实时活体检测等诸多优点，在疾病生物标志物检测方面具有明显的优势。利用光谱检测技术可实现对物质的结构、成分、浓度等的分析检测，该技术有很多优越性，如不受光频率的限制，检测范围广，实现对样品无损检测，适于溶液体系的测量，可进行低浓度微量样品检测，实时实地检测等。

虽然拉曼光谱已成为研究分子键空间动力学的一种强大工具，具有高灵敏度、高分辨率和高速测量的优点，但其灵敏度和成像速度从根本上受到探测激光的噪声水平(通常是散粒噪声)的限制，虽然可以通过增加注入激光的功率来实现提高。但在生命系统中，会由于功率过高使样本环境温度上升过多而造成热损伤等，所以需要保持低功率以避免改变待测体的生理特性。因此如何克服散粒噪声极限的限制，在探测光功率密度不增加的条件下提高拉曼光谱探测的信噪比是目前亟待解决的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种量子增强的拉曼光谱关联检测装置，以有效地增强拉曼光谱探测的信噪比。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种量子增强的拉曼光谱关联检测装置，所述装置包括：

激光发射系统，用于产生明亮振幅压缩光和双色量子关联光；所述双色量子关联光包括第一近红外激光和第二近红外激光；

整形系统，用于接收所述明亮振幅压缩光和所述第一近红外激光，且将所述明亮振幅压缩光和所述第一近红外激光聚焦至待测样本；所述整形系统还用于将透过所述待测样本的光中的第一近红外激光过滤，得到透过后的明亮振幅压缩光；

