[发明专利]一种基于高重频飞秒激光的时间分辨宽谱CARS光谱成像装置

说明书

本发明公开了一种基于高重频飞秒激光的时间分辨宽谱CARS光谱成像装置，包括高重频飞秒激光器、双脉冲激光产生模块和光谱成像平台；高重频飞秒激光器，用于产生高重复频率的基频光，输入到双脉冲激光产生模块中；双脉冲激光产生模块，用于产生适用于时间分辨CARS成像技术的同轴传输的基频光和移频光；光谱成像平台用于对待测样品实现扫描式拉曼光谱成像。本发明采用宽谱的飞秒激光同时作为泵浦光和斯托克斯光，一次性可以建立多个能级间的相干性，从而可以同时实现对多种分子的超光谱成像；将由泵浦光和斯托克斯光共同实现的相干激发过程和探测光激发过程在时间上分开，并采用窄谱光作为泵浦光，从而有效地抑制了非共振背景，大大提升了探测灵敏度。

技术领域

本发明属于光学成像技术领域，更具体地，涉及一种基于高重频飞秒激光的时间分辨宽谱CARS光谱成像装置。

背景技术

光学成像技术在材料科学、生物医学等领域有着广泛的应用。目前，传统的光学成像技术仍存在着诸多问题。例如，一般的光学成像缺乏化学特异性，无法对样品中某种特定分子的空间分布进行成像，这种化学信息的缺失将在很大程度上限制成像技术的应用；荧光标记成像虽然具有化学特异性，但需要对特定分子进行标记，即需要对样品进行复杂的预处理，这不仅费时费力，还有可能改变样品的特性，而且，对于大部分分子目前还缺少标记的方法；拉曼光谱成像可以实现无标记的分子成像，但受限于拉曼散射的极低效率，需要足够长的积分时间才能采集到信噪比足够高的信号，这大大限制了成像速度；CARS(CoherentAnti-StokesRamanScattering，相干反斯托克斯拉曼散射)成像技术采用两束光(泵浦光和斯托克斯光)先建立两分子能级间的相干性，再由第三束光(探测光)激发出具有特征光谱特性的信号光(反斯托克斯光)，这种方法能大大提高拉曼散射的效率，却会产生平坦而宽阔的非共振背景光谱，有时甚至会淹没CARS光谱峰，影响成像质量，此外，传统的CARS成像装置一般采用两束波长不同的窄谱皮秒激光，一束光同时充当泵浦光和探测光，另一束光充当斯托克斯光，每次只能激发一种分子，产生单一波长的反斯托克斯光，因而无法同时看到多种分子的分布。

解决上述问题的方法之一是采用时间分辨宽谱CARS成像技术。该技术使用宽谱飞秒激光作泵浦光，相对于泵浦光有一定时延和频差的窄谱宽皮秒作探测光，结合频率分辨的探测技术和扫描成像技术，可以实现快速的、无非共振背景的相干拉曼光谱成像。在这项技术中，由于采用的是超宽谱短脉冲激光，在单发脉冲内便可同时建立大量分子振转能级间的相干性，因而可以同时充当多种分子的泵浦光和斯托克斯光，不需要进行频率扫描便可激发多种分子的特征能级，这大大提高了采集到的数据量，从而实现所谓的“超光谱成像”；同时，采用窄谱谱宽脉冲激光，可以使得拉曼散射光的频率峰更高且更窄，非共振背景光谱更为平坦，从而抑制非共振背景；此外，由于CARS信号的产生比非共振背景的产生更慢，因此使用延迟于泵浦激光脉冲的探测激光脉冲可以进一步消除非共振背景。

但传统的时间分辨宽谱CARS装置对光源要求较高，一般需要用到复杂的啁啾脉冲放大器(CPA)和光参量放大器(OPA)，这种光源一般重复频率较低，这会大大影响成像速度，且结构复杂，成本非常高，不易维护。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种基于高重频飞秒激光的时间分辨宽谱CARS光谱成像装置，旨在解决传统CARS光谱成像技术难以在保持系统结构简单、成本较低的同时，实现单次探测多种分子，且有效抑制非共振背景的问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种基于高重频飞秒激光的时间分辨宽谱CARS光谱成像装置，包括高重频飞秒激光器、双脉冲激光产生模块和光谱成像平台；

高重频飞秒激光器用于产生高重复频率的基频飞秒激光，输入双脉冲激光产生模块，用于产生高重复频率的基频光，输入到双脉冲激光产生模块中；

双脉冲激光产生模块，用于产生适用于时间分辨CARS成像技术的同轴传输的基频光和移频光，基频光和移频光分别用于泵浦和探测；