本發(fā)明涉及一種激光光譜技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種同步降頻的相干反斯托克斯拉曼散射成像系統(tǒng)及成像方法。

背景技術(shù)：

21世紀(jì)是生物學(xué)的世紀(jì)，隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，生命科學(xué)已經(jīng)成為21世紀(jì)最為活躍的學(xué)科之一，對于疾病早期診斷的方法和工具的研究，也隨之成為該學(xué)科的前沿領(lǐng)域。對于醫(yī)學(xué)上的很多研究，尤其是揭示生物體的分子組份和各個組份之間的相互作用對生命過程的影響來說，光譜學(xué)是一種非常有效的研究手段。在生命科學(xué)研究中普遍使用的溶劑或生物樣品中的水成分，對紅外吸收光譜技術(shù)中所使用的波長較長的激發(fā)光具有較強(qiáng)的吸收，采用拉曼光譜的方式，可以避免上述問題，逐漸發(fā)展成為散射光譜學(xué)中最為重要的一種技術(shù)?，F(xiàn)階段，在拉曼光譜技術(shù)研究中，為了有效提高信號強(qiáng)度、縮短數(shù)據(jù)采集時間、降低所需激發(fā)光功率、抑制背景噪聲和優(yōu)化整體系統(tǒng)，將相干反斯托克斯拉曼散射(cars)這一非線性光學(xué)過程與微弱信號探測和光學(xué)顯微技術(shù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了基于cars原理的光譜探測和顯微成像技術(shù)。

但是，在實(shí)際臨床應(yīng)用中，由于產(chǎn)生非線性散射過程需要兩束時間上同步、空間上重合、光譜上匹配特定能級間隔的超短脈沖光源，通常采用兩臺主動同步的固體超快光源或者一臺固體超快光源與一個參量轉(zhuǎn)換模塊，這樣不但費(fèi)用昂貴，而且增加了操作難度，如同步系統(tǒng)的誤差會影響最終光譜成像的精度，兩臺超快光源自身的載波包絡(luò)相位抖動會引入光譜探測的誤差，固體超快系統(tǒng)對散熱要求高、環(huán)境抖動敏感、光路準(zhǔn)直繁瑣等。

近十幾年來光學(xué)頻率梳技術(shù)在頻標(biāo)計(jì)量及前沿基礎(chǔ)物理研究領(lǐng)域發(fā)揮了巨大作用。光學(xué)頻率梳之所以能夠應(yīng)用到光譜學(xué)研究中，得益于其頻域上整齊分布的一系列光譜譜線，這些光譜譜線的間距相等，數(shù)量眾多，光譜范圍大，是進(jìn)行光譜分析的天然精密“刻線”，而每個“刻線”寬度都極其窄細(xì)，這也為獲得高的光譜分辨率打下基礎(chǔ)。已有文獻(xiàn)報道類似于傅里葉變換光譜儀的雙光梳光譜儀的測量原理。該測量技術(shù)采用兩束有微小差別的高重頻光梳分別作為探測光和參考光，最終通過光頻梳拍頻得到時域信號。這一系統(tǒng)具有超高分辨率和實(shí)時性兩大特點(diǎn)，可用于環(huán)境監(jiān)測中對大氣污染氣體的檢測，醫(yī)學(xué)上對呼吸氣體的檢測，以及在半導(dǎo)體制造中對不純氣體的檢測等。而在光纖光梳cars系統(tǒng)中，如果采用高重頻光梳作探測光，由于能量較低，非線性效應(yīng)受到限制，探測靈敏度難以提高，而繼續(xù)提高平均功率很容易造成生物樣品的光致?lián)p傷，違背了無損探測的初衷。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明是為了解決上述問題而進(jìn)行的，目的在于提供同步降頻的相干反斯托克斯拉曼散射成像系統(tǒng)及成像方法，用于對待測樣品進(jìn)行相干反斯托克斯拉曼散射成像。

