[发明专利]定域快速延时扫描的双光梳相干反斯托克斯拉曼光谱探测系统

说明书

一种定域快速延时扫描的双光梳相干反斯托克斯拉曼光谱探测系统，利用包括两个锁模激光器的重频调制双光梳光源模块为后续测量提供定域快速延时扫描的双光梳光源，利用脉冲预处理模块对两个锁模激光器发出的光频梳信号进行功率放大、拓谱和色散补偿，获得变换极限飞秒脉冲，利用相对延时探测模块引入可控脉冲延时，经异步光学采样干涉信号探测和处理实现延时扫描的定域识别，并生成其中一个锁模激光器的重频调制信号，可配合实现高速高分辨傅里叶变换CARS光谱探测。本发明无需机械扫描即可实现宽带CARS光谱探测，比普通双光梳CARS技术具有更高的光谱探测速率，可显著提升宽带CARS光谱技术在高动态、多组分探测分析应用的能力。

技术领域

本发明属于高速宽带相干反斯托克斯拉曼(CARS)光谱测量技术领域，特 别涉及一种定域快速延时扫描的双光梳相干反斯托克斯拉曼光谱探测系统。

背景技术

无标记、具有分子特异性的CARS显微成像可以有效地分辨生物组织分子 的化学键，如脂质中的C-H键，且具有亚微米量级的空间分辨率，在细胞新陈 代谢研究、癌细胞检测、髓鞘相关的疾病检测、体内药物追踪等生物医学方面 有大量应用。高速宽带CARS光谱成像探测是当前CARS技术发展的一个重要 方向，目前已经发展出一系列宽带CARS光谱技术，其中，基于傅里叶变换的 双光梳CARS光谱测量技术提供了快速宽带CARS测量的可能。该方法采用两 个变换极限的飞秒脉冲实现激发和探测，通过双光梳延时扫描和傅里叶变换获 得宽带拉曼光谱，可有效抑制非共振背景并能通过调节光程差灵活改变分辨率。

这种双光梳CARS光谱测量方法充分了利用双光梳方法的自动、快速、稳 定的延时扫描特性，提供了快速宽带CARS测量的可能。但是，这种方法具有 低占空比问题，有效延时扫描占总延时扫描的比例非常低(～0.1％)，这导致了 刷新率低及激光能量的浪费。提高光频梳的重频可以在一定程度上提高占空比。 然而，这种方法带来的占空比提升十分有限，即使采用重频高达1GHz的光频 梳，占空比也仅能达到1％；而且，高重频的双光梳探测还要求探测器具有高的 响应速度。此外，由于三阶非线性过程得到的CARS信号强度与激光脉冲峰值 功率的三次方成正比，而光频梳重频提高会导致单脉冲能量降低，进而导致信号强度和信噪比的下降，不利于高探测灵敏度的实现。

造成双光梳CARS测量占空比和测量速度低的根源在于光谱测量中无效的 延时扫描区域过大。双光梳的自动延时扫描源于两光频梳具有一定的重频差， 如果通过主动调制重频差尽可能地避免测量中无效的延时扫描，将可以在根源 上解决双光梳CARS测量中低占空比和低测量速度的问题。也就是说，通过主 动控制其中一个光频梳光源的腔长来控制其重频，进而控制两光频梳的重频差， 可以避免两脉冲相距过远的过程，从而大幅度地提高占空比和刷新率。尽管此 方法理论上可以提供较高的占空比，但压电机械调制腔长的方法的调制速度有 限，仍然限制了占空比和刷新率的进一步提升。因此，使用一种更加高效、快 速的无机械移动部件控制的重频调制方案对于实现快速、高信噪比的宽带CARS 显微成像具有十分重要的意义。

发明内容

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定域快速延时 扫描的双光梳相干反斯托克斯拉曼光谱探测系统，具有高占空比、高刷新率、 高信噪比的特点。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种定域快速延时扫描的双光梳相干反斯托克斯拉曼光谱探测系统，包括：

重频调制双光梳光源模块1，为后续相干反斯托克斯拉曼测量提供定域快速 延时扫描的双光梳光源，包括第一锁模激光器1-3、第二锁模激光器以及溯源至 原子钟的信号发生器1-1，其中第二锁模激光器包含电光调制器1-5，电光调制 器1-5受重频调制信号驱动快速调节第二锁模激光器重复频率，实现双光梳光源 间重频差的可控快速调节；

脉冲预处理模块2，对第一锁模激光器1-3和第二锁模激光器发出的光频梳 信号进行功率放大、拓谱和色散补偿，获得变换极限飞秒脉冲，为后续相对延 时探测模块4和相干反斯托克斯拉曼探测模块5提供合适的输入信号；