CN110579462B - 一种基于高重频飞秒激光的时间分辨宽谱cars光谱成像装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于高重频飞秒激光的时间分辨宽谱CARS光谱成像装置，包括高重频飞秒激光器、双脉冲激光产生模块和光谱成像平台；高重频飞秒激光器，用于产生高重复频率的基频光，输入到双脉冲激光产生模块中；双脉冲激光产生模块，用于产生适用于时间分辨CARS成像技术的同轴传输的基频光和移频光；光谱成像平台用于对待测样品实现扫描式拉曼光谱成像。本发明采用宽谱的飞秒激光同时作为泵浦光和斯托克斯光，一次性可以建立多个能级间的相干性，从而可以同时实现对多种分子的超光谱成像；将由泵浦光和斯托克斯光共同实现的相干激发过程和探测光激发过程在时间上分开，并采用窄谱光作为泵浦光，从而有效地抑制了非共振背景，大大提升了探测灵敏度。

Description

一种基于高重频飞秒激光的时间分辨宽谱CARS光谱成像装置

技术领域

本发明属于光学成像技术领域，更具体地，涉及一种基于高重频飞秒激光的时间分辨宽谱CARS光谱成像装置。

背景技术

光学成像技术在材料科学、生物医学等领域有着广泛的应用。目前，传统的光学成像技术仍存在着诸多问题。例如，一般的光学成像缺乏化学特异性，无法对样品中某种特定分子的空间分布进行成像，这种化学信息的缺失将在很大程度上限制成像技术的应用；荧光标记成像虽然具有化学特异性，但需要对特定分子进行标记，即需要对样品进行复杂的预处理，这不仅费时费力，还有可能改变样品的特性，而且，对于大部分分子目前还缺少标记的方法；拉曼光谱成像可以实现无标记的分子成像，但受限于拉曼散射的极低效率，需要足够长的积分时间才能采集到信噪比足够高的信号，这大大限制了成像速度；CARS(CoherentAnti-StokesRamanScattering，相干反斯托克斯拉曼散射)成像技术采用两束光(泵浦光和斯托克斯光)先建立两分子能级间的相干性，再由第三束光(探测光)激发出具有特征光谱特性的信号光(反斯托克斯光)，这种方法能大大提高拉曼散射的效率，却会产生平坦而宽阔的非共振背景光谱，有时甚至会淹没CARS光谱峰，影响成像质量，此外，传统的CARS成像装置一般采用两束波长不同的窄谱皮秒激光，一束光同时充当泵浦光和探测光，另一束光充当斯托克斯光，每次只能激发一种分子，产生单一波长的反斯托克斯光，因而无法同时看到多种分子的分布。

解决上述问题的方法之一是采用时间分辨宽谱CARS成像技术。该技术使用宽谱飞秒激光作泵浦光，相对于泵浦光有一定时延和频差的窄谱宽皮秒作探测光，结合频率分辨的探测技术和扫描成像技术，可以实现快速的、无非共振背景的相干拉曼光谱成像。在这项技术中，由于采用的是超宽谱短脉冲激光，在单发脉冲内便可同时建立大量分子振转能级间的相干性，因而可以同时充当多种分子的泵浦光和斯托克斯光，不需要进行频率扫描便可激发多种分子的特征能级，这大大提高了采集到的数据量，从而实现所谓的“超光谱成像”；同时，采用窄谱谱宽脉冲激光，可以使得拉曼散射光的频率峰更高且更窄，非共振背景光谱更为平坦，从而抑制非共振背景；此外，由于CARS信号的产生比非共振背景的产生更慢，因此使用延迟于泵浦激光脉冲的探测激光脉冲可以进一步消除非共振背景。

但传统的时间分辨宽谱CARS装置对光源要求较高，一般需要用到复杂的啁啾脉冲放大器(CPA)和光参量放大器(OPA)，这种光源一般重复频率较低，这会大大影响成像速度，且结构复杂，成本非常高，不易维护。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种基于高重频飞秒激光的时间分辨宽谱CARS光谱成像装置，旨在解决传统CARS光谱成像技术难以在保持***结构简单、成本较低的同时，实现单次探测多种分子，且有效抑制非共振背景的问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种基于高重频飞秒激光的时间分辨宽谱CARS光谱成像装置，包括高重频飞秒激光器、双脉冲激光产生模块和光谱成像平台；

