專利名稱：利用光纖產(chǎn)生的四波混頻信號(hào)進(jìn)行cars成像的系統(tǒng)及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及醫(yī)學(xué)成像技術(shù)和相干反斯托克斯拉曼散射成像技術(shù)，尤其是涉及一種利用光纖中產(chǎn)生的四波混頻信號(hào)進(jìn)行相干反斯托克斯拉曼散射成像的方法及系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
相干反斯托克斯拉曼散射(Coherentanti-Stokes Raman scattering,簡稱 CARS)技術(shù)是從1999年開始迅速發(fā)展起來的一種新型非標(biāo)記分子共振成像技術(shù)，它基于化學(xué)鍵的拉曼散射共振增強(qiáng)機(jī)制進(jìn)行成像，能針對(duì)不做任何處理的樣品中的特定化學(xué)成份進(jìn)行成像，包括C-H、0-P-0、Amide I、H-O等化學(xué)鍵(分別用于脂質(zhì)體、DNA、蛋白質(zhì)、和水合物的探測)，使其具有了化學(xué)選擇性，也即成像的特異性。由于CARS的相干特性，其信號(hào)強(qiáng)度比通常的拉曼散射信號(hào)高幾個(gè)數(shù)量級(jí)，從而在中等激勵(lì)光強(qiáng)條件下就可獲得視頻速率的成像速度。此外，CARS還具有高探測靈敏度、亞微米空間分辨率和三維成像的特點(diǎn)。因此， CARS技術(shù)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于病毒、細(xì)胞、生物組織、和活體小動(dòng)物成像，藥物傳輸過程監(jiān)控， 以及病變?cè)\斷等研究領(lǐng)域。CARS顯微鏡通常由體積龐大的超快脈沖激光光源和掃描顯微鏡構(gòu)成，阻礙了其在人體上進(jìn)行活體成像的應(yīng)用。因此，發(fā)展由光纖傳光的手持式或內(nèi)窺型CARS成像技術(shù)，成為CARS技術(shù)應(yīng)用于臨床診斷的必要條件。在CARS成像過程中，空間和時(shí)間上重合的頻率為ωρ的泵浦(Pump)光束和頻率為《s( < ωρ)的斯托克斯(Stokes)光束被強(qiáng)聚焦在樣品上時(shí)，產(chǎn)生拍頻為ωρ-ω^^疊加電磁場。當(dāng)拍頻(^-(03與特定分子的共振頻率Qvib匹配，即滿足Qvib=，引起分子振蕩并輻射出強(qiáng)度很高的、頻率為《as = 2 p-cos 的反斯托克斯(Anti-Stokes)光子，也即CARS信號(hào)光子，其中泵浦、斯托克斯、和反斯托克斯光子之間滿足相位匹配條件。被吸收的兩個(gè)泵浦光子和一個(gè)斯托克斯光子，以及激發(fā)出的一個(gè)反斯托克斯光子，構(gòu)成了一個(gè)四波混頻(Four-wave mixing,簡稱FWM)作用過程,可見CARS是一種滿足相位匹配的四波混頻光學(xué)作用過程。和其它由光纖傳光的非線性光學(xué)成像方法，如雙光子激發(fā)突光成像和二次諧波產(chǎn)生成像不同(僅在光纖中傳輸單一超快脈沖光束)，CARS成像需要在同一光纖中傳輸在時(shí)間和空間上重合的泵浦光和斯托克斯光, 從而不可避免地會(huì)在光纖中激發(fā)出非相位匹配的FWM信號(hào)。FWM信號(hào)光子的頻率為Cofwm = 2ωρ-ω3，和由樣品產(chǎn)生的CARS信號(hào)完全相同而不能被分離出去，從而會(huì)在成像結(jié)果里形成很強(qiáng)的背景噪聲，其強(qiáng)度往往會(huì)淹沒樣品信號(hào)。因此，必須抑制在正常CARS成像條件下由光纖產(chǎn)生的FWM信號(hào)。加州大學(xué)Chen 和 Potma 小組(M Balu, et al. Fiber delivered probe for efficient CARS imaging of tissues. Optics Express, 2010,18 (3) :2380-2388)的研究結(jié)果表明，在他們測量過的單模熔融石英光纖、雙包層光子晶體光纖、和大模場面積光子晶體光纖中，均觀察到了很強(qiáng)的FWM信號(hào)。為了消除這一信號(hào)對(duì)成像結(jié)果的影響，他們?cè)诠饫w的輸出端使用了一塊長波通二向色鏡來濾除FWM信號(hào)而只使泵浦光和斯托克斯光通過，它們?nèi)肷錁悠芳ぐl(fā)出的CARS信號(hào)被同一長波通二向色鏡反射至側(cè)向，然后由另外的一根多模光纖來收集，從而把CARS信號(hào)從激勵(lì)信號(hào)中分離了出來。