衰减系统，设置在所述第二近红外激光的出射光路上，用于对所述第二近红外激光进行衰减，以得到衰减激光；

平衡探测器，用于探测所述透过后的明亮振幅压缩光和所述衰减激光，并计算所述透过后的明亮振幅压缩光和所述衰减激光的差值，得到关联信号；

锁相放大器，与所述平衡探测器连接，用于确定所述关联信号的幅值，并根据所述幅值得到所述待测样本的拉曼光谱。

可选地，所述激光发射系统包括：

激光器，用于发射第一激光和第二激光；

第一振荡器，设置在所述第一激光的出射光路上，用于对所述第一激光进行调谐以得到真空压缩光；

第二振荡器，设置在所述第一激光的反射光路上，用于对所述第一激光进行调谐以得到双色量子关联光；

耦合模块，分别设置在所述真空压缩光和所述第二激光的出射光路上，用于对所述真空压缩光和所述第二激光进行耦合，并将耦合得到的明亮振幅压缩光发射至所述整形系统。

可选地，所述耦合模块包括：

第一透镜，设置在所述第二激光的出射光路上，用于将所述第二激光反射至分束镜；

分束镜，设置在所述第一振荡器的出射光路上且位于所述第一透镜的反射光路上，用于对所述真空压缩光和所述第二激光进行耦合，并将耦合得到的明亮振幅压缩光反射至第二透镜；

第二透镜，设置在所述分束镜的反射光路上，用于将所述明亮振幅压缩光反射至第三透镜；

第三透镜，设置在所述第二透镜的反射光路上，用于将所述明亮振幅压缩光反射至所述整形系统。

可选地，所述装置还包括：

第一强度调制器，设置在所述第一近红外激光的出射光路上，用于对所述第一近红外激光进行光强调制，并将调制后的第一近红外激光发射至所述整形系统；

第二强度调制器，设置在所述第二近红外激光的出射光路上，用于对所述第二近红外激光进行光强调制，并将所述调制后的第二近红外激光发射至所述衰减系统；

所述锁相放大器还用于在确定所述关联信号的幅值之前，对所述关联信号进行解调。

可选地，所述整形系统包括：

第四透镜，用于接收所述明亮振幅压缩光和所述第一近红外激光，且将所述明亮振幅压缩光和所述第一近红外激光聚焦至待测样本上；所述待测样本设置在所述第四透镜的出射面上；

第八透镜，设置在待测样本的透射光路上，用于对透过待测样本的光进行收集且传送至滤波片；

滤波片，设置在待测样本的透射光路上且设置在所述第八透镜的出射光路上，用于将透过所述待测样本的光中的第一近红外激光过滤，得到透过后的明亮振幅压缩光。

可选地，所述衰减系统包括：

第七透镜，设置在所述第二强度调制器的出射光路上，用于将所述第二近红外激光反射；

衰减控制器，设置在所述第七透镜的反射光路上，用于对所述第二近红外激光进行强度衰减，得到衰减激光。

可选地，所述激光发射系统还包括：

第五透镜，设置在所述第一激光的出射光路上，用于将所述第一激光透射至所述第一振荡器，并将所述第一激光反射出去；

第六透镜，设置在所述第五透镜的反射光路上，用于将所述第一激光反射至所述第二振荡器。

可选地，所述装置还包括：

二向色镜，设置在所述第三透镜的反射光路上且位于所述第一近红外激光的出射光路上，用于将所述第一近红外激光和所述明亮振幅压缩光传送至所述整形系统。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

本发明实施例提供的量子增强的拉曼光谱关联检测装置，采用明亮振幅压缩光和双色量子关联光实现光谱检测，采用明亮振幅压缩光能降低检测过程中由入射斯托克斯光的散粒噪声导致的背景噪声，并且将明亮振幅压缩光和第一近红外激光聚焦至待测样本，第一近红外激光作为泵浦光通过受激拉曼散射过程产生额外的斯托克斯光(即受激拉曼增益)，这部分斯托克斯光的噪声由泵浦光噪声传递而来，通过将这部分斯托克斯光与第二红外激光通过平衡探测器进行关联探测可以去除泵浦传递噪声。通过这两次量子增强，拉曼光谱探测的信噪比会得到较大的提高。本发明能在降低背景噪声的同时，增强拉曼光谱，因此，能有效地增强拉曼光谱探测的信噪比。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例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发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的量子增强的拉曼光谱关联检测装置的结构图。

符号说明：

激光器-1、第五透镜-2、第一振荡器-3、分束镜-4、第六透镜-5、第二振荡器-6、第一强度调制器-7、二向色镜-8、整形系统-9、第七透镜-10、衰减控制器-11、平衡探测器-12、锁相放大器-13、第一透镜-14、第二透镜-15、第二强度调制器-16、第四透镜-17、滤波片-18、第三透镜-19、激光发射系统-20、耦合模块-21、衰减系统-22、待测样本-23、第八透镜-24。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种量子增强的拉曼光谱关联检测装置，采用明亮振幅压缩光和双色量子关联光实现光谱检测，采用明亮振幅压缩光能降低检测过程中由入射斯托克斯光的散粒噪声导致的背景噪声，并且将明亮振幅压缩光和第一近红外激光聚焦至待测样本，第一近红外激光作为泵浦光通过受激拉曼散射过程产生额外的斯托克斯光即受激拉曼增益，这部分斯托克斯光的噪声由泵浦光噪声传递而来，通过将这部分斯托克斯光与第二红外激光通过平衡探测器进行关联探测可以去除泵浦传递噪声。通过这两次量子增强，拉曼光谱探测的信噪比会得到较大的提高。本发明能在降低背景噪声的同时，增强拉曼光谱，因此，能有效地增强拉曼光谱探测的信噪比。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

如图1所示，本实施例的量子增强的拉曼光谱关联检测装置，该装置包括：激光发射系统20、整形系统9、衰减系统22、平衡探测器12和锁相放大器13；衰减系统22设置在第二近红外激光的出射光路上；锁相放大器13与平衡探测器12连接。