高重频飞秒激光器用于产生高重复频率的基频飞秒激光，输入双脉冲激光产生模块，用于产生高重复频率的基频光，输入到双脉冲激光产生模块中；

双脉冲激光产生模块，用于产生适用于时间分辨CARS成像技术的同轴传输的基频光和移频光，基频光和移频光分别用于泵浦和探测；

光谱成像平台用于对待测样品实现扫描式拉曼光谱成像。

进一步地，基频光的谱宽大于延迟移频光的谱宽。

进一步地，光谱成像平台包括：第一反射镜和第二反射镜，用于将激光以预设的最佳位置和角度导入；第一显微物镜，用于将第二反射镜反射的激光聚焦在样品上；样品平台，用于固定样品，并可实现三维扫描；第二显微物镜，用于收集经过样品的CARS信号光；滤波器，用于过滤基频光和移频光，仅让CARS信号光通过；光谱仪，用于CARS信号光光谱信息的成像。

进一步地，双脉冲激光产生模块为基于空间结构的双脉冲激光产生模块或基于光纤结构的双脉冲激光产生模块。

优选地，当双脉冲激光产生模块为基于空间结构的双脉冲激光产生模块时，包括：聚焦透镜，用于聚焦基频光从而为倍频过程提供足够的高亮度；非线性元件，用于将部分基频光转化为谱宽小于基频光且与基频光有频差的移频光；准直透镜，用于将透射出的发散的基频光和移频光准直为平行光束；第三反射镜和第四反射镜，用于准直光路和折叠光路，从而使装置结构更为紧凑；依次连接的第一色散补偿棱镜、第二色散补偿棱镜、第三色散补偿棱镜和第四色散补偿棱镜，第一色散补偿棱镜用于在空间上将基频光与移频光分开，基频光得到色散补偿后，两束光通过第四色散补偿棱镜合并；窄带滤波器，用于减小经过第一色散补偿棱镜的移频光的谱宽；依次连接的第五反射镜、第六反射镜、第七反射镜和第八反射镜，用于改变经过窄带滤波器后的移频光相对于基频光的时延，其中第六反射镜和第七反射镜由位移平台控制位移；半波片，用于改变移频光的偏振方向。

优选地，当双脉冲激光产生模块为基于光纤结构的双脉冲激光产生模块时，包括：光纤分束器，用于把基频光分为两路；第一光纤放大器和第二光纤放大器，用于进一步放大基频光从而为后续的非线性展宽提供足够高的光脉冲能量；第一色散补偿光纤和第二色散补偿光纤，用于补偿色散从而为后续的非线性展宽提供足够高的峰值功率；第一非线性光纤和第二非线性光纤，用于展宽基频光的频谱；第三光纤放大器，用于放大基频光展宽光谱中的与基频光有频差的频谱成分，作为移频光；光纤窄带滤波器，用于滤除移频光之外的其它频谱成分，并进一步减小移频光的谱宽；第四光纤放大器，用于进一步放大移频光；依次连接的第九反射镜、第十反射镜、第十一反射镜和第十二反射镜，用于改变移频光相对于基频光的时延，其中第十反射镜和第十一反射镜由位移平台控制位移；脉冲压缩器，用于补偿频谱展宽后的基频光的啁啾，压缩脉宽；第十四反射镜，用于将经第五色散补偿棱镜、第六色散补偿棱镜和第十三反射镜输出的基频光准直成水平光，并将激光传输至下一元件；二向色镜，用于将基频光和移频光合为一束。

优选地，非线性元件为倍频晶体或者用于产生共振色散波的光子晶体光纤。

进一步地，第六反射镜和第七反射镜通过前后平移改变经过窄带滤波器后的移频光相对于基频光的时延；第十反射镜和第十一反射镜通过前后平移改变经过光纤放大器后的移频光相对于基频光的时延。

进一步地，光谱成像平台可由PC控制，能够实现全自动的同步机械扫描、数据采集和数据处理。

进一步地，光谱仪可以为成像光谱仪、光谱采集速度更快的色散傅里叶变换光谱仪，也可以为前置滤光片的光电倍增管用于单波长光谱成像。

进一步地，脉冲压缩器可以为依次连接的第五色散补偿棱镜、第六色散补偿棱镜和第十三反射镜，还可以为啁啾镜、光栅压缩器或者傅里叶光脉冲整形器。

通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，能够取得以下有益效果：

(1)和传统CARS成像技术相比，本发明采用宽谱的飞秒激光同时作为泵浦光和斯托克斯光，一次性可以建立多个能级间的相干性，从而可以实现同时对多种分子的超光谱成像；将由泵浦光和斯托克斯光共同实现的相干激发过程和探测光激发过程在时间上分开，并采用窄谱光作为泵浦光，从而有效地抑制了非共振背景，大大提升了探测灵敏度；

(2)本发明提供的基于高重频飞秒激光的时间分辨宽谱CARS光谱成像装置不需要用到复杂且价格高昂的CPA和OPA便能够实现百MHz甚至GHz量级的重复频率，从而大大提升了成像速度；

