【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于光学成像和分子振动光谱成像领域，具体涉及一种基于单光束探测的跨模态光谱与成像的方法及装置。
技术介绍
1、跨模态成像的目标是通过协同地结合不同的显微成像模式，为各种目标提供独特和互补的见解，为全面的化学、物理和生物分析提供了分子动力学的整体视角。与单一成像方法相比，跨模态成像可以提供额外的分子空间信息。例如，引入荧光成像模式以补充数字全息术和干涉散射成像的特异性不足，展示了跨模态成像在研究细胞器相互作用和纳米级动态事件追踪方面的能力。面对标记小分子和代谢物的挑战，已经开发出无标记成像方法，通过捕捉固有的分子结构信息来补充荧光成像模态中的分子种类限制。值得注意的是，二次谐波产生(shg)、瞬态吸收(ta)、受激拉曼散射(srs)和三阶和频产生(tsfg)等非线性光学过程相互兼容，为细胞代谢和病理机制的研究提供了新的见解。此外，通过结合散射、光声、相位和荧光等多种成像模态，基于光吸收诱导的光热效应的泵浦探测技术展示了显著的协同效应，极大地提高了无标记振动成像的分辨率、灵敏度和通量。
2、为了非侵入性地探测分子振动的内禀指纹信息，红外和拉曼光谱在各个领域中已经得到了丰富的应用，尤其是红外光谱，其吸收截面(约为10-18cm2)远高于常规的拉曼光谱(10-28cm2)。然而，单一的光谱模态难以确定完整的分子结构信息，因为具有拉曼活性的振动模式不一定具有红外活性，反之亦然，红外光谱对不对称振动非常敏感，而拉曼光谱则对对称振动敏感，这导致光谱信息不完整。因此，必须联合红外光谱和拉曼光谱进行同时探测，以提供互补和全面
3、然而，直接将红外和拉曼模态相结合并不可行，因为它们具有不同的物理性质(吸收与散射)和光谱窗口(中红外与可见光)之间存在显著差异。目前已经将红外和拉曼联合探测的方案。例如，iraman将中红外光热成像与单点拉曼光谱相结合。为了克服红外和拉曼模态选择规则的冲突，引入了非线性光学过程，包括双光子激发的拉曼光谱，即超拉曼光谱。此外，还有通过傅里叶变换相干反斯托克斯拉曼散射(拉曼敏感)和脉冲内差频产生(红外敏感)过程，实现了互补振动光谱的单点光谱测量。结合相干反斯托克斯拉曼散射和三阶和频产生的三光子过程提高了红外和拉曼成像分辨率。然而，开发出具有高分辨率和定量化学成像功能的同时红外和拉曼成像平台，仍然是一项巨大的挑战。
4、综上所述，目前仍然缺乏一种能够同时进行红外和拉曼模态的光谱和成像的方案，并且尚未找到有效的解决方法。这一问题需要进一步研究和开发，以满足光学成像领域对同时实现红外和拉曼模态的光谱和成像需求。
技术实现思路
1、基于上述所提到的技术瓶颈，本专利技术提供的是一种基于单光束探测的跨模态光谱与成像方法，该方法可以实现无标记、高灵敏、高光谱范围的同时红外与拉曼光谱和成像采集。
2、本专利技术首先提供了一种基于单光束探测的跨模态光谱与成像的方法，包括以下步骤：
3、1)对一束受激辐射光和一束波长可调谐的泵浦光进行调控，使两束光在时间域和空间域上重合，再对一束波长可调谐的中红外光进行调整，使得中红外光的光路至与受激辐射光和泵浦光共线，并进一步对三束光聚焦从而使三束光的焦点在空间上重合；
4、2)将待检测的目标样品设置在三束光聚焦的焦点上；
5、3)调整泵浦光波长，使泵浦光与受激辐射光的能量差匹配目标分子的拉曼振动能级，实现受激拉曼散射效应，调整中红外光的波长使中红外光匹配目标分子的红外振动能级，实现目标分子周围局域的光热驰豫效应，使得三束光焦点内的目标分子同时产生受激拉曼散射效应和中红外吸收产生的中红外光热驰豫效应；从而使受激拉曼散射效应产生的受激拉曼散射信号与中红外光热驰豫效应产生的中红外光热信号被携带在泵浦光光强中；
