[發明專利]一種基于頻譜遞進掃描的相干拉曼散射成像裝置及成像方法

在審

• 申請號: 202210840656.9
• 申請日: 2022-07-18
• 公開（公告）號: CN115201177A
• 公開（公告）日: 2022-10-18
• 發明（設計）人: 楊康文;劉亮;黃坤;曾和平
• 申請（專利權）人: 上海理工大學
• 主分類號: G01N21/65
• 分類號: G01N21/65;G01N21/01;G02B21/00
• 代理公司: 上海邦德專利代理事務所(普通合伙) 31312
• 代理人: 郭靖宇

本發明一種基于頻譜遞進掃描的相干拉曼散射成像裝置及成像方法，包括同步雙色光源，非線性放大及光譜展寬模塊、頻譜遞進掃描控制模塊、線性放大模塊、合束及樣品探測模塊和數據處理模塊，本發明無需調諧激光振蕩器，也不用時間掃描，通過控制非線性放大器的種子光和泵浦光，調節種子光色散、功率、啁啾和放大器泵浦功率等參數，動態調整非線性放大器的光譜演變，使其從窄光譜逐漸過渡到寬光譜，從覆蓋單一拉曼峰到遞進覆蓋多個拉曼峰，這種頻譜遞進掃描的相干拉曼光源能實現多個化學鍵同時成像，掃描速度快、成像方式靈活，兼具高光譜分辨率和寬帶探測范圍，也為消除相干拉曼散射成像中的噪聲提供了新的方式。

技術領域

本發明屬于成像光源技術領域，尤其涉及一種基于頻譜遞進掃描的相干拉曼散射成像裝置及成像方法。

背景技術

由于顯微成像技術的不斷發展，人們可以觀察到用肉眼無法直接看到的亞微米量級的微觀世界，對生命科學領域各種組織或者樣品成像起到了關鍵的推動作用。其中，相干拉曼散射(Coherent Raman Scattering,CRS)成像技術由于具有無標記、非侵入和化學特異性的特征，被廣泛應用于生物和醫學領域。為實現CRS成像，通常利用兩束時間上同步，空間上重合的超短脈沖(波長較長的脈沖稱為斯托克斯光，波長較短的脈沖稱為泵浦光)同時照射到待測樣品上，當這兩束光的頻率差所對應的能量與樣品化學鍵的振轉能級一致時，會產生一束頻率不同的光，通過探測新產生的光就能實現對物質分子的檢測。

當需要對多個化學鍵進行相干拉曼散射成像時，就需要改變兩束激發光的頻率差。為實現這個目標，常用的方法有兩種。一種是直接改變其中一束激發光的頻率，例如采用可調諧光纖光柵或者可調諧濾波片，直接放置到其中一束光源的諧振腔當中，這個光源的輸出頻率被改變，和另一束光的頻率差也隨之改變。這種方法常用在兩束激發光均為皮秒脈沖光的場合，頻率調諧時間可以達到毫秒量級。但是由于是在激光諧振腔中改變頻率，調諧范圍受限于增益介質的發射截面。另外，直接改變振蕩器的頻率，容易導致鎖模丟失的風險。另一種方法是先通過色散介質將寬譜帶的飛秒脈沖展寬，建立頻率——時間的映射，然后通過調節展寬后寬譜帶脈沖與另一束脈沖的延時，在時域上讓特定頻率成分的脈沖重合，再通過改變或者掃描延時，實現不同時刻、不同頻率差的脈沖重合。這種方法可以通過非線性介質展寬脈沖的頻譜，兼顧寬譜帶范圍與高光譜分辨的特點，但時域掃描方法的速度受限，一般的位移臺速度過慢，盡管可以用振鏡和光柵實現更高速的掃描，但空間結構的引入在增加系統復雜性的同時，降低了系統可靠性。

發明內容

針對現有技術的缺陷，本發明的目的在于提供一種基于頻譜遞進掃描的相干拉曼散射成像裝置及成像方法，旨在解決傳統相干拉曼散射成像光源及方法難以實現快掃描速度、寬光譜范圍和高光譜分辨率的問題，實現對多個拉曼特征頻率的快速、高分辨成像。

一種基于頻譜遞進掃描的相干拉曼散射成像裝置包括同步雙色光源，非線性放大及光譜展寬模塊、頻譜遞進掃描控制模塊、線性放大模塊、合束及樣品探測模塊、數據處理模塊。其中同步雙色光源模塊包括能輸出時域同步的兩種波長的超短脈沖的第一光纖激光器和第二光纖激光器，第一光纖激光器內含有色散/啁啾控制器，第二光纖激光器通過注入或者共腔的方式，實現與第一光纖激光器的被動同步；非線性放大及光譜展寬模塊包括功率調節器、非線性放大器和傳輸光纖。

同步雙色光源模塊中的光纖激光器，其鎖模方式可以是非線性偏振旋轉、可飽和吸收或者非線性放大環形鏡，其中的色散/啁啾控制器可以是由光纖光柵，空間光柵對，或者電光/聲光調制器構成的，能對腔內色散或者啁啾進行主動控制的器件。雙色激光的同步方式，可以采用注入式或者共腔式的被動同步方案。