专利名称：用于连续调节飞秒cars量子显微镜信噪比的装置及调节方法
技术领域：
本发明涉及飞秒相干反斯托克斯拉曼散射(CARS)显微领域，尤其是ー种用于连续调节飞秒CARS量子显微镜信噪比的装置及方法。
背景技术：
CARS显微术利用的是相干反斯托克斯拉曼散射(Coherent Anti-Stokes RamanScattering, CARS)现象，它是ー个四波混频过程，如图I所示。CARS显微镜通常采用的是窄带宽的皮秒激光器，这种显微镜只探測分子的一个振动摸。随着科学发展，人们需要在复杂环境中探测复杂的分子结构，飞秒CARS显微术应运而生。然而飞秒激光用于CARS显微 术会导致选择性差、背景噪音大等一系列问题。因此，利用CARS的相干特性提高信号的分辨率是把飞秒激光广泛应用于相应装置(如光谱装置和显微镜)中必须要解决的问题。飞秒CARS量子显微镜中的相干控制是利用液晶空间光调制器(SLM)对激光脉冲进行相位调制，进而利用Pump、Stokes、Probe光的相干提高CARS信号的信噪比。目前飞秒激光CARS显微镜中利用相干提高信号信噪比的常用方式有两种，第一种是采用简单的相位整形方式，通过计算机直接在液晶空间光调制器上施加对应的电压波形即可实现；第二种方式比较复杂，是利用闭环反馈控制来调节激光脉冲的相位。上述两种方式，第一种无法达到最好的信噪比效果，第二种虽然能达到比较好的信噪比效果，但是由于在反馈控制算法中需要设定判据判断CARS信号信噪比的优劣，并把采集到的CARS信号作为反馈控制手段，导致了算法比较复杂和费时，无法满足用CARS显微镜进行实时观测的要求。
发明内容
本发明的首要目的在于提供一种能够实现飞秒CARS量子显微镜信噪比的连续调节、速度快、具有较好信噪比效果的用于连续调节飞秒CARS量子显微镜信噪比的装置。为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案一种用于连续调节飞秒CARS量子显微镜信噪比的装置，包括Pump激光器、Stokes激光器和Probe激光器，三者通过脉冲同步控制器电连接，三者的激光发射端分别设置第二合束镜、第一合束镜、Probe脉冲相位调控装置，Probe脉冲相位调控装置采用Probe脉冲相位调控器，第一、ニ合束镜与其内放入待观测样品的CARS显微镜位于同一中心轴线上。本发明的另一目的在于提供一种用于连续调节飞秒CARS量子显微镜信噪比的方法，该方法包括下列顺序的步骤(I)在CARS显微镜中放入待观测样品，对待观测样品的振动频率为Qas的振动膜进行CARS成像；(2)分别调节Pump激光器、Stokes激光器、Probe激光器的中心频率Qp、Q s、^pr,使Qp+Qpi= Qs+Qas, Pump激光器、Stokes激光器、Probe激光器发射的脉冲通过脉冲同步控制器在时间上调节同步；
(3)设定待观测样品以及激光脉冲的參数，Probe脉冲相位调控装置输出相位整形后的Probe脉冲,整形后的Probe脉冲经过第一合束镜调节后和Stokes脉冲在空间上重合，随后再经过第二合束镜调节后和Pump脉冲在空间上重合，重合后的三束脉冲进入CARS显微镜中进行成像；(4)连续调节Probe脉冲相位调控器的噪音权重旋钮，观测CARS图像的变化，通过比较确定CARS显微镜的最佳信噪比。由上述技术方案可知，本发明通过旋转Probe脉冲相位调控器上的噪音权重旋钮实现不同非共振背景权重下Probe脉冲的最优相位整形，进而实现飞秒CARS量子显微镜在频率Qas处信噪比的连续调节。本发明无需用CARS信号来进行反馈控制，调节速度快。本发明可作为附加装置应用于飞秒CARS显微镜外部，进而实现显微镜信噪比的连续调节。
图I为CARS中共振信号及非共振背景噪音的产生过程示意图； 图2为本发明实施例一的结构示意图；图3为图2中Probe脉冲相位调控器的电路框图；图4为本发明实施例ニ的结构示意图；图5为图4中Probe脉冲相位调控器的电路框图；图6为不同相位整形方案下的共振信号和非共振背景；图7为选取不同k值的最优整形方案，m为从-I到3，间隔0. I取值，则k的取值为 IOm-O. I,对应 0 到 999. 9。