6、4)利用受激拉曼散射效应与光热驰豫效应的时间特征差异，在时间域上对受激辐射光和中红外光的光强进行调制，使得受激拉曼散射效应和光热驰豫效应的信号处在不同的频率区间；
7、5)在不同频率区间生成的受激拉曼散射信号和中红外光热信号被泵浦光携带后，将泵浦光作为探测光输入光电探测器转换为光电压信号，采用频率域滤波技术从所述光电压信号中分离出受激拉曼散射信号与中红外光热信号；
8、6)扫描目标样品的空间位置并同时采集受激拉曼散射信号与中红外光热信号，实现跨模态成像数据的采集，采集的跨模态成像数据经过光谱与成像处理设备生成成像图；
9、7)扫描泵浦光波长和中红外光的波长，对于受激辐射光、泵浦光、中红外光共同焦点内的分子进行光谱采集得到各个模态的光谱。
10、作为本专利技术的优选方案，所述步骤1)中，受激辐射光和泵浦光为超快激光，脉冲宽度为飞秒至皮秒量级，波长范围为可见光至近红外光波段；所述泵浦光的波长短于受激辐射光，受激辐射光和泵浦光的光子能量差覆盖分子振动光谱范围。
11、作为本专利技术的优选方案，步骤1)中的受激辐射光和泵浦光需要在时间域上调整至重合；所述的脉冲的中红外光，不与所述的受激辐射光和泵浦光形成时间域重合，以避免与受激辐射光和泵浦光产生非线性效应。
12、本专利技术还提供了一种用于实现上述跨模态光谱与成像方法的跨模态光谱与成像装置，包括：
13、光源模块，包括用于出射受激辐射光和泵浦光的第一光源、用于出射中红外光的第二光源、对受激辐射光进行时间域调制的电光调制器、对受激辐射光和泵浦光进行空间域重合调整和对中红外光共线调整的光路模块；
14、显微镜模块，包括显微镜框架、用于调整光线的镜片模组、用于聚焦中红外光的和收集泵浦光的红外聚焦镜以及搭载样品的载物样品扫描台；
15、探测模块，包括用于收集信号的收集光路、用于滤出泵浦光的滤光片组、用于转换泵浦光光强为光电压信号的光电探测器以及前置放大器；
16、光谱与成像采集模块，包括数据采集卡、滤波器件和光谱与成像处理设备；所述数据采集卡和滤波器件用于对跨模态成像数据和光谱进行采集；所述光谱与成像处理设备用于控制数据采集卡、载物样品台、第一光源、第二光源，滤波器件。
17、作为本专利技术的优选方案，所述镜片模组包括第一阔束透镜、第二阔束透镜、第三阔束透镜、第四阔束透镜、第一反射镜、第二反射镜、第三反射镜8、双色镜、第四反射镜、50-50分束镜、第五反射镜、分束镜、第六反射镜、第七反射镜、折射式物镜和红外聚焦镜。
18、与现有技术相比，本专利技术具有的有益效果至少包括：
19、(一)通过利用不同物理过程的时间尺度差异特征来进行时间域调制本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种基于单光束探测的跨模态光谱与成像方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述跨模态光谱与成像方法，其特征在于：所述步骤1)中，受激辐射光和泵浦光为超快激光，脉冲宽度为飞秒至皮秒量级，波长范围为可见光至近红外光波段；所述泵浦光的波长短于受激辐射光，受激辐射光和泵浦光的光子能量差覆盖分子振动光谱范围。
3.根据权利要求1所述跨模态光谱与成像方法，其特征在于：所述步骤1)中，受激辐射光和泵浦光需要在时间域上调整至重合；所述的中红外光，不与所述的受激辐射光和泵浦光形成时间域重合，以避免与受激辐射光和泵浦光产生非线性效应。