由于使用了較多的器件，這一方法在尺寸受限的內(nèi)窺成像場合下很難被采用。康奈爾大學(xué)的Wong小組(Z Wang, et al. Coherent anti-Stokes Raman scattering microscopy imaging with suppression of four-wave mixing in optical fibers. Optics Express, 2011,19 (9) :7960-7970)提出了一種改變激勵(lì)光偏振態(tài)的方法來抑制FWM信號(hào)在泵浦光和斯托克斯光被稱合進(jìn)保偏光纖之前，先通過波片來改變它們的偏振態(tài)，使二者的偏振態(tài)相互正交，這時(shí)它們?cè)诠饫w中傳輸就不會(huì)產(chǎn)生FWM信號(hào)；二者從光纖輸出后,用一塊雙波長波片(對(duì)泵浦光為λ/2波片,對(duì)斯托克斯光則為λ波片)來使二者又返回到一致的偏振態(tài)，從而入射樣品后能激發(fā)出CARS 信號(hào)，實(shí)現(xiàn)了使用同一光纖傳輸激勵(lì)光束和接收樣品CARS信號(hào)而不受FWM信號(hào)干擾的目的。從這些方法可以看出，現(xiàn)有解決這一問題的思路都是設(shè)法抑制FWM這一不利因素。由于FWM信號(hào)較強(qiáng)，那么是否可以考慮利用它來進(jìn)行CARS成像呢？三色CARS成像技術(shù)為這一設(shè)想的實(shí)現(xiàn)提供了可能。在前述的CARS成像過程中，樣品中的分子吸收了兩個(gè)泵浦光子(ωρ)和一個(gè)斯托克斯光子(ω3)，這是雙色CARS成像技術(shù)。當(dāng)樣品中的分子吸收一個(gè)泵浦光子(ωρ)、一個(gè)斯托克斯光子(ω3)、和一個(gè)探針光子(COjff)后也能產(chǎn)生CARS信號(hào) (Coas= ωρ+ωρ^ω3)，這樣的作用過程構(gòu)成了三色CARS成像技術(shù)。由于需要頻率不同的三種超快脈沖光束，這會(huì)極大地增加激光光源的成本和時(shí)空重合調(diào)節(jié)的難度，因此三色CARS 成像技術(shù)被運(yùn)用得并不多。如果把在光纖中產(chǎn)生的FWM信號(hào)作為探針光，它和由光纖傳輸?shù)谋闷止夂退雇锌怂构鈦磉M(jìn)行三色CARS成像，此時(shí)并未對(duì)光源提出任何新的要求，且這三個(gè)激勵(lì)光之間已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了在時(shí)間和空間上的重合。另外，利用高功率超快脈沖光束在光纖中傳輸時(shí)激發(fā)出的脈沖光束(替代體積龐大的光學(xué)參量振蕩器)，來作為CARS成像的激勵(lì)光源，是目前CARS成像的重要研究方向(涉及到CARS系統(tǒng)的小型化)，這一點(diǎn)為上述設(shè)想提供了有力的理論支撐。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服背景技術(shù)的不足，本發(fā)明的目的是提供一種消除由傳光光纖產(chǎn)生的FWM 信號(hào)對(duì)成像結(jié)果不利影響的方法及系統(tǒng)，這一不利影響是光纖型CARS成像系統(tǒng)中的固有問題。該方法及系統(tǒng)利用泵浦光和斯托克斯光在光纖中傳輸時(shí)激發(fā)出的非相位匹配FWM信號(hào)作為CARS成像的探針光,它和由光纖傳輸?shù)谋闷止夂退雇锌怂构庖黄饦?gòu)成了三色CARS 成像作用過程，此時(shí)由樣品產(chǎn)生的CARS信號(hào)光和激勵(lì)光的頻率不重疊，在光纖接收信號(hào)的輸出端(無空間尺寸制約)用一塊長波通二向色鏡即可把CARS信號(hào)分離出來，從而實(shí)現(xiàn)了使用同一光纖傳輸激勵(lì)光束和接收樣品CARS信號(hào)而不受FWM信號(hào)干擾的目的。