三光束自同步高速扫频光纤激光拉曼扫描成像系统及方法技术方案

本发明专利技术公开的三光束自同步高速扫频光纤激光拉曼扫描成像系统，包括使用三光束自同步高速扫频脉冲光纤激光器作为光源，为相干拉曼扫描系统提供信号激发光的光源模块、用于对三种不同波长的脉冲光束进行合束以激发样品的拉曼共振信号的空间光合束器件组，用于将合束后的脉冲光束照射到样品上并对样品进行扫描，使样品在合束脉冲光束的作用下激发拉曼散射光信号的基于xy振镜的扫描模块、用于收集处理样品受激后产生的拉曼散射光信号的信号放大和处理模块和计算与图像处理模块，用于对收集的信号进行成像处理的计算与图像处理模块。本发明专利技术可实现三种光束相位同步且可以同时对样品中的多种成分进行高速成像，扫描的生物样品不需要进行特殊标记处理。不需要进行特殊标记处理。不需要进行特殊标记处理。

【技术实现步骤摘要】
三光束自同步高速扫频光纤激光拉曼扫描成像系统及方法


[0001]本专利技术属于显微成像的分析
，尤其涉及三光束自同步高速扫频光纤激光拉曼扫描成像系统及方法。

技术介绍

[0002]光学成像技术长期以来一直是生物医学方面研究的重要工具。在这些技术中，相干拉曼散射(CRS)，包括相干反斯托克斯散射(CARS)和受激拉曼散射(SRS)和其他非线性光学成像方法都已经在解决生物学问题上有成功的应用。这些技术通过其化学特异性，无标记对比度以及高光谱和空间分辨率的优点为解决上述问题提供便利。
[0003]一般来说相干拉曼散射显微成像包括相干反斯托克斯散射(CARS)成像和受激拉曼散射(SRS)成像两种形式，这两种成像形式均需要两束频率不同的光作用，一般将能量高频率大的光束定义为泵浦光、频率小的光定义为斯托克斯光。CARS成像过程中，泵浦光与斯托克斯光与物质发生作用，产生CARS信号，当泵浦光与斯托克斯光的频率差与拉曼活性分子振动形成共振，CARS信号将大幅增强。在SRS成像模式中，泵浦光激发SRS信号，当SRS信号与斯托克斯光频率相同，SRS信号会被放大。信号处理系统接受成像信号处理成图像。
[0004]需要特别说明的是，CRS显微镜具有对未使用或不能使用荧光分子标记的生物分子样品进行微创和连续的实时成像的能力。有些荧光分子可能会影响样品性能，例如样品分子的大小、重量或因为荧光分子团具有毒性改变样品。荧光分子团的漂白以及激发光的光毒性会干扰生物样品本身的活动以及干扰长时间成像的过程的稳定性。
[0005]一般来说CRS显微成像系统需要两束具有特定频率差的脉冲激光作为光源激发成像信号，这些信号用于分析观察可以被该特定频率差脉冲激光激发信号的成分组成的结构，一般用于生物样品的结构和组成分析。因此传统的固定波长双光束的CRS显微成像系统只能同时探测少数几种成分甚至一种成分的信号进行成像。传统的CRS显微镜使用固定波长或使用可调谐的固态激光器作为激光源，光源的稳定性直接影响成像信号及最终成像效果。因此CRS成像技术的临床应用方面转化依然受到传统激光源体积大、成本高的缺点的阻碍。一个标准的固态激光器(通常指掺钛蓝宝石激光器和使用空间光学器件的同步泵浦光参量振荡器(OPO))必须安装在隔离振动的光学平台上，这也为CRS临床转化造成了技术阻碍。针对上述缺点与不足，采用三光束自同步高速扫频脉冲光纤激光器作为激光源解决同时探测的成分数量少、激光源不稳定、系统体积大等缺点，可以扩大CRS成像系统应用范围，满足在科学研究和临床应用方面的需求。
[0006]在制造基于三光束自同步高速扫频脉冲光纤激光器的相干拉曼显微成像系统的过程中存在三光束相位同步的技术障碍。要成功激发受激拉曼信号，需要使激发信号的多束光时间空间相位上在亚皮秒级和纳米级尺度上保持一致，这就需要对激光源及系统进行特殊的设计。
[0007]在一种受激拉曼差分方法及其装置(公开号：CN109632762A)中，多光束相位同步及调制的过程都使用空间光路进行，使得该方案易受环境因素影响。由于CRS成像技术需要
两个相干脉冲光源且在两个不同的波长上都具有足够的功率和低强度噪声。而这两个波长必须紧密同步、覆盖合适的探测范围并且具有匹配的脉冲宽度。这两个脉冲光源在时间和空间上都必须分别在亚皮秒级和纳米级尺度上重叠，且在这两个域中具有高度的稳定性。所以稳定工作的激光源十分重要。同时由于激发不同分子的拉曼信号需要不同的波长的脉冲组合，针对不同分子进行成像的时候往往需要手动调节斯托克斯光以及泵浦光的波长来适应不同的受激拉曼成像要求，这也是限制该系统在临床方面推广的障碍。在一种利用受激拉曼光谱检测血液中肿瘤细胞的方法中(公开号：CN108802008A)，其核心思想为调整光源波长至已知肿瘤细胞特征物质拉曼共振范围进行检测。
[0008]综上所述，现有技术存在的问题是：传统的相干拉曼散射成像系统体积大、成本高、系统对于环境稳定性要求高、对不同分子的成像需要手动调节波长不方便获取更多样品信息并且光束间的相位同步难以控制。