4.根据权利要求1所述跨模态光谱与成像方法，其特征在于：所述步骤3)中，受激拉曼散射效应在受激辐射光和泵浦光的时间延时为0皮秒时，达到最高的信号值，通过调节受激辐射光和泵浦光脉冲的时间延时，实现时间分辨相干拉曼散射的探测；所述的受激拉曼散射效应在受激辐射光光强上呈现的形式为受激拉曼增益，在泵浦光光强上呈现的形式为受激拉曼损耗。
5.根据权利要求1所述跨模态光谱与成像方法，其特征在于：所述步骤3)中，中红
6.根据权利要求1所述跨模态光谱与成像方法，其特征在于：所述步骤4)中，受激拉曼散射效应与光热驰豫效应的时间特征差异具体为：受激拉曼散射效应发生的时间尺度为百飞秒，光热驰豫效应发生的时间尺度为纳秒至微秒范围，响应时间具有4到7个数量级的差别；利用受激拉曼散射效应和光热驰豫效应的时间特征差异，分别对受激辐射光与中红外光进行调制，从而实现受激拉曼效应在一兆至百赫兹范围内的调制，光热驰豫效应在一千至百千赫兹范围内的调制，以实现跨模态光谱与成像信号的零串扰探测。
7.根据权利要求1所述跨模态光谱与成像方法，其特征在于：所述步骤4)中，对受激辐射光的调制通过电光调制器或者声光调制器实现，对中红外光的调制通过电调制或者斩波器调制来实现。
8.根据权利要求1所述跨模态光谱与成像方法，其特征在于：携带有受激拉曼散射信号和中红外光热信号的泵浦光，在频率域由受激拉曼调制和中红外光热调制构成，以泵浦光作为探测光实现优化的空间分辨率和探测灵敏度，作为探测光的泵浦光通过前向或后向收集进入光电探测器，所述前向为泵浦光的入射方向，后向为与泵浦光的入射方向相反的方向。
9.根据权利要求1所述跨模态光谱与成像方法，其特征在于：所述步骤5)中，频率域滤波技术将光电探测器采集到的光电压信号从时间域转换到频率域，利用信号的频谱特征提取、分离并放大受激拉曼散射信号和中红外光热信号。
10.一种用于实现权利要求1所述跨模态光谱与成像方法的跨模态光谱与成像装置，其特征在于，包括：
...【技术特征摘要】
1.一种基于单光束探测的跨模态光谱与成像方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述跨模态光谱与成像方法，其特征在于：所述步骤1)中，受激辐射光和泵浦光为超快激光，脉冲宽度为飞秒至皮秒量级，波长范围为可见光至近红外光波段；所述泵浦光的波长短于受激辐射光，受激辐射光和泵浦光的光子能量差覆盖分子振动光谱范围。
3.根据权利要求1所述跨模态光谱与成像方法，其特征在于：所述步骤1)中，受激辐射光和泵浦光需要在时间域上调整至重合；所述的中红外光，不与所述的受激辐射光和泵浦光形成时间域重合，以避免与受激辐射光和泵浦光产生非线性效应。
4.根据权利要求1所述跨模态光谱与成像方法，其特征在于：所述步骤3)中，受激拉曼散射效应在受激辐射光和泵浦光的时间延时为0皮秒时，达到最高的信号值，通过调节受激辐射光和泵浦光脉冲的时间延时，实现时间分辨相干拉曼散射的探测；所述的受激拉曼散射效应在受激辐射光光强上呈现的形式为受激拉曼增益，在泵浦光光强上呈现的形式为受激拉曼损耗。
5.根据权利要求1所述跨模态光谱与成像方法，其特征在于：所述步骤3)中，中红外光热驰豫为目标分子局域的能量非辐射驰豫过程，会同时对照射在该目标分子上的受激辐射光和泵浦光产生光热透镜现象，并在受激辐射光和泵浦光的光强上产生调制。
6.根据权利要求1所述跨模态光谱与成像方法，其特征在于：所述步骤4)中，...
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