為了實(shí)現(xiàn)所述目的，本發(fā)明一方面是提供一種利用光纖產(chǎn)生的四波混頻(FWM)信號(hào)進(jìn)行相干反斯托克斯拉曼散射(CARS)成像的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)解決技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是包括激光光源、第一反射鏡、第二反射鏡、光學(xué)參量振蕩器、第三反射鏡、第四反射鏡、第五反射鏡、第六反射鏡、第七反射鏡、第八反射鏡、精密位移臺(tái)、第九反射鏡、第一長波通二向色鏡、第十反射鏡、耦合物鏡、光纖、二維掃描器、聚焦透鏡、支承套、樣品、第二長波通二向色鏡、帶通濾波片、成像透鏡、探測器和計(jì)算機(jī)，其中從激光光源的輸出端口 a發(fā)出的倍頻光束經(jīng)第一反射鏡和第二反射鏡反射后,輸入并泵浦光學(xué)參量振蕩器，由光學(xué)參量振蕩器輸出的光束為CARS成像的泵浦光；從激光光源的輸出端口 b發(fā)出的基頻光束為CARS成像的斯托克斯光，斯托克斯光依次經(jīng)第三反射鏡、第四反射鏡、第五反射鏡、第六反射鏡、第七反射鏡、第八反射鏡和第九反射鏡反射后至第一長波通二向色鏡，這一光路為斯托克斯光路；在斯托克斯光路中的第六反射鏡和第七反射鏡安裝在精密位移臺(tái)上；通過調(diào)節(jié)精密位移臺(tái)、以及第八反射鏡與第九反射鏡，分別使從光學(xué)參量振蕩器輸出的泵浦光和從第九反射鏡來的斯托克斯光通過第一長波通二向色鏡后在時(shí)間和空間上重合；時(shí)間和空間上重合的泵浦光和斯托克斯光經(jīng)第十反射鏡反射至第二長波通二向色鏡后，被耦合物鏡耦合進(jìn)光纖中傳輸；時(shí)間和空間上重合的泵浦光和斯托克斯光在光纖中傳輸時(shí)，激發(fā)出非相位匹配的四波混頻信號(hào)，把四波混頻信號(hào)作為CARS成像的探針光；從光纖輸出的泵浦光、斯托克斯光和探針光被聚焦透鏡聚焦在樣品上并激發(fā)出CARS信號(hào)；光纖的端部固定在二維掃描器上，并使光纖伸出一小段成為懸臂梁，二維掃描器和聚焦透鏡安裝在支承套內(nèi)；由樣品產(chǎn)生的CARS信號(hào)光和被樣品后向反射或散射的泵浦光、斯托克斯光和探針光，被聚焦透鏡收集并耦合進(jìn)光纖中傳輸，然后經(jīng)耦合物鏡后至第二長波通二向色鏡；被樣品后向反射或散射的泵浦光、斯托克斯光和探針光透過第二長波通二向色鏡，CARS信號(hào)光被第二長波通二向色鏡反射后經(jīng)帶通濾波片和成像透鏡后被探測器接收；計(jì)算機(jī)控制安裝在支承套內(nèi)的二維掃描器帶著光纖端部共振，使被聚焦透鏡聚焦的泵浦光、斯托克斯光和探針光在樣品上進(jìn)行二維掃描，計(jì)算機(jī)同時(shí)控制探測器同步采集 CARS信號(hào)并傳輸至計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理，從而得到樣品的二維CARS成像結(jié)果。所述的激光光源為具有2 7ps或者102fs量級(jí)脈沖寬度的高頻脈沖近紅外激光光源，所述高頻脈沖近紅外激光光源具有從輸出端口 b發(fā)出的基頻光束、從輸出端口 a發(fā)出的倍頻光束。所述的光學(xué)參量振蕩器是與激光光源的脈沖寬度相匹配的、波長在近紅外波段可調(diào)的激光產(chǎn)生器。所述的第五反射鏡至第六反射鏡的光束、和第七反射鏡至第八反射鏡的光束的方向都與精密位移臺(tái)的位移調(diào)節(jié)方向平行。所述的光纖的輸入端端面位于耦合物鏡的前焦面上。所述的探測器的感光面位于成像透鏡的前焦面上。為了實(shí)現(xiàn)所述目的，本發(fā)明另一方面是提供一種利用光纖產(chǎn)生的四波混頻信號(hào)進(jìn)行CARS成像的方法，包括以下步驟步驟SI :把激光光源輸出的基頻光束作為CARS成像的斯托克斯光，托克斯光的頻率記為ω3 ;把激光光源輸出的倍頻光束泵浦光學(xué)參量振蕩器后產(chǎn)生和輸出的光束作為 CARS成像的泵浦光，泵浦光的頻率記為ωρ;步驟S2 :通過調(diào)節(jié)斯托克斯光路中的反射鏡，使斯托克斯光和泵浦光在通過第一長波通二向色鏡后在空間上重合；步驟S3 :通過調(diào)節(jié)斯托克斯光路中的精密位移臺(tái)，使斯托克斯光和泵浦光在通過第一長波通二向色鏡后在時(shí)間上重合；
步驟S4 :通過調(diào)節(jié)光學(xué)參量振蕩器中增益介質(zhì)的溫度來調(diào)節(jié)輸出的泵浦光波長， 使泵浦光和斯托克斯光的頻率差與待測分子化學(xué)鍵的共振頻率Qvib相匹配，即滿足Qvib
=ω - ω ；