具体实施例方式以下对本发明的两个实施例分别进行说明。实施例一如图2所示，一种用于连续调节飞秒CARS量子显微镜信噪比的装置，包括Pump激光器I、Stokes激光器2和Probe激光器3，三者通过脉冲同步控制器4电连接，脉冲同步控制器4控制三者在时间上同步发出脉冲。三者的激光发射端分别设置第二合束镜13、第一合束镜12、Probe脉冲相位调控装置,Probe脉冲相位调控装置采用Probe脉冲相位调控器9,第一、ニ合束镜12、13与其内放入待观测样品的CARS显微镜14位于同一中心轴线上。本发明也可以采用一个或两个激光器，通过分束镜扩展为三束激光脉沖。如图2所示，所述的Probe脉冲相位调控装置由反射镜5、第一、ニ光栅6、11、第一、ニ凸透镜7、10、液晶空间光调制器8和Probe脉冲相位调控器9组成，反射镜5布置在Probe激光器3的激光发射端,反射镜5下方设置第一光栅6,第一光栅6向右依次布置第一凸透镜7、液晶空间光调制器8、第二凸透镜10和第二光栅11，第一光栅6、第一凸透镜7、液晶空间光调制器8、第二凸透镜10和第二光栅11位于同一中心轴线上，且它们之间的间距为第一凸透镜7焦距f，第一、ニ光栅6、11相同，第一、ニ凸透镜7、10相同，液晶空间光调制器8与Probe脉冲相位调控器9电连接,第二光栅11位于第一合束镜12的正下方，Probe脉冲相位调控器9上设置用于指定待观测样品、激光脉冲參数和噪音权重的旋钮。第一光栅6和第二光栅11是相同的，第一凸透镜7和第二凸透镜10是相同的，Probe脉冲经过第一光栅6后，由于色散，不同频率的光在角度上分开，第一、ニ凸透镜7、10相当于两个傅立叶转换器。经过第一凸透镜7后，脉冲从时域转换到频域。不同频率的光在液晶空间光调制器8上对应不同的位置，Probe脉冲相位调控器9通过对液晶空间光调制器8施加电压信号，改变不同频率光在液晶空间光调制器8中光路的光程，即可实现对不同频率光的相位调制。经过相位调制的脉冲经过第二凸透镜10后，重新转换到时域，并在第二光栅11的作用下在空间上进行合井，最终输出需要的相位整形后的飞秒Probe脉冲。如图2所示，所述的Probe脉冲相位调控器9由模拟电路，A/D转换器，中央处理器和D/A转换器组成,模拟电路的输出端与A/D转换器的输入端相连,A/D转换器的输出端与中央处理器的输入端相连，中央处理器的输出端与D/A转换器的输入端相连,D/A转换器的输出端与液晶空间光调制器8的输入端相连。在对实施例一进行调节时，首先，在CARS显微镜14中放入待观测样品，对待观测样品的振动频率为Q as的振动膜进行CARS成像；其次，分别调节Pump激光器I、Stokes激光器 2、Probe 激光器 3 的中心频率 Qp、Qs, 使 Qp+Q, Q s+Q as，Pump 激光器 l、Stokes 激光器2、Probe激光器3发射的脉冲通过脉冲同步控制器4在时间上调节同步；再次，设定待观测样品以及激光脉冲的參数，Probe脉冲相位调控装置输出相位整形后的Probe脉冲，整形后的Probe脉冲经过第一合束镜12调节后和Stokes脉冲在空间上重合，随后再经过第二合束镜13调节后和Pump脉冲在空间上重合，重合后的三束脉冲进入CARS显微镜14中进行成像；最后，连续调节Probe脉冲相位调控器9的噪音权重旋钮，观测CARS图像的变化，通过比较确定CARS显微镜14的最佳信噪比。设定待观测样品以及激光脉冲的參数是指，调节脉冲相位调控器上的各个旋钮指定观测样品的參数非共振背景相关因子、共振信号相关因子C、能级宽度因子r、初始的Yo(Y。可随意设定，用于得到最終的Y，进而得到最终优化的Probe脉冲相位cJV(gV-Q1J),以及激光脉冲的參数脉冲线宽參数Apr、脉冲中心频率Qpr，同时通过噪音权重旋钮指定一个初始的k值。