一种双光频梳光谱聚焦相干反斯托克斯拉曼光谱探测系统的制作方法

本发明属于相干反斯托克斯拉曼光谱探测技术领域，特别一种通过双光频梳光学互扫描、脉冲啁啾调控的光谱聚焦相干反斯托克斯拉曼光谱探测系统。。

背景技术

相干反斯托克斯拉曼光谱(cars：coherentanti-stokesramanscattering)探测技术利用三阶非线性效应，能实现比传统自发拉曼过程更高的探测灵敏度；同时，cars技术获得被测对象分子固有的振转能级对应的光谱信号，无需引入标记信号即可实现高特异性探测。cars的上述特征，为物理化学、生命科学等领域的无标记成像探索提供了全新的手段。随着现代生命科学在分子水平上对复杂系统的探测发展，不仅需要有足够的光谱宽度来提供充分的分子化学信息，还需要有足够快的探测速度来支撑对生化动力学过程的实时分析。窄带cars在成像速度上可以满足要求，但是光谱信息匮乏，仅能用于单一成分分析；而宽带cars技术还多处于几个毫秒每像素的采集速度。因此，如何提高宽带cars的成像速度，实现实时的光谱图像采集是相干拉曼显微成像领域面临的主要问题之一。

在现有的宽带cars实现技术中，为了保持光谱本身的分辨能力，不论是傅里叶变换cars技术、单脉冲相干控制cars技术、波长调谐cars技术还是光谱聚焦cars技术，均需要利用外在的机械位移实现脉冲相位或者频率调制。从本质上来讲，对机械移动的依赖性几乎是目前整个宽带cars技术实现高速显微成像的瓶颈问题所在，大大限制了整个相干拉曼显微成像技术在分子水平上对复杂生物系统及其动力学过程的探测。

特别的，光谱聚焦cars技术通过脉冲相位调控，使得飞秒脉冲中不同频率成分在时间上线性排列，实现两脉冲以一定时间延迟重合时，仅有一个分子振动能级被激发，即相当于将所有能量都利用到单一能级的激发，具有非常优良的能量利用效率，有利于实现高灵敏度探测。但现有光谱聚焦cars技术中，脉冲间的相对时延扫描(等效为不同拉曼峰的探测)仍依赖于机械位移平台的扫描，探测速度慢，不能有效发挥光谱聚焦探测潜力。

技术实现要素：

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种双光频梳光谱聚焦相干反斯托克斯拉曼光谱探测系统，基于双光频梳光学互扫描，从而无需机械扫描，其探测光谱宽，探测速度高。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种双光频梳光谱聚焦相干反斯托克斯拉曼光谱探测系统，其特征在于，包括：

双光梳光源模块1，包括重复频率差有微小差异的第一光频梳光源1-1和第二光频梳光源1-2，其第一光频梳光源1-1的输出光作为探测过程的泵浦光和探测光；

斯托克斯光生成模块5，以第二光频梳光源1-2的输出光为输入光，利用光纤非线性效应实现光频偏移，获得斯托克斯光；

显微聚焦与样品扫描模块9，接收合束的泵浦光和斯托克斯光的聚焦及反斯托克斯光收集、样品三维扫描，获得相干反斯托克斯拉曼光谱信号；

相干反斯托克斯信号探测模块11，探测所述相干反斯托克斯拉曼光谱信号；

采样触发模块12，用于定位泵浦光于斯托克斯光重叠区域，实现脉冲定位触发光谱采集；

采集模块13，采集获得相干反斯托克斯拉曼光谱信号的原始光谱数据；

分析处理模块14，对所述原始光谱数据处理，进行光谱复原。

所述双光梳光源模块1的中心波长均在近红外，其第一光频梳光源1-1与第二光频梳光源1-2的重复频率fr具有微小差异，即fr1＝fr2+δfr，其中fr1为第一光频梳光源1-1的频率，fr2为第二光频梳光源1-2的频率，δfr表示两光源的重复频率差，其取值远小于重复频率fr。

所述第一光频梳光源1-1的输出光依次经第一半波片2-1和第一偏振分光棱镜3-1，透射部分即p偏光经第一色散调节元件4-1引入线性啁啾并用第一滤光片6-1滤取所需频率范围的啁啾脉冲，所述斯托克斯光生成模块5的输出光经反射镜7-1反射和第二色散调节元件4-2引入线性啁啾，两路引入线性啁啾的光脉冲由双色镜8合束，然后耦合进显微聚焦与样品扫描模9；

所述第二光频梳光源1-2的输出光依次经第二半波片2-2和第二偏振分光棱镜3-2，透射部分即p偏光经第三半波片2-3后输入至第一耦合镜5-1；通过第二半波片2-2、第二偏振分光棱镜3-2、第三半波片2-3以及第三滤光片5-4调节斯托克斯光生成模块5的输出功率和输出波数范围。