技术实现思路

[0009]针对现有技术存在的问题，本专利技术提供了一种基于三光束自同步高速扫频脉冲光纤激光器的相干拉曼显微成像系统及方法。
[0010]三光束自同步高速扫频光纤激光拉曼扫描成像系统，包括光源模块、空间光合束器件组、基于xy振镜的扫描模块、信号放大和处理模块和计算与图像处理模块，
[0011]所述光源模块，使用三光束自同步高速扫频脉冲光纤激光器作为光源，为相干拉曼扫描系统提供信号激发光；
[0012]所述空间光合束器件组，用于对三种不同波长的脉冲光束进行合束，以激发样品的拉曼共振信号；
[0013]所述基于xy振镜的扫描模块，用于将合束后的脉冲光束照射到样品上并对样品进行扫描，使样品在合束后的脉冲光束的作用下激发拉曼散射光信号；
[0014]所述信号放大和处理模块，用于收集处理样品受激后产生的拉曼散射光信号；
[0015]所述计算与图像处理模块，用于对收集的信号进行成像处理。
[0016]进一步地，所述光源模块包括三光束自同步高速扫频脉冲光纤激光器，所述三光束自同步高速扫频脉冲光纤激光器包括高速扫频斯托克斯脉冲支路、环形腔、倍频泵浦光支路和固定波长斯托克斯光支路，
[0017]所述高速扫频斯托克斯脉冲支路包括半导体可饱和吸收镜、第一半导体激光二极管、第一波分复用器、第一增益介质、第一光纤耦合器、光隔离器、声光可调谐滤波器和第二光纤耦合器，半导体可饱和吸收镜、第一波分复用器、第一增益介质和第一光纤耦合器依次连接，第一半导体激光二极管与第一波分复用器连接以接入光路，光隔离器、声光可调谐滤波器和第二光纤耦合器连接成环路；
[0018]高速扫频斯托克斯脉冲支路的输出的高速扫频斯托克斯脉冲经第三光纤耦合器分成两路输出，其中一路输出传输至所述空间光合束器件组，另一路输出传输至环形腔，第三光纤耦合器的输入端与第一光纤耦合器的输出端连接；
[0019]所述环形腔包括第二半导体激光二极管以及连成环路的第二波分复用器、第二增益光纤和光学集成元件，环形腔的输出从光学集成元件处输出，高速扫频斯托克斯脉冲支路中的另一路输出传输至的第二波分复用器，环形腔的输出光经过啁啾脉冲放大电路放大
后，输出为两路，分别为固定波长斯托克斯光支路和倍频泵浦光支路，其中，固定波长斯托克斯光支路通过第四光纤耦合器后经第三光纤准直器传输至空间光合束器件组；倍频泵浦光支路通过第四光纤耦合器输入至倍频模块进行倍频处理后输出到空间光合束器件组。
[0020]进一步地，所述倍频模块包括依次设置的第五光纤准直器、第二半波片、第二四分之一波片、第三透镜、倍频晶体、第四透镜、第三半波片。
[0021]进一步地，所述啁啾脉冲放大电路包括依次设置的单模无源光纤、第一掺铒光纤放大器、光纤脉冲强度调制器、第二掺铒光纤放大器、第一光纤准直器、第一反射镜、第二光纤准直器和第四光纤耦合器，所述单模无源光纤接入环形腔的输出本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.