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利用自同步双色光纤激光器实现高对比度、快速相干拉曼散射化学成像
摘要： 相干拉曼散射（CRS）显微镜因其具有化学特异性无标记对比度、高空间与光谱分辨率以及高灵敏度，被公认为解决生物医学问题的有力工具。然而，传统固态激光器存在环境敏感性强、体积庞大的缺陷，长期阻碍着CRS成像技术的临床转化。超快光纤激光器有望克服这些缺点，但由于既往实现方案存在高强度噪声、调谐范围窄和功率低等问题，导致图像质量差且成像速度慢，该技术尚未在CRS成像中得到充分应用。本研究展示了一种新型高功率自同步双色脉冲光纤激光器，在较宽波数范围（2700-3550 cm?1）内实现了卓越性能：强度稳定性提升50 dB、时间抖动仅24.3飞秒、平均功率波动小于0.5%、调制深度超过20 dB、脉宽变化小于1.8%。该激光源的多功能性首次实现了无需平衡探测方案等复杂降噪技术的高对比度快速CRS成像。本工作通过成像多种样本（如活体人类细胞和小鼠动脉组织），并利用二次谐波产生与双光子激发荧光对小鼠尾、肾和脑组织切片进行多模态非线性成像（同时提供多重光学对比机制，最大化生物可视化与医学诊断的信息获取量），验证了这些性能优势。本研究还建立了将现有激光器改造为同步双色激光器的通用方案，从而推动CRS成像技术的更广泛应用。
关键词： 相干拉曼散射、CRS显微镜技术、生物医学成像、光纤激光器、非线性光学成像
更新于2025-09-23 15:21:01
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[2019年欧洲激光与电光会议暨欧洲量子电子学会议（CLEO/Europe-EQEC）- 德国慕尼黑（2019.6.23-2019.6.27）] 2019年欧洲激光与电光会议暨欧洲量子电子学会议（CLEO/Europe-EQEC）- 干涉傅里叶变换受激拉曼散射
摘要： 相干拉曼散射（CRS）是一种强大的无标记光谱技术，能够基于分子固有振动响应进行分子指纹识别。这些振动跃迁可用洛伦兹函数描述，其叠加会产生复杂的三阶共振非线性极化率。直接实验获取该参数将提供极为丰富的光谱信息，尤其在分子混合物体系中。传统CRS技术无法完整提取该信息：受激拉曼散射（SRS）仅测量非线性极化率的虚部，而相干反斯托克斯拉曼散射（CARS）获取的是实部与虚部的混合信号（因其信号正比于非线性极化率的平方加上一个实数、频率无关的非共振项）。理论上可通过以下方法获取完整极化率：(1)解析法（但需已知非线性极化率全谱，通常难以获得）；(2)干涉式SRS（利用脉冲整形器产生宽带斯托克斯脉冲双副本，但光谱仪的使用限制了泵浦光调制频率从而影响检测灵敏度）；(3)干涉式CARS（采用与反斯托克斯光同频共线的本地振荡光场，但需三束同步相位相干光的技术难度极高）。我们近期开发了基于傅里叶变换（FT）光谱的新技术，可在时域同时检测斯托克斯与SRS宽带光谱——该技术采用基于无源双折射延迟线的干涉仪配合单通道锁相放大器。本文提出名为干涉式FT-SRS（IFT-SRS）的简易改进方案，可完整获取样品的非线性极化率复数形式。该方法通过在样品前设置双折射板产生超前数皮秒（避免非线性相互作用）且与泵浦/斯托克斯光正交偏振的参考本地振荡光束，再利用由两片光学轴旋转90°的双折射楔形板构成的延迟线调节泵浦光与本地振荡光的总延迟量（0至数皮秒）。经线性偏振片投影至共同偏振方向后，光电探测器接收的干涉信号被送入锁相放大器记录线性和差分干涉图，其傅里叶变换可同步获得非线性极化率的实部与虚部（乙醇、丙酮和异丙醇溶剂的验证显示：FT实部呈现与溶剂自发拉曼光谱高度吻合的清晰谱线，虚部则呈现预期的色散线型）。
关键词： 受激拉曼散射、傅里叶变换光谱、相干拉曼散射、非线性极化率
更新于2025-09-11 14:15:04