用于相干拉曼显微成像和受激拉曼显微成像的低噪声快速调谐光源

日期：2020-07-24 浏览量：2113

▍背景原理  

光学成像技术具有非接触式测量、对样品无损伤、高时空分辨率和高探测灵敏度等特点成为普遍采用的显微成像技术。荧光标记成像的方法，具有采集灵敏度高，荧光标记物种类多等优点，在生物医学领域广泛应用。但其干扰性和光致漂白等问题使得其应用受到局限。基于探测样品分子固有振动频率的红外光谱和拉曼光谱显微成像技术，对生物样品无需预先标记处理，直接通过特征光谱信号作为成像对比度，具有分子特征选择性等优点，它在生物医学显微镜中得到了广泛的应用，例如活细胞、组织或DNA成像。但分子光谱信号强度弱，使得探测灵敏度、激光功率和数据采集等方面有一定限制。而同样基于分子振动能级的相干反斯托克斯拉曼散射（Coherent Anti-Stokes Raman Scattering，（CARS）是一种三阶非线性光学过程，所产生的受激共振信号较强，并有一定方向性，使得CARS信号收集效率更高。

▍应用装置  

尽管CARS非常微弱，但从光谱上可区分。但是对于受激拉曼散射，必须测量泵浦光或Stokes光束的微小变化。因此，后者需要基于锁相放大技术来检测，这意味着对于SRS，需要超低激光噪声强度，理想情况下是在散粒噪声限值以下。同时，激光扫描成像需要良好的长期平均功率稳定性和复现性，并且在保持其时空特性的同时快速调谐。

CRS的绝大多数工作都是基于皮秒、泵浦光参量振荡器（OPO）以及时序同步的钛宝石激光系统。Stuttgart Instruments提供了宽带、快速调谐和低噪声的CRS光源，采用掺镱固体激光器泵浦的光纤反馈OPO系统获得极好的稳定性。

CARS/SRS 实验装置结构图

系统采用掺镱固体激光器作为泵浦光源，产生中心波长1043nm，6W平均功率，390fs左右（图中标注为320fs），重复频率75MHz。其中2.5W用于泵浦OPO，产生1380-2000nm近红外激光，通过空气隙标准具在光谱上压窄，产生600mW、1.3ps脉宽的Stokes光束；再通过PPLN产生倍频作为拉曼泵浦光。为了保证脉冲时序同步，在Stokes光束光路中增加延迟线用于调节。

▍光源特点 

OPO产生的近红外激光可在1.38um-2.02um间调谐，输出线宽为9-20nm，脉宽200-300fs；经过标准具后的Stokes光功率为600mW@1043.1nm，线宽为0.71nm，对应CRS测量分辨率为6.5cm-1。

(a),(b)输出光谱范围和典型输出功率，(c),(d)光谱压窄后的输出光典型线宽

(a)750nm~940nm泵浦光输出 (b)Stokes光自相关结果

(c)Stokes、OPO和泵浦光长期功率稳定性 (d)相对强度噪声比较

产生750nm~940nm的泵浦光，整个调谐范围内输出接近傅里叶极限，典型脉宽1.1ps。Stokes在150KHz时达到散粒噪声极限，OPO和泵浦光略高，但在1MHz以上都可达到散粒噪声极限，能够获得低噪声的CRS光谱。