一种基于时间拉伸的快速受激拉曼散射显微成像系统的制作方法

本发明属于显微成像领域，涉及一种基于时间拉伸的快速受激拉曼散射显微成像系统。

背景技术：

人体组织或细胞的显微成像在生物医学方面有着广泛的应用，例如，疾病检测、单细胞分析等，如何实现针对人体组织或细胞的快速显微成像是一个关键问题和长期存在的挑战。

目前，常用的一种人体组织或细胞的显微成像技术是受激拉曼散射显微成像技术（stimulatedramanscatteringmicroscopy）。受激拉曼散射显微成像技术是根据不同分子振动发出的拉曼散射光不同，将系统采集到的数据与分子的标准拉曼光谱（ramanspectra）进行对比，完成成分分析（y.ozeki,w.umemura,y.otsuka,s.satoh,h.hashimoto,andk.sumimura,high-speedmolecularspectralimagingoftissuewithstimulatedramanscattering[j],naturephotonics,6:845-851(2012).）。然而其成像系统需要应用波长扫描装置以完成拉曼光谱的测量，其操作过程复杂，需要多次调控其中的振镜偏转角，系统复杂度较高、测量时间长。同时需要对待测目标进行点扫描以完成对整个目标的成像，所以成像速度较慢。

此外，常见的受激拉曼散射显微成像系统通常使用两个波长不同的脉冲激光器作为光源（c.h.campjr,y.j.lee,j.m.heddleston,c.m.hartshorn,a.r.h.walker,j.n.rich,j.d.lathia,andm.t.cicerone,high-speedcoherentramanfingerprintimagingofbiologicaltissues[j],naturephotonics,8:627-634(2014).）。为了保证两个不同激光器的脉冲时序同步，需要在系统中引入额外的同步信号源和光学时间延迟器，进一步提高了系统的复杂度，此外，脉冲激光器的价格高昂，再加上同步信号源和时间延迟器的费用，大大增加了整个系统的硬件成本。

因此，设计一种操作简单、成本较低的快速受激拉曼散射显微成像系统具有重要意义和应用前景。

技术实现要素：

为了克服上述的受激拉曼散射显微成像系统的缺陷，本发明提出一种基于时间拉伸的快速受激拉曼散射显微成像系统。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种基于时间拉伸的快速受激拉曼散射显微成像系统，包括有依次连接的光源模块、样品检测模块，样品检测模块的输出端为两路输出，分为上支路和下支路，样品检测模块的输出上支路连接有时间拉伸模块、第一信号采集模块，样品检测模块的输出下支路连接有第二信号采集模块，第一信号采集模块与第二信号采集模块共同连接于数据处理模块，其特征在于：

所述光源模块，用于产生一个脉冲的斯托克斯光和一个连续的泵浦光，并使斯托克斯光和泵浦光合束；

所述样品检测模块，用于放置和移动待测样品并对待测样品进行线扫描；

所述时间拉伸模块，用于将光脉冲的光谱信息一一映射至其时域波形，实现光脉冲的时间-波长映射，完成斯托克斯光的波长扫描；

所述第一信号采集模块，用于采集发生受激拉曼散射的斯托克斯光信号并进行放大；

所述第二信号采集模块，用于采集泵浦光信号；

所述数据处理模块，用于信号的采样量化，并完成信号处理。

进一步地，所述光源模块包括脉冲激光器、连续激光器和第一二向色镜，所述脉冲激光器用于产生光谱宽的脉宽窄的斯托克斯光，所述连续激光器用于产生单色性好的泵浦光，所述第一二向色镜用于将产生的斯托克斯光和泵浦光合束。

进一步地，所述样品检测模块包括光纤束、第一显微物镜、待测样品、位移平台、第二显微物镜和第二二向色镜，所述光纤束用于使光输出整形成线形，所述第一显微物镜位于所述光纤束和所述待测样品之间，其视野能够覆盖所述待测样品，所述待测样品放置于所述位移平台之上，所述位移平台用于移动所述待测样品，完成线扫描，所述第二显微物镜位于所述第一显微物镜背离所述待测样品的一侧，能够将背向光束收集到所述第二二向色镜，所述第二二向色镜用于将斯托克斯光和泵浦光分离。

进一步地，所述时间拉伸模块包括单模色散补偿光纤、多模光纤、啁啾光纤布拉格光栅中的其中一种。

进一步地，所述第一信号采集模块包括第一光电探测器和锁相放大器，所述第一光电探测器用于将斯托克斯光信号转换为斯托克斯电信号，所述锁相放大器用于放大所述斯托克斯电信号。

进一步地，所述第二信号采集模块包括第二光电探测器，所述第二光电探测器用于将泵浦光信号转换为泵浦电信号。

进一步地，所述数据处理模块包括实时示波器、数据采集卡、现场可编程门阵列中的其中一种。

本发明的有益效果是，本发明将光学时间拉伸技术与受激拉曼散射技术结合，既实现了对待测样品内部的组成成分的分析，又能够对待测样品的表面形态进行成像，通过光纤束的应用对待测样品进行线扫描，极大地加快了扫描成像速度，通过脉冲激光器和连续激光器的结合使用，降低了系统的复杂度与操作难度，同时降低了系统的硬件成本。