激光发射系统20用于产生明亮振幅压缩光和双色量子关联光；双色量子关联光包括第一近红外激光和第二近红外激光。

具体地，激光发射系统20包括激光器1、第一振荡器3、第二振荡器6和耦合模块21。激光器1用于发射第一激光和第二激光；第一振荡器3设置在第一激光的出射光路上，用于对第一激光进行调谐以得到真空压缩光；第二振荡器6设置在第一激光的反射光路上，用于对第一激光进行调谐以得到双色量子关联光；耦合模块21分别设置在真空压缩光和第二激光的出射光路上，用于对真空压缩光和第二激光进行耦合，并将耦合得到的明亮振幅压缩光发射至整形系统9。

进一步地，激光发射系统20还包括：第五透镜2和第六透镜5；第五透镜2设置在第一激光的出射光路上，用于将第一激光透射至所述第一振荡器3，并将第一激光反射出去；第六透镜5设置在第五透镜2的反射光路上，用于将第一激光反射至第二振荡器6。

具体地，耦合模块21包括：第一透镜14、分束镜4、第二透镜15和第三透镜19。第一透镜14设置在第二激光的出射光路上，用于将第二激光反射至分束镜4；分束镜4设置在第一振荡器3的出射光路上且位于第一透镜14的反射光路上，用于对真空压缩光和第二激光进行耦合，并将耦合得到的明亮振幅压缩光反射至第二透镜15；第二透镜15设置在分束镜4的反射光路上，用于将明亮振幅压缩光反射至第三透镜19；第三透镜19设置在第二透镜15的反射光路上，用于将明亮振幅压缩光反射至整形系统9。

整形系统9用于接收明亮振幅压缩光和第一近红外激光，且将明亮振幅压缩光和第一近红外激光聚焦至待测样本；整形系统9还用于将透过待测样本的光中的第一近红外激光过滤，得到透过后的明亮振幅压缩光。

进一步地，整形系统9包括：第四透镜17、第八透镜24和滤波片18；第四透镜17用于接收明亮振幅压缩光和第一近红外激光，且将明亮振幅压缩光和第一近红外激光聚焦至待测样本23上；待测样本23设置在第四透镜17的出射面上；第八透镜24设置在待测样本23的透射光路上，用于对透过待测样本23的光进行收集且传送至滤波片18；滤波片18设置在待测样本23的透射光路上且设置在第八透镜24的出射光路上，用于将透过待测样本23的光中的第一近红外激光过滤，得到透过后的明亮振幅压缩光。

衰减系统22用于对第二近红外激光进行衰减，以得到衰减激光；平衡探测器12用于探测透过后的明亮振幅压缩光和衰减激光，并计算透过后的明亮振幅压缩光和衰减激光的差值，得到关联信号；锁相放大器13用于确定关联信号的幅值，并根据幅值得到待测样本的拉曼光谱。

作为一种可选地实施方式，该装置还包括：第一强度调制器7和第二强度调制器16。

第一强度调制器7设置在第一近红外激光的出射光路上，用于对第一近红外激光进行光强调制，并将调制后的第一近红外激光发射至整形系统9；第二强度调制器16设置在第二近红外激光的出射光路上，用于对第二近红外激光进行光强调制，并将调制后的第二近红外激光发射至衰减系统22；锁相放大器13还用于在确定关联信号的幅值之前，对关联信号进行解调。

具体地，衰减系统22包括：第七透镜10和衰减控制器11；第七透镜10设置在第二强度调制器16的出射光路上，用于将第二近红外激光反射；衰减控制器11设置在第七透镜10的反射光路上，用于对第二近红外激光进行强度衰减，得到衰减激光。

进一步地，该装置还包括：二向色镜8；二向色镜8设置在第三透镜19的反射光路上且位于第一近红外激光的出射光路上，用于将第一近红外激光和明亮振幅压缩光传送至整形系统9。