在重合后的三束脉冲进入CARS显微镜14中进行成像后，连续调节Probe脉冲相位调控器9上的噪音权重旋钮，观测CARS图像的变化，通过比较确定CARS显微镜14的最佳信噪比及对应的k值。所述Probe脉冲相位调控器9上面的旋钮上标有刻度，可通过各个旋钮指定待观测样品、激光脉冲的參数以及噪音权重k，其中k值是变化的，xm、c、r对于特定样品则是固定值，Ytl为给定的ー个初始值，K、为激光脉冲參数，模拟电路通过这些输入量得到特定k值下的物理量Y，A/D转换器把模拟信号Y和其他參数(k、Xm、c、r、Y(l、Apr,
，转换为电子信号，中央处理器通过上述输入量和下面的函数得到最优Probe脉冲相位，最优相位为一系列(《pr，①卩)，为(^,- ,) = arctan(——ク".。 ) + 0，
F-ん(X”. .,( ) 7{{(0pr ~^nr) + 厂)其中，0为常数，D/A转换器随后把此相位的电子信号转换为模拟的电压信号，最后把此信号施加在液晶空间光调制器8上，最终达到调节Probe脉冲相位的目的。Probe脉冲相位调节器上的噪音权重旋钮可连续调节，施加在液晶空间光调制器8上的电压将产生相应k值下的最优Probe脉冲相位，观测到的样品的CARS图像在此k值下的信噪比是最好的。实施例ニ如图4所示，一种用于连续调节飞秒CARS量子显微镜信噪比的装置，包括Pump激光器I、Stokes激光器2和Probe激光器3，三者通过脉冲同步控制器4电连接，脉冲同步控制器4控制三者在时间上同步发出脉冲。三者的激光发射端分别设置第二合束镜13、第一合束镜12、Probe脉冲相位调控装置,Probe脉冲相位调控装置采用Probe脉冲相位调控器9,第一、ニ合束镜12、13与其内放入待观测样品的CARS显微镜14位于同一中心轴线上。本发明也可以采用一个或两个激光器，通过分束镜扩展为三束激光脉沖。如图4所示，所述的Probe脉冲相位调控装置由反射镜5、第一、ニ光栅6、11、第一、ニ凸透镜7、10、液晶空间光调制器8、Probe脉冲相位调控器9和计算机15组成，反射镜5布置在Probe激光器3的激光发射端,反射镜5下方设置第一光栅6,第一光栅6向右依次布置第一凸透镜7、液晶空间光调制器8、第二凸透镜10和第二光栅11，第一光栅6、第一 凸透镜7、液晶空间光调制器8、第二凸透镜10和第二光栅11位于同一中心轴线上，且它们之间的间距为第一凸透镜7焦距f，第一、ニ光栅6、11相同，第一、ニ凸透镜7、10相同，液晶空间光调制器8与Probe脉冲相位调控器9电连接，Probe脉冲相位调控器9与计算机15电连接，第二光栅11位于第一合束镜12的正下方，Probe脉冲相位调控器9上设置噪音权重旋钮。第一光栅6和第二光栅11是相同的，第一凸透镜7和第二凸透镜10是相同的，Probe脉冲经过第一光栅6后，由于色散，不同频率的光在角度上分开，第一、ニ凸透镜7、10相当于两个傅立叶转换器。经过第一凸透7后，脉冲从时域转换到频域。不同频率的光在液晶空间光调制器8上对应不同的位置，计算机15通过Probe脉冲相位调控器9对液晶空间光调制器8施加电压信号，改变不同频率光在液晶空间光调制器8中光路的光程，即可实现对不同频率光的相位调制。经过相位调制的脉冲经过第二凸透镜10后，重新转换到时域， 并在第二光栅11的作用下在空间上进行合井，最终输出需要的相位整形后的飞秒Probe脉冲。如图5所示，所述的Probe脉冲相位调控器9由A/D转换器和D/A转换器组成，A/D转换器的输出端与计算机15的输入端相连,计算机15的输出端与D/A转换器的输入端相连，D/A转换器的输出端与液晶空间光调制器8的输入端相连。