三光束自同步高速扫频光纤激光拉曼扫描成像系统，其特征在于：包括光源模块、空间光合束器件组、基于xy振镜的扫描模块、信号放大和处理模块以及计算与图像处理模块，所述光源模块，使用三光束自同步高速扫频脉冲光纤激光器作为光源，为相干拉曼扫描系统提供信号激发光；所述空间光合束器件组，用于对三种不同波长的脉冲光束进行合束，以激发样品的拉曼共振信号；所述基于xy振镜的扫描模块，用于将合束后的脉冲光束照射到样品上并对样品进行扫描，使样品在合束后的脉冲光束的作用下激发拉曼散射光信号；所述信号放大和处理模块，用于收集处理样品受激后产生的拉曼散射光信号；所述计算与图像处理模块，用于对收集的信号进行成像处理。2.根据权利要求1所述的基于三光束自同步高速扫频光纤激光拉曼扫描成像系统，其特征在于：所述光源模块包括三光束自同步高速扫频脉冲光纤激光器，所述三光束自同步高速扫频脉冲光纤激光器包括高速扫频斯托克斯脉冲支路、环形腔、倍频泵浦光支路和固定波长斯托克斯光支路，所述高速扫频斯托克斯脉冲支路包括半导体可饱和吸收镜(43)、第一半导体激光二极管(1)、第一波分复用器(2)、第一增益介质(3)、第一光纤耦合器(4)、光隔离器(5)、声光可调谐滤波器(6)和第二光纤耦合器(7)，半导体可饱和吸收镜(43)、第一波分复用器(2)、第一增益介质(3)和第一光纤耦合器(4)依次连接，第一半导体激光二极管(1)与第一波分复用器(2)连接以接入光路，光隔离器(5)、声光可调谐滤波器(6)和第二光纤耦合器(7)连接成环路；高速扫频斯托克斯脉冲支路的输出的高速扫频斯托克斯脉冲经第三光纤耦合器(8)分成两路输出，其中一路输出传输至所述空间光合束器件组，另一路输出传输至环形腔，第三光纤耦合器(8)的输入端与第一光纤耦合器(4)的输出端连接；所述环形腔包括第二半导体激光二极管(32)以及连成环路的第二波分复用器(9)、第二增益光纤(10)和光学集成元件(11)，环形腔的输出从光学集成元件(11)处输出，高速扫频斯托克斯脉冲支路中的另一路输出传输至的第二波分复用器(9)，环形腔的输出光经过啁啾脉冲放大电路放大后，输出为两路，分别为固定波长斯托克斯光支路和倍频泵浦光支路，其中，固定波长斯托克斯光支路通过第四光纤耦合器(30)后经第三光纤准直器(18)传输至空间光合束器件组；倍频泵浦光支路通过第四光纤耦合器(30)输入至倍频模块进行倍频处理后输出到空间光合束器件组。3.根据权利要求2所述的基于三光束自同步高速扫频光纤激光拉曼扫描成像系统，其特征在于：所述倍频模块包括依次设置的第五光纤准直器(31)、第二半波片(34)、第二四分之一波片(33)、第三透镜(37)、倍频晶体(36)、第四透镜(38)和第三半波片(35)。4.根据权利要求2所述的基于三光束自同步高速扫频光纤激光拉曼扫描成像系统，其特征在于：所述啁啾脉冲放大电路包括依次设置的单模无源光纤(12)、第一掺铒光纤放大器(13)、光纤脉冲强度调制器(14)、第二掺铒光纤放大器(15)、第一光纤准直器(16)、第一反射镜(23)、第二光纤准直器(17)和第四光纤耦合器(30)，所述单模无源光纤(12)接入环形腔的输出，并通过所述第四光纤耦合器(30)将输出分为所述固定波长斯托克斯光支路和所述倍频泵浦光支路；
且在所述第一光纤准直器(16)和所述第一反射镜(23)之间还设置有用...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨中民，朱喆，陈学文，韦小明，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：发明
国别省市：