[发明专利]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

说明书

本发明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。

技术领域

本发明属于显微成像的分析技术领域，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。

背景技术

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。

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。

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。

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。

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。