由于光学检测技术具有检测限低、分析速度快、可实现实时活体检测等诸多优点，在疾病生物标志物检测方面具有明显的优势。利用光谱检测技术可实现对物质的结构、成分、浓度等的分析检测，该技术有很多优越性，如不受光源频率的限制，检测范围广，实现对样品无损检测，适于液体溶液体系的测量，可进行低浓度微量样品检测，实时实地检测等。所以，提高信噪比和灵敏度也是目前拉曼光谱检测研究的重中之重，目前报道的手段归为以下几类：

(1)增强拉曼散射的信号强度。

首先，可使用受激拉曼散射(Stimulated Raman Scattering,，SRS)光谱等技术通过相干放大提高拉曼散射的信号强度。SRS光谱技术是对活细胞和生物体进行实时振动成像的一个非常强大的技术，因此它实现了对生物系统性质更深入的了解。它基于受激激发下样品的拉曼跃迁，从而产生可测量的两个输入光束的受激拉曼损失和增益。它能够在较短采样时间的情况下进行非侵入的体内测量，并能够对脂质进行结构和动态成像，以及对健康和肿瘤脑组织进行表征。

其次，考虑到生物安全辐照剂量的限制，在探测光敏或热敏生物样本时，采用连续波单频激光作为泵浦光源可有效避免非线性光损伤，并在相同的平均功率条件下产生更高强度的拉曼信号，提高拉曼探测的信噪比。

第三，将待测分子吸附在粗糙的纳米金属材料表面，可使待测物的拉曼信号增强10的6-15次方倍，解决了普通拉曼光谱灵敏度低的问题，即表面增强拉曼光谱(Surfaceenhanced Raman Scattering,SERS)技术。SERS活性基底的制备是获得较高拉曼增强信号的前提条件，不同的增强基底对样品的增强效果差别很大，SERS活性基底的材料、纳米颗粒的形状及尺寸、探测物在活性基底上的吸附量和距离等因素都会影响SERS的增强效果。在研究中该技术常与SRS技术结合，实现对受激拉曼光谱检测灵敏度的增强。

(2)降低拉曼散射光谱的测量噪声。

当采用连续波单频激光作为SRS的泵浦光源之后，SRS光谱检测系统的主要噪声为经典相干光源所存在的散粒噪声，这导致光谱检测灵敏度存在采用经典检测技术不可突破的散粒噪声极限。所以利用压缩态光场可以突破散粒噪声极限，提高受激拉曼散射光谱检测信噪比的提高。

在量子增强拉曼光谱技术方面，2020年Andrade等用振幅压缩态光场降低SRS系统中斯托克斯光的量子噪声，在探测聚合物样品的拉曼频移为2950cm^-1的特征信号时，测得其信噪比(SNR)相对于采用经典光场的SRS的信噪比(SNR)有3.60dB的量子增强。

上述方案是与本发明最接近的技术方案，二者的相似之处为：均采用量子光源提高对拉曼光谱检测的信噪比。但是区别之处为：前者使用振幅压缩态光场一种量子光源，拉曼光谱检测方法与传统方法相同。而本发明提出的量子增强的拉曼光谱关联检测方法使用了振幅压缩态和双色量子关联光束2种量子光源、同时使用关联检测方法替代传统拉曼光谱检测方法，可实现SRS光谱测量信噪比的2次量子增强。本发明提出一种量子增强连续波相干拉曼光谱关联检测(Quantum enhanced continuous wave coherent Ramanspectroscopy based on correlation detection，QCRS)的方法，旨在利用量子光源和关联探测技术有效地增强拉曼光谱探测的信噪比。