本發(fā)明提供了一種同步降頻的相干反斯托克斯拉曼散射成像系統(tǒng)，具有這樣的特征，包括：光源產(chǎn)生裝置，用于產(chǎn)生高重頻光梳；同步降頻裝置，與光源產(chǎn)生裝置連接，用于同步高重頻光梳并降低高重頻光梳的頻率，輸出第一波長低重頻光梳；光參量轉(zhuǎn)換裝置，與同步降頻裝置連接，用于將第一波長低重頻光梳轉(zhuǎn)換成含有第一波長低重頻光梳以及第二波長低重頻光梳的混合低重頻光梳并輸出；以及成像裝置，與光參量轉(zhuǎn)換裝置連接，用于對混合低重頻光梳進(jìn)行聚焦，并對待測樣品進(jìn)行相干反斯托克斯拉曼散射成像，其中，同步降頻裝置具有：第一分束器，用于對高重頻光梳進(jìn)行分束得到第一高重頻光梳以及第二高重頻光梳；光電探測器，與第一分束器連接，對第二高重頻光梳進(jìn)行提取得到初始載波信號以及初始開關(guān)信號；載波信號濾波放大模塊，用于對初始載波信號進(jìn)行濾波、放大得到載波信號；開關(guān)信號濾波放大模塊，用于對初始開關(guān)信號進(jìn)行濾波、放大得到開關(guān)信號；混頻器，用于對載波信號以及開關(guān)信號進(jìn)行混頻得到混頻信號；濾波放大模塊，用于對混頻信號進(jìn)行濾波、放大得到驅(qū)動信號；聲光調(diào)制器，根據(jù)驅(qū)動信號將第一高重頻光梳調(diào)制為第一波長低重頻光梳進(jìn)行輸出，光參量轉(zhuǎn)換裝置具有：二向色模塊，用于耦合第一波長低重頻光梳與第二波長低重頻光梳；非線性光纖，用于對耦合后的第一波長低重頻光梳進(jìn)行頻率轉(zhuǎn)換，產(chǎn)生第二波長低重頻光梳；第二分束器，用于將頻率轉(zhuǎn)換后的第一波長低重頻光梳與第二波長低重頻光梳進(jìn)行分束，輸出包含部分第一波長低重頻光梳以及部分第二波長低重頻光梳的混合低重頻光梳；延時光纖，與第二分束器連接，用于將另一部分第一波長低重頻光梳以及另一部分第二波長低重頻光梳提供給二向色模塊。

在本發(fā)明提供的同步降頻的相干反斯托克斯拉曼散射成像系統(tǒng)中，還可以具有這樣的特征：其中，成像裝置包括光纖準(zhǔn)直器、用于聚焦混合低重頻光梳的聚焦物鏡、濾波器以及成像元件。

在本發(fā)明提供的同步降頻的相干反斯托克斯拉曼散射成像系統(tǒng)中，還可以具有這樣的特征：其中，載波信號濾波放大模塊具有濾波器以及放大器。

在本發(fā)明提供的同步降頻的相干反斯托克斯拉曼散射成像系統(tǒng)中，還可以具有這樣的特征：其中，開關(guān)信號濾波放大模塊具有分頻器、濾波器以及放大器。

在本發(fā)明提供的同步降頻的相干反斯托克斯拉曼散射成像系統(tǒng)中，還可以具有這樣的特征：其中，二向色模塊為二向色濾光片或波分復(fù)用器。

本發(fā)明還提供了上述的同步降頻的相干反斯托克斯拉曼散射成像系統(tǒng)的成像方法，其特征在于，包括：采用光源產(chǎn)生裝置產(chǎn)生高重頻光梳作為激光源；采用第一分束器對高重頻光梳進(jìn)行分束，得到第一高重頻光梳以及第二高重頻光梳；采用光電探測器對第二高重頻光梳進(jìn)行提取得到初始載波信號以及初始開關(guān)信號；采用載波信號濾波放大模塊對初始載波信號進(jìn)行濾波放大得到載波信號；