PS 步驟S5 :把時(shí)間和空間上重合的泵浦光和斯托克斯光在光纖中傳輸時(shí)激發(fā)出的頻率為ω Μ = 2ωρ-ω3的非相位匹配四波混頻信號(hào)，作為CARS成像的探針光，探針光的頻率記為ωριι ；步驟S6 :將泵浦光、斯托克斯光和探針光通過聚焦透鏡聚焦在樣品上后，激發(fā)出滿足相位匹配條件的CARS信號(hào)光，CARS信號(hào)光的頻率為coas = ωρ+ωρΓ-ω3 ；步驟S7 :由樣品產(chǎn)生的CARS信號(hào)光，以及被樣品后向反射或散射的泵浦光、斯托克斯光和探針光被聚焦透鏡收集并耦合進(jìn)光纖中傳輸，在光纖輸出端只有CARS信號(hào)光被第二長波通二向色鏡反射至探測器，探測器接收到的光信號(hào)被轉(zhuǎn)換成電信號(hào)后傳輸至計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理；步驟S8 :計(jì)算機(jī)控制二維掃描器帶著光纖端部共振，使聚焦光束在樣品上進(jìn)行二維掃描，從而得到樣品的二維CARS成像結(jié)果。與背景技術(shù)相比，本發(fā)明具有的有益效果是I、本發(fā)明消除了光纖型CARS成像系統(tǒng)中由傳光光纖產(chǎn)生的FWM信號(hào)對(duì)成像結(jié)果的不利影響。CARS系統(tǒng)的光纖化是其臨床應(yīng)用的必要條件，而用于CARS成像的泵浦光和斯托克斯光在光纖中傳輸時(shí)不可避免地會(huì)激發(fā)出非相位匹配FWM信號(hào)，這一信號(hào)和樣品產(chǎn)生的CARS信號(hào)有相同的頻率而不能被分離出去，且其強(qiáng)度較強(qiáng)以致常常淹沒樣品信號(hào)。2、本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了使用同一根光纖傳輸激勵(lì)光束和接收樣品CARS信號(hào)而不受FWM 信號(hào)干擾的目的。現(xiàn)有解決這一問題的辦法是用一根光纖來傳輸激勵(lì)光束，光纖產(chǎn)生的FWM 信號(hào)用一塊長波通二向色鏡來濾除，然后用另一根光纖來接收樣品的CARS信號(hào)。3、本發(fā)明相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)CARS系統(tǒng)配置而言未新增任何器件，且對(duì)使用的器件沒有任何特殊要求，極大地簡化了系統(tǒng)和節(jié)約了成本。采用兩根光纖分別傳輸激勵(lì)光束和接收信號(hào)光束的方法新增了較多的器件，在尺寸受限的內(nèi)窺條件下難于被采用；而利用雙波長波片的方法需要引入一些波片和偏振片來改變?nèi)肷浼?lì)光束的偏振態(tài)，以及雙波長波片需要特殊定制。4、本發(fā)明適用于任何光纖類型的CARS成像系統(tǒng)，為實(shí)現(xiàn)CARS內(nèi)窺成像提供了簡單有效的解決途徑。


圖I是本發(fā)明的系統(tǒng)示意圖2a是雙色CARS成像的能級(jí)示意圖2b是二色CARS成像的能級(jí)不意圖3是本發(fā)明方法流程圖。
圖中符號(hào)說明
I激光光源，2第一反射鏡，3第二反射鏡，
4光學(xué)參量振蕩器，5第三反射鏡，6第四反射鏡，
7第五反射鏡，8第六反射鏡，9第七反射鏡，
10第八反射鏡，11精密位移臺(tái)，12第九反射鏡，
14第十反射鏡，15耦合物鏡，16光纖，
17 二維掃描器，18聚焦透鏡，19支承套，
20樣品，22帶通濾波片，23成像透鏡，
24探測器，25計(jì)算機(jī)，
13第一長波通二:向色鏡，21第二長波通二:向色鏡。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的說明
如圖I所示，本發(fā)明提出的利用光纖產(chǎn)生的四波混頻信號(hào)進(jìn)行CARS成像的系統(tǒng)包
括激光光源I、第一反射鏡2、第二反射鏡3、光學(xué)參量振蕩器4、第三反射鏡5、第四反射鏡