所述采样触发模块12包括依次设置的第一透镜12-1、非线性晶体12-2、第二透镜12-3、第四滤光片12-4和光电探测器12-5，利用二类相位匹配的二次谐波生成方法获得触发脉冲，其过程为：第一光频梳光源1-1的输出光被第一偏振分光棱镜3-1反射的部分即s偏光进入第一透镜12-1；第二光频梳光源1-2的输出光被第二偏振分光棱镜3-2反射的部分即s偏光，经第四半波片2-4调整成p偏光，再经第一偏振分光棱镜3-1透射进入第一透镜12-1，经第一透镜12-1会聚入射到非线性晶体12-2形成二次谐波，再经第二透镜12-3会聚和第四滤光片12-4滤取后，由光电探测器12-5获得强度信号用于采集触发。

所述斯托克斯光生成模块5包括依次设置的第一耦合镜5-1、非线性光纤5-2、第二耦合镜5-3以及第三滤光片5-4，其输出波数范围与第一光频梳光源1-1的输出波数范围的差值匹配待测样品拉曼信号波数，即波数差值与待测样品拉曼峰波数位置基本一致。

所述非线性光纤5-2为光子晶体光纤或高折射率非线性光纤，所述相干反斯托克斯拉曼光谱信号经反射镜7-2反射、第二滤光片6-2滤光、透镜10汇聚后，由相干反斯托克斯信号探测模块11探测，所述相干反斯托克斯信号探测模块11为高灵敏度光电探测器。

所述第一色散调节元件4-1和经第二色散调节元件4-2使得两路光脉冲具有相同的啁啾系数α，光脉冲由飞秒延展成皮秒。

所述两路引入线性啁啾的光脉冲存在重复频率差δfr，使脉冲对以相对延迟为间隔进行互扫描，具有无移动部件光学快速自扫描特性，且一个扫描周期的时间为t＝1/δfr，在一个给定的相对延迟时刻，所有能量都聚焦到一个拉曼能级上进行激发探测，获得对应拉曼频移的光谱点信息，不同相对延迟对应不同的拉曼频移光谱点，且有效光谱探测间隔△ω由延迟间隔△τ决定，有关系式

所述对所述原始光谱数据处理的过程包括：a)基于低通滤波的包络提取；b)基于最大期望法的共振信号相位提取和基线校正以及c)强度校正，得到和自发拉曼光谱相对应的cars拉曼光谱。

通过对装载待测样品的显微聚焦与样品扫描模块9载物台的三维扫描，获得样品三维空间上的拉曼光谱信息，实现具有光谱-空间四维成像。

本发明的调控指的是强度和偏振调控。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1.通过双光频梳光源间重复频率差的灵活控制，可以便捷地实现皮秒脉冲对之间相对延迟步长的调控和快捷的光脉冲光学互扫描，避免了额外的慢速机械扫描台及其控制系统，具备实现快速动态光谱探测能力。

2.采用高重频双光梳光源、非线性器件拓谱以及色散调节元件的啁啾调节，可以同时实现cars光谱的高分辨率和宽光谱覆盖探测。

附图说明

图1是本发明双光频梳相干反斯托克斯光谱探测原理示意图。

图2是本发明双光频梳相干反斯托克斯拉曼光谱探测系统框图。

图3是本发明探测相干反斯托克斯光谱复原流程示意图。

图4是本发明双光频梳相干反斯托克斯光谱显微成像结果示图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例详细说明本发明的实施方式。

本发明利用双光频梳光源，以一种巧妙的方法为光谱聚焦cars光谱探测技术提供了全新的快速脉冲时域相对延迟扫描解决方案。图1从原理上展示了本发明的实现过程：源自双光频梳光源的两列脉冲，一列作为泵浦光，重频为fr，另一列作为斯托克斯光，重频为fr+δfr。因为两列脉冲的重复频率差存在一个微小的差异δfr，两列脉冲间以相对时延间隔δfr/fr²逐渐错开，如图1b所示。在此过程中，如果泵浦光和斯托克斯光均为变换极限的飞秒脉冲，则cars过程将同时激发大量的拉曼能级难以直接区分；若通过色散控制，将变换极限脉冲变成啁啾脉冲且两者具有相同的啁啾系数α，则在一个给定的时刻，泵浦光和斯托克斯光聚焦到一个拉曼能级ω上，如图1a所示。随着两列脉冲间延迟的变化，对应拉曼能级值发生变化，如图所示从ω1扫描到ω2；采集时采用与泵浦光同步采集方式，则可以得到如图1c所示的拉曼频移与时间成映射关系的宽带拉曼光谱数据。