在对实施例ニ进行调节时，首先，在CARS显微镜14中放入待观测样品，对待观测样品的振动频率为Q as的振动膜进行CARS成像；其次，分别调节Pump激光器I、Stokes激光器 2、Probe 激光器 3 的中心频率 Qp、Qs, 使 Qp+Q, Q s+Q as，Pump 激光器 l、Stokes激光器2、Probe激光器3发射的脉冲通过脉冲同步控制器4在时间上调节同步；再次，设定待观测样品以及激光脉冲的參数，Probe脉冲相位调控装置输出相位整形后的Probe脉冲，整形后的Probe脉冲经过第一合束镜12调节后和Stokes脉冲在空间上重合，随后再经过第二合束镜13调节后和Pump脉冲在空间上重合，重合后的三束脉冲进入CARS显微镜14中进行成像；最后，连续调节Probe脉冲相位调控器9的噪音权重旋钮，观测CARS图像的变化，通过比较确定CARS显微镜14的最佳信噪比。设定待观测样品以及激光脉冲的參数是指，调节Probe脉冲相位调控器9上的噪音权重旋钮，指定一个初始的k值,计算机15根据Probe脉冲相位调控器9传递的k值、指定的观测样品的參数非共振背景相关因子Xm、共振信号相关因子C、能级宽度因子r、初始的Y。(Ytl可随意设定，用于得到最終的Y，进而得到最终优化的Probe脉冲相位°pr(Wpr-Qpr) 以及指定的激光脉冲的參数脉冲线宽參数脉冲中心频率Qが得到最优的Probe脉冲相位。在重合后的三束脉冲进入CARS显微镜14中进行成像后，连续调节Probe脉冲相位调控器9上的噪音权重旋钮，观测CARS图像的变化，通过比较确定CARS显微镜14的最佳信噪比及对应的k值。所述Probe脉冲相位调控器9上面的噪音权重旋钮标有刻度，通过旋转旋钮指定k值(k是变化的)，A/D转换器把模拟信号k转换为电子信号传递给计算机15，在计算机15上通过软件方法得到此k值下的最优Probe脉冲相位，为
权利要求
1.一种用于连续调节飞秒CARS量子显微镜信噪比的装置，其特征在于包括Pump激光器、Stokes激光器和Probe激光器，三者通过脉冲同步控制器电连接，三者的激光发射端分别设置第二合束镜、第一合束镜、Probe脉冲相位调控装置，Probe脉冲相位调控装置采用Probe脉冲相位调控器，第一、二合束镜与其内放入待观测样品的CARS显微镜位于同一中心轴线上。
2.根据权利要求I所述的用于连续调节飞秒CARS量子显微镜信噪比的装置，其特征在于所述的Probe脉冲相位调控装置由反射镜、第一、二光栅、第一、二凸透镜、液晶空间光调制器和Probe脉冲相位调控器组成，反射镜布置在Probe激光器的激光发射端，反射镜下方设置第一光栅，第一光栅向右依次布置第一凸透镜、液晶空间光调制器、第二凸透镜和第二光栅，第一光栅、第一凸透镜、液晶空间光调制器、第二凸透镜和第二光栅位于同一中心轴线上，且它们之间的间距为第一凸透镜焦距f，第一、二光栅相同，第一、二凸透镜相同，液晶空间光调制器与Probe脉冲相位调控器电连接,第二光栅位于第一合束镜的正下方，Probe脉冲相位调控器上设置用于指定待观测样品、激光脉冲参数和噪音权重的旋钮。
3.根据权利要求I所述的用于连续调节飞秒CARS量子显微镜信噪比的装置，其特征在于所述的Probe脉冲相位调控装置由反射镜、第一、二光栅、第一、二凸透镜、液晶空间光调制器、Probe脉冲相位调控器和计算机组成，反射镜布置在Probe激光器的激光发射端，反射镜下方设置第一光栅，第一光栅向右依次布置第一凸透镜、液晶空间光调制器、第二凸透镜和第二光栅，第一光栅、第一凸透镜、液晶空间光调制器、第二凸透镜和第二光栅位于同一中心轴线上，且它们之间的间距为第一凸透镜焦距f，第一、二光栅相同，第一、二凸透镜相同，液晶空间光调制器与Probe脉冲相位调控器电连接，Probe脉冲相位调控器与计算机电连接，第二光栅位于第一合束镜的正下方，Probe脉冲相位调控器上设置噪音权重的旋钮。
4.根据权利要求2所述的用于连续调节飞秒CARS量子显微镜信噪比的装置，其特征在于所述的Probe脉冲相位调控器由模拟电路，A/D转换器，中央处理器和D/A转换器组成，模拟电路的输出端与A/D转换器的输入端相连,A/D转换器的输出端与中央处理器的输入端相连，中央处理器的输出端与D/A转换器的输入端相连,D/A转换器的输出端与液晶空间光调制器的输入端相连。