6、第五反射鏡7、第六反射鏡8、第七反射鏡9、第八反射鏡10、精密位移臺(tái)U、第九反射鏡 12、第一長波通二向色鏡13、第十反射鏡14、稱合物鏡15、光纖16、二維掃描器17、聚焦透鏡 18、支承套19、樣品20、第二長波通二向色鏡21、帶通濾波片22、成像透鏡23、探測器24和計(jì)算機(jī)25。激光光源I為具有2 7ps或者102fs量級(jí)脈沖寬度的高頻脈沖近紅外激光光源， 它具有從輸出端口 b發(fā)出的基頻光束、從輸出端口 a發(fā)出的倍頻光束。倍頻光束經(jīng)第一反射鏡2和第二反射鏡3反射后，輸入并泵浦光學(xué)參量振蕩器4。光學(xué)參量振蕩器4是與激光光源I的脈沖寬度相匹配的、波長在近紅外波段可調(diào)的激光產(chǎn)生器，由其輸出的光束作為CARS成像的泵浦光(ωρ)。從激光光源I的輸出端口 b發(fā)出的基頻光束作為CARS成像的斯托克斯光(ω s)，依次經(jīng)第三反射鏡5、第四反射鏡6、第五反射鏡7、第六反射鏡8、第七反射鏡9、第八反射鏡10、和第九反射鏡12反射后至第一長波通二向色鏡13，這一光路構(gòu)成了斯托克斯光路。在斯托克斯光路中的第六反射鏡8和第七反射鏡9安裝在精密位移臺(tái)11上。通過調(diào)節(jié)精密位移臺(tái)11、以及第八反射鏡10與第九反射鏡12，分別使從光學(xué)參量振蕩器4輸出的泵浦光和從第九反射鏡12來的斯托克斯光通過第一長波通二向色鏡13后在時(shí)間和空間上重合；時(shí)間和空間上重合的泵浦光和斯托克斯光經(jīng)第十反射鏡14反射至第二長波通二向色鏡21后，被耦合物鏡15耦合進(jìn)光纖16中傳輸；時(shí)間和空間上重合的泵浦光和斯托克斯光在光纖16中傳輸時(shí)，激發(fā)出非相位匹配的四波混頻信號(hào)，把四波混頻信號(hào)作為CARS 成像的探針光；從光纖16輸出的泵浦光、斯托克斯光和探針光被聚焦透鏡18聚焦在樣品 20上并激發(fā)出CARS信號(hào)；光纖16的端部固定在二維掃描器17上，并使光纖16伸出一小段成為懸臂梁，二維掃描器17和聚焦透鏡18安裝在支承套19內(nèi)；第一長波通二向色鏡13反射從光學(xué)參量振蕩器4來的泵浦光，而透過從第九反射鏡12來的斯托克斯光。第五反射鏡7至第六反射鏡8的光束和第七反射鏡9至第八反射鏡 10的光束的方向與精密位移臺(tái)11的位移調(diào)節(jié)方向平行，以便在通過精密位移臺(tái)11進(jìn)行泵浦光和斯托克斯光的時(shí)間重合調(diào)節(jié)時(shí)，能保證從第九反射鏡12至第一長波通二向色鏡13 的光束的方向不變。通過調(diào)節(jié)斯托克斯光路中的第八反射鏡10和第九反射鏡12，使泵浦光和斯托克斯光在通過第一長波通二向色鏡13后在空間上重合。泵浦光和斯托克斯光經(jīng)第十反射鏡14反射和透過第二長波通二向色鏡21后，被耦合物鏡15耦合進(jìn)光纖16中傳輸，光纖16的輸入端端面位于耦合物鏡15的前焦面上。在時(shí)間和空間上重合的泵浦光和斯托克斯光在光纖16中傳輸時(shí)，會(huì)激發(fā)出頻率為ω Μ = 2ωρ-ω3的非相位匹配四波混頻信號(hào)，把這一信號(hào)作為CARS成像的探針光，其頻率記為從光纖16輸出的激勵(lì)光，包括泵浦光、斯托克斯光和探針光，被聚焦透鏡18聚焦在樣品20上，激發(fā)出滿足相位匹配條件的CARS信號(hào)，其頻率為GJas= ωρ+ωρΓ-ω3θ光纖 16的端部固定在二維掃描器17上,并使光纖16伸出一小段形成懸臂梁結(jié)構(gòu),二維掃描器 17和聚焦透鏡18安裝在支承套19內(nèi)。計(jì)算機(jī)25控制二維掃描器17帶著光纖16的懸臂部分共振，使被聚焦透鏡18聚焦的激勵(lì)光束在樣品20上進(jìn)行二維掃描。由樣品20產(chǎn)生的CARS信號(hào)光和被樣品20后向反射或散射的泵浦光、斯托克斯光和探針光，被聚焦透鏡18收集并耦合進(jìn)光纖16中傳輸，然后經(jīng)耦合物鏡15后至第二長波通二向色鏡21。被樣品20后向反射或散射的泵浦光、斯托克斯光和探針光透過第二長波通二向色鏡21，CARS信號(hào)光被第二長波通二向色鏡21反射后經(jīng)帶通濾波片22和成像透鏡 23后被探測器24接收；計(jì)算機(jī)25控制安裝在支承套19內(nèi)的二維掃描器17帶著光纖端部共振，使被聚焦透鏡18聚焦的泵浦光、斯托克斯光和探針光在樣品20上進(jìn)行二維掃描，計(jì)算機(jī)25控制探測器24同步采集CARS信號(hào)并傳輸至計(jì)算機(jī)25進(jìn)行處理，從而得到樣品的二維CARS成像結(jié)果。所述的探測器24的感光面位于成像透鏡23的前焦面上。第二長波通二向色鏡21透過被樣品20后向反射或散射的泵浦光、斯托克斯光和探針光，而反射CARS信號(hào)光至探測臂。在探測臂里，CARS信號(hào)光通過帶通濾波片22后被成像透鏡23聚焦在探測器24的感光面上，系統(tǒng)中產(chǎn)生的各類雜散光被帶通濾波片22濾除。圖2a和圖2b分別是雙色和三色CARS成像的能級(jí)示意圖。