目前很多拉曼光谱检测利用脉冲光作为拉曼光谱的激发光源，但脉冲激光器的昂贵价格大大限制了拉曼光谱检测装置在普通生物学实验上和医学实验室的应用。虽然连续波激发的拉曼信号，与脉冲激光器相比弱10⁶，但连续波激光对生物组织的光损伤很小，并且理论上可以提高泵浦光的能量来提高受激拉曼散射信号的强度。之后研究小组提出将待测分子吸附在一些材料表面可以很大程度地提高拉曼信号强度，即表面增强拉曼光谱。但其过程需要引入外界材料，适用范围窄，不适用于生物活体等样本。此外，尽管信号在上述技术下有所提高，但其拉曼光谱检测的灵敏度和信噪比根本上会受到探测激光的噪声水平(通常是散粒噪声)的限制，虽然可以通过增加注入激光的功率来实现提高。但在生命系统中，过高的光功率会改变待测体的生理特性，例如由于功率过高使样本环境温度上升过多而造成的热损伤等。所以有小组提出利用振幅压缩态光场实现连续波SRS光谱的量子增强的方案，制备明亮压缩态光场替代斯托克斯光场以提高SRS探测的信噪比，但方案中忽略了探测过程中泵浦光的背景噪声对测量信噪比的影响。

基于上述技术的缺点，本发明提出：在利用经典技术实现最大程度增强检测信噪比的同时，运用量子光场的方式突破散粒噪声极限。在SRS检测中，利用明亮振幅压缩态光场有效地降低由入射的斯托克斯光场的强度起伏导致的背景噪声，采用双色量子关联光束作为泵浦光和参考光进行关联探测，降低泵浦光场的SRS耦合导致的背景噪声。因此，本发明提出的技术可以在较低的激光峰值功率、不引入外源物质的条件下，实现拉曼光谱检测信噪比的显著增强。

该发明提供的实施例的操作流程如下：

第一步，使用明亮振幅压缩态光作为斯托克斯光场，可调谐双色量子关联光源输出的1束可调谐激光经强度调制后作为泵浦光场，也就是第一近红外激光。具体的，利用连续波单频双波长激光器1的第一激光经过第五透镜2泵浦基于I类晶体的光学参量振荡器，即第一振荡器3，其运转在阈值以下获得真空压缩态光。第二激光与真空压缩态光在分束镜4上耦合，获得明亮振幅压缩态光。

激光器1的第一激光经过第五透镜2反射后经第六透镜5泵浦基于II类晶体的非简并光学参量振荡器，也就是第二振荡器6，得到中心波长可调谐且位于近红外生物光学窗口的双色量子关联光源，也就是双色量子关联光。

第二步，利用同步空间模式整形系统9将泵浦光(第一近红外激光)和斯托克斯光共聚焦到待测样本上。第三步，利用双色量子关联光源的另1束作为参考光即第二近红外激光，利用平衡探测器12的平衡探测技术对经过样品后透射的斯托克斯光与强度衰减的参考光进行关联探测，得到关联信号。第四步，使用锁相放大器13的相敏检波技术解调出受激拉曼增益信号，获得待测样本的QCRS光谱。

具体的操作过程如下：

利用输出1064nm和532nm的连续波单频双波长激光器1，532nm激光也就是第一激光泵浦基于I类晶体的光学参量振荡器，该光学参量振荡器为第一振荡器3，第一激光其运转在阈值以下获得真空压缩态光场，将真空压缩态光场与1064nm相干态光场也就是与第二激光在分数比为99:1的分束镜4上耦合，获得压缩度为6.80dB的1064nm明亮振幅压缩态光场；另一部分532nm激光，即另一部分的第一激光泵浦基于非简并光学参量振荡器，该非简并光学参量振荡器为第二振荡器6，制备得到中心波长可调谐且位于近红外生物光学窗口的双色量子关联光源，也就是双色量子关联光，分别输出1064～1570nm和800～1064nm可调谐激光，量子关联为2.0dB。