(3)和传统光学成像技术相比，本发明提供的基于高重频飞秒激光的时间分辨宽谱CARS光谱成像装置具有化学特异性，针对不同分子可以激发出不同波长的CARS信号光，从而能够根据产生的信号光的光谱特征辨认出特定分子，再通过扫描成像的方式便可得到特定分子的空间分布；

(4)本发明提供的基于高重频飞秒激光的时间分辨宽谱CARS光谱成像装置和非相干拉曼光谱成像技术相比，信号光产生的效率大幅度提升，从而降低了采集信号光时所需的积分时间，进而能够实现更快的成像速度；

(5)本发明提供的基于高重频飞秒激光的时间分辨宽谱CARS光谱成像装置激发信号光的过程为多光子过程，仅在聚焦光斑中间能量极高的小区域内才会发生，因而天然地具有极高的空间分辨率，若用到透明介质中，通过三维空间的扫描，甚至可以实现高分辨的三维成像；

(6)和荧光标记成像技术相比，本发明提供的基于高重频飞秒激光的时间分辨宽谱CARS光谱成像装置能够实现无标记成像，不需要对样品进行预处理，操作更为简便，且不会造成样品的改性；

(7)和红外成像技术相比，本发明一般采用波长更短的近红外光进行扫描，例如钛宝石飞秒激光器、掺铒飞秒光纤激光器或掺镱飞秒光纤激光器，其输出波长处在近红外光波段，一方面，相同聚焦条件下，波长更短的光聚焦光斑更小，这可以提升扫描成像的空间分辨率；另一方面，水对近红外光的吸收比中红外光要大，因此本发明比红外成像技术更适合用于对富含水分的生物样品的成像。

附图说明

图1是本发明提供的基于高重频飞秒激光的时间分辨宽谱CARS光谱成像装置的结构示意图；

图2是本发明实施例一提供的双脉冲激光产生模块的结构示意图；

图3是本发明实施例二提供的双脉冲激光产生模块的结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间不构成冲突就可以相互组合。

如图1所示，本发明提供了一种基于高重频飞秒激光的时间分辨宽谱CARS光谱成像装置，包括高重频飞秒激光器、双脉冲激光产生模块和光谱成像平台；

高重频飞秒激光器，用于产生高重复频率的基频飞秒激光，输入到双脉冲激光产生模块中，为双脉冲激光产生提供足够高的光强和单脉冲能量；

双脉冲激光产生模块，用于产生适用于时间分辨CARS成像技术的同轴传输的基频光和移频光，基频光和移频光分别用于泵浦和探测；

光谱成像平台用于对待测样品实现扫描式拉曼光谱成像。

高重频飞秒激光器1产生的高重频基频飞秒激光，在经过双脉冲激光产生模块2后，被转换为一束适用于时间分辨宽谱CARS成像技术的双脉冲激光，其中包含一束宽谱基频光(作为CARS成像技术的泵浦光)和一束与泵浦光脉冲有合适频差和时延的窄谱移频光(作为CARS成像技术的探测光)，两束光被合为一束同轴传输；该双脉冲激光经由第一反射镜3和第二反射镜4导入到光谱成像平台的第一显微物镜5中；第一显微物镜5将入射光紧聚焦到固定于样品平台6的样品上，产生的CARS信号光由第二显微物镜7收集，经由滤波器8后，滤除基频光和移频光，仅让CARS信号光进入到由光谱仪9和高性能相机10组成的成像光谱仪中，从而完成对信号光光谱信息的采集；通过软件同步控制样品平台6的机械扫描、成像光谱仪的数据采集以及计算机的数据处理，即可得到可视化的光谱成像结果。

图2为本发明实施例一提供的基于空间结构的双脉冲激光产生模块的结构示意图，由高重频飞秒激光器1输出的基频光经过聚焦透镜11、非线性元件12和准直透镜13后，部分被转化为仍与基频光同轴传输的移频光，经由第三反射镜14和第四反射镜15导入到第一色散棱镜16上；第一色散棱镜16将原本同轴传输的基频光和移频光分为两路，基频光继续经过第二色散补偿棱镜17、第三色散补偿棱镜18和第四色散补偿棱镜19，从而完成对基频光的色散补偿，进而实现超短激光脉冲输出；移频光依次经过用于压缩谱宽的窄带滤波器20、由第五、第六、第七、第八反射镜21-24和位移平台26组成的用于调节时延的延迟器和用于调节偏振方向的半波片25；基频光和移频光在第四色散补偿棱镜19处再次合为一束。