在圖2a所示的雙色 CARS成像過程中，樣品20中的分子吸收兩個(gè)泵浦光子和一個(gè)斯托克斯光子，當(dāng)二者的頻率之差與待測分子的共振頻率Qvib匹配，即滿足Qvib=，引起分子振蕩并輻射出頻率為ω as = 2 ωρ- ω s的CARS信號(hào)。而在圖2b所示的三色CARS成像過程中，樣品20中的分子吸收一個(gè)泵浦光子、一個(gè)斯托克斯光子、和一個(gè)探針光子，此時(shí)激發(fā)出的樣品CARS信號(hào)光頻率為《as= cop+CV-cos，與激勵(lì)光無重疊，能夠在光纖16接收信號(hào)的輸出端由第二長波通二向色鏡21把CARS信號(hào)提取出來，從而實(shí)現(xiàn)了使用同一光纖16傳輸激勵(lì)光束和接收樣品CARS信號(hào)而不受FWM信號(hào)干擾的目的。作為實(shí)施例，激光光源I可采用奧地利High-Q Laser公司的picoTRAIN IC-1064-10000型激光器，它能提供76MHz脈沖頻率、7ps脈沖寬度、1064nm波長的基頻脈沖輸出光束，和532nm波長的倍頻脈沖輸出光束。光學(xué)參量振蕩器4采用德國APE GmbH 公司的Levante Emerald皮秒產(chǎn)品，532nm波長的脈沖光束作為泵浦光輸送給光學(xué)參量振蕩器4，可獲得在680 990nm波長范圍內(nèi)可調(diào)的、脈沖寬度為5ps的輸出光束，作為CARS 成像的泵浦光。由激光光源I輸出的1064nm波長脈沖光束作為CARS成像的斯托克斯光。 第一長波通二向色鏡13、第二長波通二向色鏡21、和帶通濾波片22分別采用美國Chroma Technology公司的Q1020LPXR、640DCXR、和HQ560/50m型產(chǎn)品，探測器24采用日本賓松公司的R3896型光電倍增管(PMT)探測器。其余器件，均可從市場購得。CH2化學(xué)鍵經(jīng)常被用于生物體的成像，其共振頻率為2845CHT1，此時(shí)需把泵浦光調(diào)節(jié)到816. 8nm(12243cm^)、斯托克斯光固定在1064鹽(939801^)、光纖中產(chǎn)生的FWM信號(hào)即探針光為662. 8nm(15088cm_1)， 則樣品產(chǎn)生的CARS信號(hào)光波長為557. 6nm(17933cm^)。圖3示出本發(fā)明提出的利用光纖產(chǎn)生的四波混頻信號(hào)進(jìn)行CARS成像的方法，包括以下步驟步驟SI :把激光光源輸出的基頻光束作為CARS成像的斯托克斯光，托克斯光的頻率記為ω3 ;把激光光源輸出的倍頻光束泵浦光學(xué)參量振蕩器后產(chǎn)生和輸出的光束作為 CARS成像的泵浦光，泵浦光的頻率記為ωρ;步驟S2 :通過調(diào)節(jié)斯托克斯光路中的反射鏡，使斯托克斯光和泵浦光在通過第一長波通二向色鏡后在空間上重合；步驟S3 :通過調(diào)節(jié)斯托克斯光路中的精密位移臺(tái)，使斯托克斯光和泵浦光在通過第一長波通二向色鏡后在時(shí)間上重合；步驟S4 :通過調(diào)節(jié)光學(xué)參量振蕩器中增益介質(zhì)的溫度來調(diào)節(jié)輸出的泵浦光波長， 使泵浦光和斯托克斯光的頻率差與待測分子化學(xué)鍵的共振頻率Qvib相匹配，即滿足Qvib
=ω - ω ；
PS 步驟S5 :把時(shí)間和空間上重合的泵浦光和斯托克斯光在光纖中傳輸時(shí)激發(fā)出的頻率為ω Μ = 2ωρ-ω3的非相位匹配四波混頻信號(hào)，作為CARS成像的探針光，探針光的頻率記為ωριι ；步驟S6 :將泵浦光、斯托克斯光和探針光通過聚焦透鏡聚焦在樣品上后，激發(fā)出滿足相位匹配條件的CARS信號(hào)光，CARS信號(hào)光的頻率為coas = ωρ+ωρΓ-ω3 ；步驟S7 :由樣品產(chǎn)生的CARS信號(hào)光，以及被樣品后向反射或散射的泵浦光、斯托克斯光和探針光被聚焦透鏡收集并耦合進(jìn)光纖中傳輸，在光纖輸出端只有CARS信號(hào)光被第二長波通二向色鏡反射至探測器，探測器接收到的光信號(hào)被轉(zhuǎn)換成電信號(hào)后傳輸至計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理；步驟S8 :計(jì)算機(jī)控制二維掃描器帶著光纖端部共振，使聚焦光束在樣品上進(jìn)行二維掃描，從而得到樣品的二維CARS成像結(jié)果。上述具體實(shí)施方式