近红外I区可调谐激光(800nm～1064nm)，即第一近红外激光作为泵浦光场，锁相放大器13对振幅调制器加载正弦信号以对泵浦光即第一近红外激光进行强度调制；1064nm明亮振幅压缩态光场作为斯托克斯光场；使用一个二向色镜8将两光场在空间上整合并使之共线，即通过整形系统9进行聚焦共线，利用40×物镜也就是通过第四透镜17将两束光聚焦到橄榄油样本(待测样本)上，利用一个100×油浸物镜即第八透镜24对前向透射光进行收集，并用滤波片18滤除泵浦光即第一近红外激光，利用光电二极管也就是平衡探测器12对留下的斯托克斯光进行探测，输出的交流信号输入到锁相放大器13中，利用锁相放大器13的相敏检波技术解调出受激拉曼增益，调谐泵浦光场获得橄榄油的SRS光谱；近红外II区可调谐激光(1064nm～1570nm)即第二近红外激光作为参考光，在参考光路上放置强度衰减控制器11，并利用一对宽波段高增益平衡探测器12对样品后透射的斯托克斯光与强度衰减的参考光进行关联探测，获得待测样本的QCRS光谱，其信噪比得到进一步增强。

利用近红外I区可调谐激光即第一近红外激光作为泵浦光，1064nm相干态光场作为斯托克斯光，功率分为24mW和1.3mW，未加入参考光测量时信噪比为3.6dB；在上述条件下将斯托克斯光换为1064nm明亮振幅压缩态光场时测量得到的SRS信号，其信噪比为7.0dB；在前一个实验基础上，加入近红外II区可调谐激光即第二近红外激光作为参考光进行参考测量，其测量信噪比为8.2dB。

拉曼散射(Raman scattering)是由入射光与分子振转能级之间的非线性相互作用引起光频率变化的非弹性散射过程。由于每一种化学键或官能团均具有特异性的拉曼频移信号，拉曼散射光谱已被广泛应用于肿瘤组织检测、药物分子追踪、分子代谢、生命科学和生物医学成像等。

自发拉曼散射是1束泵浦光与物质相互作用，产生斯托克斯光和反斯托克斯光的过程，但是由于产生光场之间不具有相干性，光场能量均匀分布在4π立体角内，导致测量信号的强度极弱。为了获得高强度的光谱信号，一个可行的方法是利用1束泵浦光和1束斯托克斯光同时入射并与物质相互作用，经受激拉曼散射(SRS)过程产生的斯托克斯光场具有强相干性，能量集中在较小的空间体积内，可被光电探测器高效探测。

在SRS拉曼光谱检测过程中，测量信号为斯托克斯光场或泵浦光场的强度变化，其测量信噪比决定于可注入的光场强度和背景噪声。前者受生物安全辐照剂量的限制，无法进一步提高光场强度来增强测量信噪比；后者主要为入射的斯托克斯光场的强度起伏以及由泵浦光场的强度起伏通过SRS过程耦合产生的斯托克斯光场的强度起伏。因此，SRS光谱测量存在经典测量极限，即由光场真空起伏所决定的散粒噪声极限。

为突破散粒噪声对精密测量的限制，需要尽可能降低光场的量子噪声。海森堡测不准原理指出，当某一分量的量子噪声低于散粒噪声极限时，其共轭分量上的量子噪声势必高于散粒噪声极限。人们把量子噪声低于散粒噪声的某一分量光场称为压缩态光场。利用压缩态光场的噪声特性，使用被压缩的光场进行测量时，可以使测量结果突破散粒噪声极限，从而提高测量的信噪比和灵敏度。具有非经典特性和量子相关特性的连续变量光束对于获得灵敏度低于散粒噪声极限的精密探测也是至关重要的，当两束光的强度差起伏满足关系式：

<Δ²(X₁-X₂)>＜<X₁>+<X₂>

<Δ2(X1-X2)>＜<X1>+<X2>，

则称这两束光为量子关联光束，即强度差噪声低于散粒噪声极限，其中X₁、X₂分别表示光束1和光束2的正交振幅分量，Δ²(X₁-X₂)表示正交振幅差的起伏方差，< >表示期望值。当利用量子关联光束进行精密测量时，1束光经过待测样本，另1束光保持不变，通过平衡探测两臂相减测量得到通过待测样本的变化，达到低于散粒噪声极限灵敏度的探测目的。