采用開關(guān)信號濾波放大模塊對開關(guān)信號進(jìn)行濾波放大得到開關(guān)信號；采用混頻器對載波信號以及開關(guān)信號進(jìn)行混頻得到混頻信號；采用濾波放大模塊對混頻信號進(jìn)行濾波放大得到驅(qū)動信號；采用聲光調(diào)制器根據(jù)驅(qū)動信號將第一高重頻光梳調(diào)制成第一波長低重頻光梳輸出；采用二向色模塊對第一波長低重頻光梳與第二波長低重頻光梳進(jìn)行耦合；采用非線性光纖對耦合后的第一波長低重頻光梳進(jìn)行頻率轉(zhuǎn)換，產(chǎn)生第二波長低重頻光梳；采用第二分束器對頻率轉(zhuǎn)換后的低重頻光梳與第二波長低重頻光梳進(jìn)行分束，輸出包含部分第一波長低重頻光梳以及部分第二波長低重頻光梳的混合低重頻光梳；采用延時光纖將另一部分第一波長的低重頻光梳以及另一部分第二波長低重頻光梳提供給二向色模塊；以及采用成像裝置將混合低重頻光梳聚焦到待測樣品上并待測樣品進(jìn)行成像。

發(fā)明的作用與效果

根據(jù)本發(fā)明所涉及的同步降頻的相干反斯托克斯拉曼散射成像系統(tǒng)及其成像方法，利用同步降頻模塊實(shí)現(xiàn)光梳光源的重頻改變，這樣不僅使得引入的噪聲低、幅度噪聲小，而且降頻后光梳脈沖的時域穩(wěn)定度高，提高光譜成像的穩(wěn)定性。同時，通過采用低重頻光梳光源提高光源的能量，增強(qiáng)非線性作用效果，同時還減弱了噪聲對光譜探測的干擾，有效提高光譜成像的探測效率和靈敏度。另外，采用光纖式參量轉(zhuǎn)換代替雙激光源的設(shè)計(jì)，在參量轉(zhuǎn)換輸出端實(shí)現(xiàn)兩束同步光梳，不僅避免主動同步系統(tǒng)的噪聲，而且提高成像系統(tǒng)的集成度；通過調(diào)節(jié)延時光纖的長度實(shí)現(xiàn)兩束同步光梳的光譜調(diào)諧，以及實(shí)現(xiàn)多種化學(xué)鍵檢測或多種物質(zhì)鑒別，擴(kuò)展成像系統(tǒng)的應(yīng)用范圍。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的實(shí)施例中同步降頻的相干反斯托克斯拉曼散射成像系統(tǒng)的裝置結(jié)構(gòu)框圖；

圖2是本發(fā)明的實(shí)施例中同步降頻的相干反斯托克斯拉曼散射成像系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實(shí)施方式

為了使本發(fā)明實(shí)現(xiàn)的技術(shù)手段、創(chuàng)作特征、達(dá)成目的與功效易于明白了解，以下實(shí)施例結(jié)合附圖對本發(fā)明同步降頻的相干反斯托克斯拉曼散射成像系統(tǒng)及成像方法作具體闡述。

圖1是本發(fā)明的實(shí)施例中同步降頻的相干反斯托克斯拉曼散射成像系統(tǒng)的裝置結(jié)構(gòu)框圖；以及圖2是本發(fā)明的實(shí)施例中同步降頻的相干反斯托克斯拉曼散射成像系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。

如圖1、2所示，同步降頻的相干反斯托克斯拉曼散射成像系統(tǒng)100光源產(chǎn)生裝置10、同步降頻裝置20、光參量轉(zhuǎn)換裝置30以及成像裝置40。

光源產(chǎn)生裝置10用于產(chǎn)生高重頻光梳。在本實(shí)施例中，光梳即為光學(xué)頻率梳，光源產(chǎn)生裝置10為重復(fù)頻率為80mhz的摻鐿光纖光梳，中心波長為1030nm，其載波包絡(luò)相位信號和重頻信號已經(jīng)鎖定，作為同步降頻的相干反斯托克斯拉曼散射成像系統(tǒng)100的光源。

同步降頻裝置20與光源產(chǎn)生裝置10連接，用于同步高重頻光梳并降低高重頻光梳的頻率，輸出低重頻光梳。同步降頻裝置20包括第一分束器21、光電探測器22、載波信號濾波放大模塊23、開關(guān)信號濾波放大模塊24、混頻器25、濾波放大模塊26以及聲光調(diào)制器27。