用來解釋說明本發(fā)明，而不是對(duì)本發(fā)明進(jìn)行限制。在本發(fā)明的精神和權(quán)利要求的保護(hù)范圍內(nèi)，對(duì)本發(fā)明作出的任何修改和改變，都落入本發(fā)明的保護(hù)范圍。
10
權(quán)利要求
1.利用光纖產(chǎn)生的四波混頻信號(hào)進(jìn)行CARS成像的系統(tǒng)，其特征在于包括激光光源(I)、第一反射鏡(2)、第二反射鏡(3)、光學(xué)參量振蕩器(4)、第三反射鏡(5)、第四反射鏡(6)、第五反射鏡(7)、第六反射鏡⑶、第七反射鏡(9)、第八反射鏡(10)、精密位移臺(tái)(11)、 第九反射鏡(12)、第一長波通二向色鏡(13)、第十反射鏡(14)、稱合物鏡(15)、光纖(16)、 二維掃描器(17)、聚焦透鏡(18)、支承套(19)、樣品(20)、第二長波通二向色鏡(21)、帶通濾波片(22)、成像透鏡(23)、探測器(24)和計(jì)算機(jī)(25)，其中從激光光源(I)的輸出端口 a發(fā)出的倍頻光束經(jīng)第一反射鏡(2)和第二反射鏡(3)反射后，輸入并泵浦光學(xué)參量振蕩器(4),由光學(xué)參量振蕩器(4)輸出的光束為CARS成像的泵浦光；從激光光源(I)的輸出端口 b發(fā)出的基頻光束為CARS成像的斯托克斯光，斯托克斯光依次經(jīng)第三反射鏡(5)、第四反射鏡(6)、第五反射鏡(7)、第六反射鏡(8)、第七反射鏡(9)、第八反射鏡(10)、和第九反射鏡(12)反射后至第一長波通二向色鏡(13)，這一光路為斯托克斯光路；在斯托克斯光路中的第六反射鏡(8)和第七反射鏡(9)安裝在精密位移臺(tái)(11)上；通過調(diào)節(jié)精密位移臺(tái)(11)、以及第八反射鏡(10)與第九反射鏡(12)，分別使從光學(xué)參量振蕩器(4)輸出的泵浦光和從第九反射鏡(12)來的斯托克斯光通過第一長波通二向色鏡(13) 后在時(shí)間和空間上重合；時(shí)間和空間上重合的泵浦光和斯托克斯光經(jīng)第十反射鏡(14)反射至第二長波通二向色鏡(21)后，被耦合物鏡(15)耦合進(jìn)光纖(16)中傳輸；時(shí)間和空間上重合的泵浦光和斯托克斯光在光纖(16)中傳輸時(shí)，激發(fā)出非相位匹配的四波混頻信號(hào)， 把四波混頻信號(hào)作為CARS成像的探針光；從光纖(16)輸出的泵浦光、斯托克斯光和探針光被聚焦透鏡(18)聚焦在樣品(20)上并激發(fā)出CARS信號(hào)；光纖(16)的端部固定在二維掃描器(17)上，并使光纖(16)伸出一小段成為懸臂梁，二維掃描器(17)和聚焦透鏡(18)安裝在支承套(19)內(nèi)；由樣品(20)產(chǎn)生的CARS信號(hào)光和被樣品(20)后向反射或散射的泵浦光、斯托克斯光和探針光，被聚焦透鏡(18)收集并耦合進(jìn)光纖(16)中傳輸，然后經(jīng)耦合物鏡(15)后至第二長波通二向色鏡(21);被樣品(20)后向反射或散射的泵浦光、斯托克斯光和探針光透過第二長波通二向色鏡(21)，CARS信號(hào)光被第二長波通二向色鏡(21)反射后經(jīng)帶通濾波片(22)和成像透鏡(23)后被探測器(24)接收；計(jì)算機(jī)(25)控制安裝在支承套(19)內(nèi)的二維掃描器(17)帶著光纖端部共振，使被聚焦透鏡(18)聚焦的泵浦光、斯托克斯光和探針光在樣品(20)上進(jìn)行二維掃描，計(jì)算機(jī)(25) 同時(shí)控制探測器(24)同步采集CARS信號(hào)并傳輸至計(jì)算機(jī)(25)進(jìn)行處理，從而得到樣品的二維CARS成像結(jié)果。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的利用光纖產(chǎn)生的四波混頻信號(hào)進(jìn)行CARS成像的系統(tǒng)，其特征在于所述的激光光源(I)為具有2 7ps或者102fs量級(jí)脈沖寬度的高頻脈沖近紅外激光光源，所述高頻脈沖近紅外激光光源具有從輸出端口 b發(fā)出的基頻光束、從輸出端口 a 發(fā)出的倍頻光束。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的利用光纖產(chǎn)生的四波混頻信號(hào)進(jìn)行CARS成像的系統(tǒng)，其特征在于所述的光學(xué)參量振蕩器(4)是與激光光源(I)的脈沖寬度相匹配的、波長在近紅外波段可調(diào)的激光產(chǎn)生器。