因此，本发明提出技术解决方案：利用明亮振幅压缩态光场降低由入射的斯托克斯光场的强度起伏导致的背景噪声，采用双色量子关联光束作为泵浦光和参考光进行平衡探测，降低泵浦光场的SRS耦合导致的背景噪声。这样，在生物样本不受光损伤的前提下，利用量子光源和关联探测技术突破经典测量极限，实现SRS测量信噪比的量子增强。

本发明提供的实施例旨在利用量子光源和关联探测技术有效地增强拉曼光谱探测的信噪比。利用明亮振幅压缩态光场代替受激拉曼散射光谱的斯托克斯光场，其噪声低于散粒噪声极限；利用可调谐双色量子关联光束，其中近红外I区可调谐激光作为泵浦光场，即第一近红外激光作为泵浦光场，另一束近红外II区可调谐激光作为参考光，也就是第二近红外激光作为参考光；利用宽波段高增益平衡探测器12对样品后透射的斯托克斯光与参考光进行关联探测，获得待测样本的QCRS光谱，其信噪比得到进一步增强。

明亮振幅压缩态光场可以替代斯托克斯光，也可以代替泵浦光，这样对应滤波片18参数需要滤除斯托克斯光场，测量的是泵浦光场的损耗。泵浦光场或斯托克斯光场可选择宽带可调谐单频激光，波长调谐范围可为任意光频波段。此外，可根据待测待测样本的深度及尺寸，选择合适参数、不同类型的物镜(不同放大倍率、数值孔径或不同介质)，例如放大倍率为40×、60×、100×等，数值孔径为0.65、0.95、1.25，介质为空气、水或油。待测样品可以是任何有拉曼活性的物质，例如橄榄油液体、聚苯乙烯或含有蛋白质、脂质分子等的生物组织薄片或活体组织等。待测样品的样品池可以是任何可盛装待测物体的容器，例如利用载玻片和盖玻片组成的样品池或各种尺寸的培养皿等。平衡探测器12可以是宽波段高增益平衡探测器，也可以使用其他任意高量子效率的探测器和电荷耦合器件(CCD)，在本发明所述装置中可以加入照明和成像装置，以根据待测样本的清晰成像，更快速地将光束聚集到待测样本上产生受激拉曼信号。

本发明的实施例提供的装置具有的优点如下：

在利用经典技术实现最大程度增强检测信噪比的同时，运用量子光场的方式突破经典的散粒噪声极限，实现量子增强。在拉曼检测方法中，利用明亮振幅压缩态光场有效地降低由入射的斯托克斯光场的强度起伏导致的背景噪声，采用双色量子关联光束作为泵浦光和参考光进行平衡探测，降低泵浦光场的SRS耦合导致的背景噪声。因此，相比于通过超短脉冲激光的拉曼光谱、表面增强拉曼光谱(SERS)、针尖增强拉曼光谱(TERS)、光纤增强拉曼光谱(FERS)等技术，本发明提出的技术可以在较低的激光峰值功率、不引入外源物质的条件下，实现拉曼光谱检测信噪比的显著提升，更适用于对活体生物样品的无标记高灵敏度无损光谱检测。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (7)

1.一种量子增强的拉曼光谱关联检测装置，其特征在于，所述装置包括：

激光发射系统，用于产生明亮振幅压缩光和双色量子关联光；所述双色量子关联光包括第一近红外激光和第二近红外激光；

整形系统，用于接收所述明亮振幅压缩光和所述第一近红外激光，且将所述明亮振幅压缩光和所述第一近红外激光聚焦至待测样本；所述整形系统还用于将透过所述待测样本的光中的第一近红外激光过滤，得到透过后的明亮振幅压缩光；