图2给出了基于上述原理的双光频梳相干反斯托克斯拉曼光谱探测系统实施例，包括：用于产生两个重复频率差有微小差异的输出的双光梳光源模块1；用于斯托克斯光产生的斯托克斯光生成模块5；用于泵浦光和斯托克斯光聚焦及反斯托克斯光收集、样品三维扫描的显微聚焦与样品扫描模块9；用于定位泵浦光于斯托克斯光重叠区域的采样触发模块12；以及相干反斯托克斯信号探测模块11、采集13和分析处理模块14；此外还包括光功率、光脉冲调节等所需的光学部件。

具体地，双光梳光源模块1的中心波长均在近红外，且其第一光频梳光源1-1与第二光频梳光源1-2的重复频率fr具有微小差异，即fr1＝fr2+δfr，其中fr1为第一光频梳光源1-1的频率，fr2为第二光频梳光源1-2的频率，δfr表示两光源的重复频率差，其取值远小于重复频率fr。

第一光频梳光源1-1的输出光作为探测过程的泵浦光和探测光，该输出光依次经第一半波片2-1和第一偏振分光棱镜3-1，透射部分即p偏光经第一色散调节元件4-1引入线性啁啾，斯托克斯光生成模块5的输出光经第二色散调节元件4-2引入线性啁啾，两路引入线性啁啾的光脉冲由双色镜8合束，然后耦合进显微聚焦与样品扫描模9。其中第一色散调节元件4-1和经第二色散调节元件4-2使得两路光脉冲具有相同的啁啾系数α，光脉冲由飞秒延展成皮秒。

第二光频梳光源1-2的输出光依次经第二半波片2-2和第二偏振分光棱镜3-2，完全通过的部分即p偏光经第三半波片2-3后输入至第一耦合镜5-1，通过第二半波片2-2、第二偏振分光棱镜3-2、第三半波片2-3以及第三滤光片5-4调节斯托克斯光生成模块5的输出功率和输出波数范围。

在本实施例中所采用的第一光频梳光源1-1和第二光频梳光源1-2均为掺镱光纤激光器。通过压电陶瓷控制腔长来将激光器的重复频率锁定到铷原子钟上，实现重频的精确控制。上述光源的重复频率均为100mhz，重频可调谐范围为±50khz。光源输出脉冲中心波长约为1060nm，带宽约为50nm，脉冲宽度约为60fs，脉冲能量约为20nj。

斯托克斯光生成模块5包括依次设置的第一耦合镜5-1、非线性光纤5-2、第二耦合镜5-3以及第三滤光片5-4，其输出波数范围与第一光频梳光源1-1的输出波数范围的差值匹配待测样品目标拉曼信号波数，即波数差值与待测样品拉曼峰波数位置基本一致。非线性光纤5-2为光子晶体光纤或高折射率非线性光纤，相干反斯托克斯拉曼光谱信号经滤光片6-2滤取后，由相干反斯托克斯信号探测模块11探测，相干反斯托克斯信号探测模块11为高灵敏度光电探测器。

采样触发模块12包括依次设置的第一透镜12-1、非线性晶体12-2、第二透镜12-3、第四滤光片12-4和光电探测器12-5，利用二类相位匹配的二次谐波生成方法获得触发脉冲，其过程为：第一光频梳光源1-1的输出光被第一偏振分光棱镜3-1反射的部分即s偏光进入第一透镜12-1，第二光频梳光源1-2的输出光被第二偏振分光棱镜3-2反射的部分即s偏光，经第四半波片2-4调整成p偏光，再经第一偏振分光棱镜3-1透射进入第一透镜12-1，经第一透镜12-1会聚入射到非线性晶体12-2形成二次谐波，再经第二透镜12-3会聚和第四滤光片12-4滤取后，由光电探测器12-5获得强度信号用于采集触发。

本实施例面向富含化学信息的拉曼指纹区800-1800cm^-1进行探测。实施中，通过斯托克斯光生成模块5内的非线性光纤将第二光频梳光源1-2的波长频移到1260nm附近，对应输出脉冲宽度约为80fs。斯托克斯光的输出功率和中心频率可以通过改变入射到非线性光纤的功率及偏振方向控制，即通过第二半波片2-2、第二偏振分光棱镜3-2、第三半波片2-3这一功率与偏振调整组合来实现。本实施例中，中心波长在1180nm到1300nm之间可以进行调节。

上述第一光频梳光源1-1和斯托克斯光生成模块5输出的脉冲均为飞秒脉冲，需要色散调节元件4-1,4-2引入线性啁啾，将飞秒脉冲延展成皮秒脉冲。在本实施例中，选用高折射率玻璃sf57引入二次相位，引入总的二次相位为52000fs²，对应啁啾系数α为3.03×10^-6fs^-2；引入啁啾后，两脉冲均变成皮秒脉冲约2～4皮秒。实际应用中，可以选配不同长度的sf57玻璃，实现不同啁啾系数的调整目标。