附图说明

图1为一种基于时间拉伸的快速受激拉曼散射显微成像系统的组成框图；

图2为光源模块的结构示意图；

图3为样品检测模块的结构示意图；

图4为时间拉伸模块、第一信号采集模块、第二信号采集模块的结构示意图；

图5为光纤束的结构示意图。

附图标记说明：1.光源模块，2.样品检测模块，3.时间拉伸模块，4.第一信号采集模块，5.第二信号采集模块，6.数据处理模块，7.脉冲激光器，8.连续激光器，9.第一二向色镜，10.光纤束，11.第一显微物镜，12.待测样品，13.位移平台，14.第二显微物镜，15.第二二向色镜，16.光纤耦合器，17.单模色散补偿光纤，18.第一光电探测器，19.锁相放大器，20.第二光电探测器。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

本发明是一种基于时间拉伸的快速受激拉曼散射显微成像系统。如图1所示，包括有依次连接的光源模块1、样品检测模块2，样品检测模块的输出端为两路输出，分为上支路和下支路，样品检测模块的输出上支路连接有时间拉伸模块3、第一信号采集模块4，样品检测模块的输出下支路连接有第二信号采集模块5，第一信号采集模块4与第二信号采集模块5共同连接于数据处理模块6。

本发明一种基于时间拉伸的快速受激拉曼散射显微成像系统的工作原理：光源模块1，如图2所示，用于产生一个脉冲的斯托克斯光和一个连续的泵浦光，并使斯托克斯光和泵浦光合束，脉冲激光器7输出光学频率为ωs的斯托克斯脉冲光，连续激光器8输出光学频率为ωp的泵浦连续光，脉冲光与连续光经过第一二向色镜9合束。随后，样品检测模块2，如图3所示，用于放置和移动待测样品并对待测样品进行线扫描成像。光源模块1的输出光经光纤束10整形，如图5所示，整形后的光呈线形排列输出。泵浦光和斯托克斯光的光学频率差为ωp-ωs，当该光学频率差与待测样品12的分子振动频率匹配时，发生受激拉曼散射，斯托克斯光和泵浦光的强度发生变化，其中斯托克斯光发生受激拉曼增益（stimulatedramangain），其强度的变化量即为测得的待测样品的拉曼光谱。而后光束经过第二二向色镜15分束，一束为光学频率为ωs的斯托克斯脉冲光，一束为光学频率为ωp的泵浦连续光。如图4所示，发生受激拉曼增益的斯托克斯脉冲光经过时间拉伸模块3后被展宽，其光谱信息一一映射至其时域波形，实现斯托克斯光的时间-波长映射，等效于对波长进行扫描。然后第一光电探测器18和锁相放大器19采集发生受激拉曼增益的斯托克斯光并放大，最后经数据处理模块6处理得到相应的拉曼光谱。不同分子振动发出的拉曼散射光不同，对比系统采集到的拉曼光谱与分子的标准拉曼光谱，可以完成待测样品12的组成成分分析。另一方面，经第二二向色镜分束15的泵浦连续光由第二光电探测器20采集，并用数据处理模块6对信号处理，完成待测样品12的表面形态的成像。

【实施例1】

本实施例采用的脉冲激光器7的输出中心波长为1550nm，光谱范围为1515~1588nm，脉冲重复频率为25mhz，脉宽130fs，有

连续激光器8的输出波长为1064nm，有

因此本实施例可以采集的拉曼光谱范围为2797.8~3101.3cm^-1，可用于常见有机物，如蛋白质、脂肪等物质的c-h键的拉曼光谱测量。

本实施例中的时间拉伸模块采用的是单模色散补偿光纤，其色散常数为-16.7ps/nm，有

因此光纤束10中的光纤数量为

脉冲光与连续光经第一二向色镜9合束后耦合入光纤束10，光纤束10由32根长度均匀变化的光纤组成，所用光纤束10中的光速为2×10⁸m/s，因此相邻光纤的长度差为

光纤束10的输入端捆成圆形，输出端依据长度排列成线形，短光纤中的光先输出，长光纤中的光后输出，因此相邻光纤输出光的时间间隔为δt，32根光纤组成的光纤束10先后输出光的时间间隔为δt。

光纤束10输出的线形光经第一显微物镜11能够覆盖待测样品12，线形光扫描待测样品12时发生受激拉曼散射，第二显微物镜14收集线形光并传播至第二二向色镜15进行分束，一束为发生受激拉曼增益的斯托克斯脉冲光，一束为被待测样品12散射的连续光。

脉冲光经光纤耦合器16进入单模色散补偿光纤17进行时间拉伸，完成对发生受激拉曼增益的斯托克斯脉冲光的光谱的波长扫描。而后第一光电探测器18采集斯托克斯光信号转化成斯托克斯电信号，斯托克斯电信号经锁相放大器19放大后进入数据处理模块6。本实施例中的数据处理模块为实时示波器，将发生受激拉曼增益的斯托克斯脉冲光的波形与未发生受激拉曼增益的波形相减得到待测样品的拉曼光谱，后与标准的拉曼光谱比较，可以确定待测样品12的组成成分。

另一方面，只有当斯托克斯光和泵浦光同时照射待测样品12时才会发生受激拉曼散射，因此在一个周期δt内，只有

发生了受激拉曼散射，在剩余的时间内待测样品12只被连续光照射，因此第二光电探测器20可以采集被待测样品12散射的连续光并转换为电信号，后进入数据处理模块6完成待测样品12的表面成像。

当完成一次成像过程后，驱动位移平台13，通过线形输出的光纤束10对待测样品12进行线扫描，整个扫描过程完成即可实现对整个待测样品的显微成像。