图3为本发明实施例二提供的基于光纤结构的基于空间结构的双脉冲激光产生模块的结构示意图，由高重频飞秒激光器1输出的基频光经由光纤传输至光纤分束器27，被分为两路；一路光经由第一光纤放大器28放大，及第一色散补偿光纤30压缩脉宽后，输入到第一非线性光纤32中进行充分的频谱展宽，并由第三光纤放大器34、光纤窄带滤波器35和第四光纤放大器36选出并放大用作CARS探测光的窄带移频光，最后经过由第九、第十、第十一、第十二反射镜37～40和位移平台41组成的用于调节相对于另一路激光脉冲时延的延迟器，入射到二向色镜42上；另一路光经由第二光纤放大器29放大，及第二色散补偿光纤31压缩脉宽后，输入到第二非线性光纤33中进行充分的频谱展宽，输出光掠射过第十三反射镜43上边沿后，进入到由第五色散补偿棱镜44、第六色散补偿棱镜45和第十四反射镜46组成的脉冲压缩器中，并以稍低一些的角度以同一水平方向返回，此时便能够入射到第十三反射镜43的镜面上，并由第十三反射镜43重新调整为水平光入射到二向色镜42上；窄谱移频光透射经过二向色镜42，宽谱基频光被二向色镜42反射，两束光被合为一束同轴光入射到后面的光谱成像平台中。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于高重频飞秒激光的时间分辨宽谱CARS光谱成像装置，其特征在于，包括高重频飞秒激光器、双脉冲激光产生模块和光谱成像平台；

所述高重频飞秒激光器，用于产生高重复频率的基频光，输入到双脉冲激光产生模块中；

所述双脉冲激光产生模块，用于产生适用于时间分辨CARS成像技术的同轴传输的基频光和移频光，所述基频光和移频光分别用于泵浦和探测；分为基于空间结构的双脉冲激光产生模块和基于光纤结构的双脉冲激光产生模块两种；

基于空间结构的双脉冲激光产生模块包括：聚焦透镜，用于聚焦基频光；非线性元件，用于将部分基频光转化为谱宽小于基频光且与基频光有频差的移频光；准直透镜，用于将透射出的发散的基频光和移频光准直为平行光束；第三反射镜和第四反射镜，用于准直光路和折叠光路；依次连接的第一色散补偿棱镜、第二色散补偿棱镜、第三色散补偿棱镜和第四色散补偿棱镜，所述第一色散补偿棱镜用于在空间上将基频光与移频光分开，基频光得到色散补偿后，两束光通过第四色散补偿棱镜合并；窄带滤波器，用于减小经过第一色散补偿棱镜的移频光的谱宽；依次连接的第五反射镜、第六反射镜、第七反射镜和第八反射镜，用于改变经过窄带滤波器后的移频光相对于基频光的时延；半波片，用于改变移频光的偏振方向；

基于光纤结构的双脉冲激光产生模块，包括：光纤分束器，用于把基频光分为两路；第一光纤放大器和第二光纤放大器，用于进一步放大基频光；第一色散补偿光纤和第二色散补偿光纤，用于补偿色散；第一非线性光纤和第二非线性光纤，用于展宽基频光的频谱；第三光纤放大器，用于放大基频光展宽光谱中的与基频光有频差的频谱成分，作为移频光；光纤窄带滤波器，用于滤除移频光之外的其它频谱成分，并进一步减小移频光的谱宽；第四光纤放大器，用于进一步放大移频光；依次连接的第九反射镜、第十反射镜、第十一反射镜和第十二反射镜，用于改变移频光相对于基频光的时延；脉冲压缩器，用于补偿频谱展宽后的基频光的啁啾，压缩脉宽；第十四反射镜，用于将经所述脉冲压缩器输出的基频光准直成水平光，并将激光传输至下一元件；二向色镜，用于将基频光和移频光合为一束；

所述光谱成像平台用于对待测样品实现扫描式拉曼光谱成像。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述基频光的谱宽大于所述移频光的谱宽。

3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述光谱成像平台包括：第一反射镜和第二反射镜，用于将激光以预设位置和角度导入；第一显微物镜，用于将所述第二反射镜反射的激光聚焦在样品上；样品平台，用于固定样品，并可实现三维扫描；第二显微物镜，用于收集经过样品的CARS信号光；滤波器，用于过滤基频光和移频光，仅让CARS信号光通过；光谱仪，用于CARS信号光光谱信息的成像。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述非线性元件为倍频晶体或者用于产生共振色散波的光子晶体光纤。

5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第六反射镜和第七反射镜通过平移改变经过窄带滤波器后的移频光相对于基频光的时延。

6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第十反射镜和第十一反射镜通过平移改变经过光纤放大器后的移频光相对于基频光的时延。

7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述光谱仪为成像光谱仪、色散傅里叶变换光谱仪或者前置滤光片的光电倍增管。

8.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述脉冲压缩器为依次连接的第五色散补偿棱镜、第六色散补偿棱镜和第十三反射镜；或者啁啾镜、光栅压缩器、傅里叶光脉冲整形器中的任一种。

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