第一分束器21與光源產(chǎn)生裝置10連接，將高重頻光梳分束得到第一高重頻光梳以及第二高重頻光梳。在本實(shí)施例中，第一高重頻光梳的能量大于第二高重頻光梳的能量。

光電探測器22與第一分束器21連接，從第二高重頻光梳提取出初始載波信號以及初始開關(guān)信號。

載波信號濾波放大模塊23包括第一級濾波器231以及第一級放大器232。第一級濾波器231以及第一級放大器232對初始載波信號進(jìn)行濾波、放大得到載波信號。

開關(guān)信號濾波放大模塊24包括分頻器241、第二級濾波器242以及第二級放大器243。初始開關(guān)信號經(jīng)分頻器241分頻后，在第二級濾波器242及第二級放大器243中進(jìn)行濾波以及放大得到開關(guān)信號。

混頻器25分別與第一級放大器232以及第二級放大器242連接，對載波信號以及開關(guān)信號進(jìn)行混頻得到混頻信號。

濾波放大模塊26包括第三極濾波器261以及第三極放大器262。第三極濾波器261以及第三極放大器262對混頻信號進(jìn)行濾波、放大得到驅(qū)動信號。

聲光調(diào)制器27分別與第一分束器21以及第三極放大器262連接，根據(jù)驅(qū)動信號，將第一高重頻光梳調(diào)制成第一波長低重頻光梳后進(jìn)行輸出，第一波長低重頻光梳的中心波長為1030nm。

光參量轉(zhuǎn)換裝置30用于將第一波長低重頻光梳轉(zhuǎn)換成包含第一波長低重頻光梳以及第二波長低重頻光梳的混合低重頻光梳并輸出。光參量轉(zhuǎn)換裝置30包括二向色模塊31、非線性光纖32、第二分束器33以及延時光纖34。

二向色模塊31分別與聲光調(diào)制器27以及延時光纖34連接。二向色模塊31為二向色濾光片或波分復(fù)用器。在本實(shí)施例中，二向色模塊為波分復(fù)用器。第一波長低重頻光梳經(jīng)波分復(fù)用器耦合后進(jìn)入非線性光纖32。

非線性光纖32與波分復(fù)用器連接，對耦合后的第一波長低重頻光梳進(jìn)行非線性作用，在四波混頻的作用下，產(chǎn)生第二波長低重頻光梳，第二波長低重頻光梳為中心波長為800nm，功率很小的參量激光。在本實(shí)施例中，非線性光纖32為光子晶體光纖。

第二分束器33非線性光纖32連接，將包含部分第一波長低重頻光梳以及部分第二波長低重頻光梳的混合低重頻光梳輸出。

延時光纖34分別與第二分束器33以及波分復(fù)用器連接，將另一部分第一波長低重頻光梳以及另一部分第二波長低重頻光梳提供至波分復(fù)用器，第二波長低重頻光梳經(jīng)波分復(fù)用器耦合后再次進(jìn)入非線性光纖32，第二波長低重頻光梳在非線性光纖32中發(fā)生級聯(lián)的四波混合作用，從第二分束器33中輸出含中心波長為1030nm以及800nm的同步超短脈沖的混合低重頻光梳。

成像裝置40用于對混合低重頻光梳進(jìn)行聚焦，并對待測樣品進(jìn)行相干反斯托克斯拉曼散射成像。成像裝置40包括光纖準(zhǔn)直器41、第一聚焦物鏡42、待測樣品43、第二聚焦物鏡44、光譜濾波器45以及ccd相機(jī)46。

光纖準(zhǔn)直器41與第二分束器33連接，將含中心波長為1030nm以及800nm的同步超短脈沖的混合低重頻光梳轉(zhuǎn)換為兩束準(zhǔn)直的空間激光。

第一聚焦物鏡將兩束空間激光聚焦到待測樣品43上，兩束空間激光發(fā)生受激拉曼與四波混頻作用，產(chǎn)生中心波長為654nm的反思托克斯光。

第二聚焦物鏡44將反思托斯光以及兩束空間激光轉(zhuǎn)換為三束空間準(zhǔn)直的光束。

光譜濾波器45將三束激光中的中心波長為1030nm以及中心波長為800nm的激光發(fā)射，中心波長為654nm的激光被光譜濾波器45投射到ccd相機(jī)46上，獲得光譜信號。調(diào)節(jié)待測樣品43的位置，記錄對應(yīng)的ccd相機(jī)46上的中心波長為654nm的激光的強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)高精度的光譜成像。