衰减系统，设置在所述第二近红外激光的出射光路上，用于对所述第二近红外激光进行衰减，以得到衰减激光；

平衡探测器，用于探测所述透过后的明亮振幅压缩光和所述衰减激光，并计算所述透过后的明亮振幅压缩光和所述衰减激光的差值，得到关联信号；

锁相放大器，与所述平衡探测器连接，用于确定所述关联信号的幅值，并根据所述幅值得到所述待测样本的拉曼光谱；

所述激光发射系统包括：

激光器，用于发射第一激光和第二激光；

第一振荡器，设置在所述第一激光的出射光路上，用于对所述第一激光进行调谐以得到真空压缩光；

第二振荡器，设置在所述第一激光的反射光路上，用于对所述第一激光进行调谐以得到双色量子关联光；

耦合模块，分别设置在所述真空压缩光和所述第二激光的出射光路上，用于对所述真空压缩光和所述第二激光进行耦合，并将耦合得到的明亮振幅压缩光发射至所述整形系统。

2.根据权利要求1所述的一种量子增强的拉曼光谱关联检测装置，其特征在于，所述耦合模块包括：

第一透镜，设置在所述第二激光的出射光路上，用于将所述第二激光反射至分束镜；

分束镜，设置在所述第一振荡器的出射光路上且位于所述第一透镜的反射光路上，用于对所述真空压缩光和所述第二激光进行耦合，并将耦合得到的明亮振幅压缩光反射至第二透镜；

第二透镜，设置在所述分束镜的反射光路上，用于将所述明亮振幅压缩光反射至第三透镜；

第三透镜，设置在所述第二透镜的反射光路上，用于将所述明亮振幅压缩光反射至所述整形系统。

3.根据权利要求1所述的一种量子增强的拉曼光谱关联检测装置，其特征在于，所述装置还包括：

第一强度调制器，设置在所述第一近红外激光的出射光路上，用于对所述第一近红外激光进行光强调制，并将调制后的第一近红外激光发射至所述整形系统；

第二强度调制器，设置在所述第二近红外激光的出射光路上，用于对所述第二近红外激光进行光强调制，并将所述调制后的第二近红外激光发射至所述衰减系统；

所述锁相放大器还用于在确定所述关联信号的幅值之前，对所述关联信号进行解调。

4.根据权利要求1所述的一种量子增强的拉曼光谱关联检测装置，其特征在于，所述整形系统包括：

第四透镜，用于接收所述明亮振幅压缩光和所述第一近红外激光，且将所述明亮振幅压缩光和所述第一近红外激光聚焦至待测样本上；所述待测样本设置在所述第四透镜的出射面上；

第八透镜，设置在待测样本的透射光路上，用于对透过待测样本的光进行收集且传送至滤波片；

滤波片，设置在待测样本的透射光路上且设置在所述第八透镜的出射光路上，用于将透过所述待测样本的光中的第一近红外激光过滤，得到透过后的明亮振幅压缩光。

5.根据权利要求3所述的一种量子增强的拉曼光谱关联检测装置，其特征在于，所述衰减系统包括：

第七透镜，设置在所述第二强度调制器的出射光路上，用于将所述第二近红外激光反射；

衰减控制器，设置在所述第七透镜的反射光路上，用于对所述第二近红外激光进行强度衰减，得到衰减激光。

6.根据权利要求1所述的一种量子增强的拉曼光谱关联检测装置，其特征在于，所述激光发射系统还包括：

第五透镜，设置在所述第一激光的出射光路上，用于将所述第一激光透射至所述第一振荡器，并将所述第一激光反射出去；

第六透镜，设置在所述第五透镜的反射光路上，用于将所述第一激光反射至所述第二振荡器。

7.根据权利要求2所述的一种量子增强的拉曼光谱关联检测装置，其特征在于，所述装置还包括：

二向色镜，设置在所述第三透镜的反射光路上且位于所述第一近红外激光的出射光路上，用于将所述第一近红外激光和所述明亮振幅压缩光传送至所述整形系统。

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