5.根据权利要求3所述的用于连续调节飞秒CARS量子显微镜信噪比的装置，其特征在于所述的Probe脉冲相位调控器由A/D转换器和D/A转换器组成，A/D转换器的输出端与计算机的输入端相连，计算机的输出端与D/A转换器的输入端相连，D/A转换器的输出端与液晶空间光调制器的输入端相连。
6.根据权利要求I所述的用于连续调节飞秒CARS量子显微镜信噪比的装置的调节方法，该方法包括下列顺序的步骤 (1)在CARS显微镜中放入待观测样品，对待观测样品的振动频率为Qas的振动膜进行CARS成像； (2)分别调节Pump激光器、Stokes激光器、Probe激光器的中心频率Ωρ、Ω3>使Qp+Qpr=Qs+Qas, Pump激光器、Stokes激光器、Probe激光器发射的脉冲通过脉冲同步控制器在时间上调节同步； (3)设定待观测样品以及激光脉冲的参数，Probe脉冲相位调控装置输出相位整形后的Probe脉冲,整形后的Probe脉冲经过第一合束镜调节后和Stokes脉冲在空间上重合,随后再经过第二合束镜调节后和Pump脉冲在空间上重合，重合后的三束脉冲进入CARS显微镜中进行成像； (4)连续调节PiObe脉冲相位调控器的噪音权重旋钮，观测CARS图像的变化，通过比较确定CARS显微镜的最佳信噪比。
7.根据权利要求6所述的用于连续调节飞秒CARS量子显微镜信噪比的装置的调节方法，其特征在于设定待观测样品以及激光脉冲的参数是指，调节脉冲相位调控器上的各个旋钮指定观测样品的参数非共振背景相关因子Xm、共振信号相关因子C、能级宽度因子Γ、初始的Ytl以及激光脉冲的参数脉冲线宽参数Λρρ脉冲中心频率Ω#，同时通过噪音权重旋钮指定一个初始的k值。
8.根据权利要求6所述的用于连续调节飞秒CARS量子显微镜信噪比的装置的调节方法，其特征在于设定待观测样品以及激光脉冲的参数是指，调节Probe脉冲相位调控器上的噪音权重旋钮，指定一个初始的k值,计算机根据Probe脉冲相位调控器传递的k值、指定的观测样品的参数非共振背景相关因子Xm、共振信号相关因子C、能级宽度因子Γ、初始的Y O，以及指定的激光脉冲的参数脉冲线宽参数△吣脉冲中心频率Ω…计算得到最优的Probe脉冲相位。
9.根据权利要求7或8所述的用于连续调节飞秒CARS量子显微镜信噪比的装置的调节方法，其特征在于在重合后的三束脉冲进入CARS显微镜中进行成像后，连续调节Probe脉冲相位调控器上的噪音权重旋钮，观测CARS图像的变化，通过比较确定CARS显微镜的最佳信噪比及对应的k值。
10.根据权利要求8所述的用于连续调节飞秒CARS量子显微镜信噪比的装置的调节方法，其特征在于所述计算机根据Probe脉冲相位调控器上指定的k值计算对应的最优整形相位，进而施加对应的电压信号在液晶空间光调制器上，其计算方法如下 给定一个初始的Y (记为Y。)，
全文摘要
本发明涉及一种用于连续调节飞秒CARS量子显微镜信噪比的装置，包括Pump激光器、Stokes激光器和Probe激光器，三者通过脉冲同步控制器电连接，三者的激光发射端分别设置第二合束镜、第一合束镜、Probe脉冲相位调控装置，Probe脉冲相位调控装置采用Probe脉冲相位调控器，第一、二合束镜与其内放入待观测样品的CARS显微镜位于同一中心轴线上。本发明还公开了一种用于连续调节飞秒CARS量子显微镜信噪比的方法。本发明通过旋转Probe脉冲相位调控器上的噪音权重旋钮实现不同非共振背景权重下Probe脉冲的最优相位整形，进而实现飞秒CARS量子显微镜在频率Ωas处信噪比的连续调节。本发明无需用CARS信号来进行反馈控制，调节速度快。
文档编号G02B27/09GK102759838SQ20121024801
公开日2012年10月31日 申请日期2012年7月17日 优先权日2012年7月17日
发明者双丰, 宋全军, 曹会彬, 李阳铭, 王耀雄, 葛运建, 高放, 高理富 申请人:中国科学院合肥物质科学研究院