上述两路源自于两个光学频率梳光源的啁啾脉冲经显微聚焦到待测样品上，生成的反斯托克斯光经收集、滤波、高灵敏度光电探测器11探测获得样品的cars信号。本实施例中，双光梳光源之间的重复频率差可以在光源重频可调谐范围内进行调节。以重复频率差取为1200hz为例，则每秒钟可采集cars光谱1200幅；测量时脉冲相对扫描步长为120fs，有效光谱探测间隔约为12cm^-1。若实施例中光学频率梳的重频换为1ghz，有以下特征：

1、保持重复频率差与现实施例一致，则每秒钟可采集cars光谱数不变，但测量时脉冲相对扫描步长减小为1.20fs，有效光谱探测间隔约为0.12cm^-1，分辨率大大提高。

2、保持有效光谱探间隔不变，则重复频率差可取为120khz，每秒可获得cars光谱数达到120000幅，光谱探测速度大大提升。由此不难发现，高重频光频梳光源对于本发明性能的提升具有非常大的意义。

在本实施例中，光源重频为100mhz，对应脉冲间隔约为10ns,而啁啾脉冲宽度仅为几皮秒，在整个10ns跨度的双光梳互扫描过程中，仅有不到10皮秒的区域是脉冲有交叠的，有效脉冲交叠时间有限。为此，本实施例中，使用二次谐波生成的方法获得有效触发信号，使得系统仅在两路脉冲重合阶段开始采集。触发信号的产生过程为：双光梳光源模块输出的光脉冲经半波片2-1,2-2,2-4和pbs3-1，3-2调控合束后入射采样触发模块12，经模块内第一透镜12-1会聚入射到非线性晶体12-2，此处使用的是偏硼酸钡晶体。由于从两台光频梳出射的脉冲偏振态是相互垂直的，满足第二类相位匹配条件，可以产生二次谐波信号：

i2ω(τ)∝∫iω,comb1(t)iω,comb2(t+τ)dt

其中，iω,comb1和iω,comb2分别是光学频率梳11-1和光学频率梳21-2聚焦到bbo上的能量，i2ω是产生的二次谐波的信号强度，τ是两路脉冲之间的相对时延。当两路脉冲在时域上完全重合时，二次谐波信号具有最大的信号强度，其强度变化周期由两台光频梳的重复频率差决定。二次谐波信号的最大值代表了两路脉冲之间的零时延位置，作为cars光谱采集的触发信号，实现零延迟两侧一个设定时间窗内的光谱信号采集，大大降低无效数据的采集量，有利于实际cars光谱数据的数据实时处理与显示。

本实施例中，经触发高速采集获得的原始光谱数据通过数据处理过程进行光谱复原。数据处理的基本流程如图3所示：1采用低通滤波的包络提取方法，去除原始cars信号上叠加的激光器重复频率的载波信号；2采用基于最大期望法的共振信号相位提取和基线校正减小非共振背景及基线便宜的影响；3在上述基础上，根据光谱聚焦cars不同重合度下有效调制强度关系这种强度调制一般是稳定的，完成对探测光谱的强度校正。经上述处理后，可以得到和自发拉曼光谱相对应的cars拉曼光谱。

图4给出了本实施例实现光谱-空间四维成像的实验结果。实施例采用视黄酸与β-胡萝卜素的混合样品作为探测对象。在图4a中，分别以1560cm^-1以及1520cm^-1作为视黄酸与β-胡萝卜素的成像衬度，获得两种分子的三维成像图(其中灰白色的为视黄酸，灰黑色的为β-胡萝卜素)；整个成像范围为100μm×100μm×22μm，像素点大小1μm×1μm×1μm，单像素的测量时间0.5μs，刷新率1200hz。从三维图中可以取出任意一个截面，得到两种分子的二维分布，如图4b所示，这可以用于更加全面地分析物质的空间结构。此外，三维宽带cars光谱成像意味着从三维图像中的任意一个像素点都可以得到一条完整的拉曼光谱，如图4c所示，因此整个显微图像蕴含着丰富的光谱信息，可以用于实现对复杂系统本身的多种定性以及定量分析，这是窄带cars或者srs显微成像所不具有的。

上述实施例仅用于说明本发明，其中双光梳光源的中心波长、光谱带宽，产生的斯托克斯光的中心波长、光谱带宽，啁啾脉冲宽度，以及光谱信号的探测与数据处理流程都可以根据探测需求，在本发明技术方案的基础上进行等同配置、变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。