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的利用光纖產(chǎn)生的四波混頻信號(hào)進(jìn)行CARS成像的系統(tǒng)，其特征在于所述的第五反射鏡(7)至第六反射鏡(8)的光束、和第七反射鏡(9)至第八反射鏡(10)的光束的方向都與精密位移臺(tái)(11)的位移調(diào)節(jié)方向平行。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的利用光纖產(chǎn)生的四波混頻信號(hào)進(jìn)行CARS成像的系統(tǒng)，其特征在于所述的光纖(16)的輸入端端面位于耦合物鏡(15)的前焦面上。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的利用光纖產(chǎn)生的四波混頻信號(hào)進(jìn)行CARS成像的系統(tǒng)，其特征在于所述的探測器(24)的感光面位于成像透鏡(23)的前焦面上。
7.一種使用權(quán)利要求I所述CARS成像系統(tǒng)的利用光纖產(chǎn)生的四波混頻信號(hào)進(jìn)行CARS 成像的方法，包括以下步驟步驟SI :把激光光源輸出的基頻光束作為CARS成像的斯托克斯光，托克斯光的頻率記為;把激光光源輸出的倍頻光束泵浦光學(xué)參量振蕩器后產(chǎn)生和輸出的光束作為CARS成像的泵浦光，泵浦光的頻率記為ωρ;步驟S2 :通過調(diào)節(jié)斯托克斯光路中的反射鏡，使斯托克斯光和泵浦光在通過第一長波通二向色鏡后在空間上重合；步驟S3 :通過調(diào)節(jié)斯托克斯光路中的精密位移臺(tái)，使斯托克斯光和泵浦光在通過第一長波通二向色鏡后在時(shí)間上重合；步驟S4 :通過調(diào)節(jié)光學(xué)參量振蕩器中增益介質(zhì)的溫度來調(diào)節(jié)輸出的泵浦光波長，使泵浦光和斯托克斯光的頻率差與待測分子化學(xué)鍵的共振頻率Qvib相匹配，即滿足Qvib =CO _ CO :P s 步驟S5 :把時(shí)間和空間上重合的泵浦光和斯托克斯光在光纖中傳輸時(shí)激發(fā)出的頻率為cofwm = 2cop-cos的非相位匹配四波混頻信號(hào)，作為CARS成像的探針光,探針光的頻率記為 Pr ；步驟S6 :將泵浦光、斯托克斯光和探針光通過聚焦透鏡聚焦在樣品上后，激發(fā)出滿足相位匹配條件的CARS信號(hào)光，CARS信號(hào)光的頻率為GJas= ωρ+ωρΓ-ω3 ；步驟S7 :由樣品產(chǎn)生的CARS信號(hào)光，以及被樣品后向反射或散射的泵浦光、斯托克斯光和探針光被聚焦透鏡收集并耦合進(jìn)光纖中傳輸，在光纖輸出端只有CARS信號(hào)光被第二長波通二向色鏡反射至探測器，探測器接收到的光信號(hào)被轉(zhuǎn)換成電信號(hào)后傳輸至計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理；步驟S8 :計(jì)算機(jī)控制二維掃描器帶著光纖端部共振，使聚焦光束在樣品上進(jìn)行二維掃描，從而得到樣品的二維CARS成像結(jié)果。
全文摘要
本發(fā)明是利用光纖產(chǎn)生的四波混頻信號(hào)進(jìn)行CARS成像的系統(tǒng)及方法，包括激光光源、多片反射鏡、光學(xué)參量振蕩器、精密位移臺(tái)、兩個(gè)長波通二向色鏡、耦合物鏡、光纖、二維掃描器、聚焦透鏡、支承套、樣品、帶通濾波片、成像透鏡、探測器和計(jì)算機(jī)。光源發(fā)出倍頻光束泵浦光學(xué)參量振蕩器后輸出的光束，光源發(fā)出的基頻光束，分別為CARS成像的泵浦光和斯托克斯光，它們?cè)跁r(shí)間和空間上重合后在光纖中傳輸時(shí)激發(fā)出的四波混頻信號(hào)為CARS成像的探針光。它們被聚焦在樣品上產(chǎn)生的CARS信號(hào)光與它們的頻率不重疊，可用長波通二向色鏡分離出來。本發(fā)明相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)CARS系統(tǒng)配置而言未新增器件，且對(duì)使用的器件沒有特殊要求，系統(tǒng)簡化并節(jié)約了成本。
文檔編號(hào)G01N21/65GK102608100SQ201210053798
公開日2012年7月25日 申請(qǐng)日期2012年3月2日 優(yōu)先權(quán)日2012年3月2日
發(fā)明者張雨東, 李喜琪, 楊亞良 申請(qǐng)人:中國科學(xué)院光電技術(shù)研究所