同步降頻的相干反斯托克斯拉曼散射成像系統(tǒng)100的成像方法為：以中心波長為1030nm高重頻光梳作為激光源；第一分束器21對高重頻光梳進(jìn)行分束，得到第一高重頻光梳以及第二高重頻光梳，光電探測器22對第二高重頻光梳進(jìn)行提取得到初始載波信號以及初始開關(guān)信號，載波信號濾波放大模塊23對初始載波信號進(jìn)行濾波放大得到載波信號，開關(guān)信號濾波放大模塊24對開關(guān)信號進(jìn)行濾波放大得到開關(guān)信號，混頻器25對載波信號以及開關(guān)信號進(jìn)行混頻得到混頻信號，濾波放大模塊26對混頻信號進(jìn)行濾波放大得到驅(qū)動信號，聲光調(diào)制器27根據(jù)驅(qū)動信號將第一高重頻光梳調(diào)制成第一波長低重頻光梳輸出。

波分復(fù)用器31對第一波長低重頻光梳與第二波長低重頻光梳進(jìn)行耦合，非線性光纖32對耦合后的第一波長低重頻光梳進(jìn)行頻率轉(zhuǎn)換，產(chǎn)生新的中心波長為800nm的第二波長低重頻光梳，第二分束器33將包含部分第一波長低重頻光梳以及部分第二波長低重頻光梳的混合低重頻光梳輸出。延時光纖34將另一部分第一波長低重頻光梳以及另一部分第二波長低重頻光梳提供至波分復(fù)用器。

光纖準(zhǔn)直器41將混合低重頻光梳轉(zhuǎn)換為兩束準(zhǔn)直的空間激光，第一聚焦物鏡將兩束空間激光聚焦到待測樣品43上，兩束空間激光發(fā)生受激拉曼與四波混頻作用，產(chǎn)生中心波長為654nm的反思托克斯光，第二聚焦物鏡44將反思托斯光以及兩束空間激光轉(zhuǎn)換為三束空間準(zhǔn)直的光束，光譜濾波器45將三束激光中的中心波長為1030nm以及中心波長為800nm的激光發(fā)射，中心波長為654nm的激光被光譜濾波器45投射到ccd相機(jī)46上，獲得光譜信號。調(diào)節(jié)待測樣品43的位置，記錄對應(yīng)的ccd相機(jī)46上的中心波長為654nm的激光的強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)高精度的光譜成像。

實(shí)施例的作用與效果

根據(jù)本實(shí)施例中的同步降頻的相干反斯托克斯拉曼散射成像系統(tǒng)及其成像方法，利用同步降頻模塊實(shí)現(xiàn)光梳光源的重頻改變，這樣不僅使得引入的噪聲低、幅度噪聲小，而且降頻后光梳脈沖的時域穩(wěn)定度高，提高光譜成像的穩(wěn)定性。同時，通過采用低重頻光梳光源提高光源的能量，增強(qiáng)非線性作用效果，同時還減弱了噪聲對光譜探測的干擾，有效提高光譜成像的探測效率和靈敏度。另外，采用光纖式參量轉(zhuǎn)換代替雙激光源的設(shè)計(jì)，在參量轉(zhuǎn)換輸出端實(shí)現(xiàn)兩束同步光梳，不僅避免主動同步系統(tǒng)的噪聲，而且提高成像系統(tǒng)的集成度；通過調(diào)節(jié)延時光纖的長度實(shí)現(xiàn)兩束同步光梳的光譜調(diào)諧，以及實(shí)現(xiàn)多種化學(xué)鍵檢測或多種物質(zhì)鑒別，擴(kuò)展成像系統(tǒng)的應(yīng)用范圍。此外，本發(fā)明采用光梳光源，提高頻譜分辨精度，進(jìn)而提高成像檢測的精度，實(shí)現(xiàn)高精度的生物成像。

上述實(shí)施方式為本發(fā)明的優(yōu)選案例，并不用來限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。