利用光纤产生的四波混频信号进行CARS成像的系统及方法

摘要

本发明是利用光纤产生的四波混频信号进行CARS成像的系统及方法，包括激光光源、多片反射镜、光学参量振荡器、精密位移台、两个长波通二向色镜、耦合物镜、光纤、二维扫描器、聚焦透镜、支承套、样品、带通滤波片、成像透镜、探测器和计算机。光源发出倍频光束泵浦光学参量振荡器后输出的光束，光源发出的基频光束，分别为CARS成像的泵浦光和斯托克斯光，它们在时间和空间上重合后在光纤中传输时激发出的四波混频信号为CARS成像的探针光。它们被聚焦在样品上产生的CARS信号光与它们的频率不重叠，可用长波通二向色镜分离出来。本发明相对标准CARS系统配置而言未新增器件，且对使用的器件没有特殊要求，系统简化并节约了成本。

说明书

技术领域

本发明涉及医学成像技术和相干反斯托克斯拉曼散射成像技术，尤 其是涉及一种利用光纤中产生的四波混频信号进行相干反斯托克斯拉 曼散射成像的方法及系统。

背景技术

相干反斯托克斯拉曼散射(Coherent anti-Stokes Raman scattering， 简称CARS)技术是从1999年开始迅速发展起来的一种新型非标记分 子共振成像技术，它基于化学键的拉曼散射共振增强机制进行成像，能 针对不做任何处理的样品中的特定化学成份进行成像，包括C-H、O-P-O、 Amide I、H-O等化学键(分别用于脂质体、DNA、蛋白质、和水合物 的探测)，使其具有了化学选择性，也即成像的特异性。由于CARS的 相干特性，其信号强度比通常的拉曼散射信号高几个数量级，从而在中 等激励光强条件下就可获得视频速率的成像速度。此外，CARS还具有 高探测灵敏度、亚微米空间分辨率和三维成像的特点。因此，CARS技 术已经被广泛应用于病毒、细胞、生物组织、和活体小动物成像，药物 传输过程监控，以及病变诊断等研究领域。

CARS显微镜通常由体积庞大的超快脉冲激光光源和扫描显微镜构 成，阻碍了其在人体上进行活体成像的应用。因此，发展由光纤传光的 手持式或内窥型CARS成像技术，成为CARS技术应用于临床诊断的必 要条件。在CARS成像过程中，空间和时间上重合的频率为ω_p的泵浦 (Pump)光束和频率为ω_s(＜ω_p)的斯托克斯(Stokes)光束被强聚焦 在样品上时，产生拍频为ω_p-ω_s的叠加电磁场。当拍频ω_p-ω_s与特定分 子的共振频率Ω_vib匹配，即满足Ω_vib＝ω_p-ω_s时，引起分子振荡并辐射出 强度很高的、频率为ω_as＝2ω_p-ω_s的反斯托克斯(Anti-Stokes)光子，也 即CARS信号光子，其中泵浦、斯托克斯、和反斯托克斯光子之间满足 相位匹配条件。被吸收的两个泵浦光子和一个斯托克斯光子，以及激发 出的一个反斯托克斯光子，构成了一个四波混频(Four-wave mixing， 简称FWM)作用过程，可见CARS是一种满足相位匹配的四波混频光 学作用过程。和其它由光纤传光的非线性光学成像方法，如双光子激发 荧光成像和二次谐波产生成像不同(仅在光纤中传输单一超快脉冲光 束)，CARS成像需要在同一光纤中传输在时间和空间上重合的泵浦光 和斯托克斯光，从而不可避免地会在光纤中激发出非相位匹配的FWM 信号。FWM信号光子的频率为ω_fwm＝2ω_p-ω_s，和由样品产生的CARS 信号完全相同而不能被分离出去，从而会在成像结果里形成很强的背景 噪声，其强度往往会淹没样品信号。因此，必须抑制在正常CARS成像 条件下由光纤产生的FWM信号。

加州大学Chen和Potma小组(M Balu，et al.Fiber delivered probe for  efficient CARS imaging of tissues.Optics Express，2010，18(3)：2380-2388) 的研究结果表明，在他们测量过的单模熔融石英光纤、双包层光子晶体 光纤、和大模场面积光子晶体光纤中，均观察到了很强的FWM信号。 为了消除这一信号对成像结果的影响，他们在光纤的输出端使用了一块 长波通二向色镜来滤除FWM信号而只使泵浦光和斯托克斯光通过，它 们入射样品激发出的CARS信号被同一长波通二向色镜反射至侧向，然 后由另外的一根多模光纤来收集，从而把CARS信号从激励信号中分离 了出来。由于使用了较多的器件，这一方法在尺寸受限的内窥成像场合 下很难被采用。康奈尔大学的Wong小组(Z Wang，et al.Coherent  anti-Stokes Raman scattering microscopy imaging with suppression of  four-wave mixing in optical fibers.Optics Express，2011，19(9)：7960-7970) 提出了一种改变激励光偏振态的方法来抑制FWM信号：在泵浦光和斯 托克斯光被耦合进保偏光纤之前，先通过波片来改变它们的偏振态，使 二者的偏振态相互正交，这时它们在光纤中传输就不会产生FWM信号； 二者从光纤输出后，用一块双波长波片(对泵浦光为λ/2波片，对斯托 克斯光则为λ波片)来使二者又返回到一致的偏振态，从而入射样品后 能激发出CARS信号，实现了使用同一光纤传输激励光束和接收样品 CARS信号而不受FWM信号干扰的目的。

从这些方法可以看出，现有解决这一问题的思路都是设法抑制 FWM这一不利因素。由于FWM信号较强，那么是否可以考虑利用它 来进行CARS成像呢？三色CARS成像技术为这一设想的实现提供了可 能。在前述的CARS成像过程中，样品中的分子吸收了两个泵浦光子(ω_p) 和一个斯托克斯光子(ω_s)，这是双色CARS成像技术。当样品中的分 子吸收一个泵浦光子(ω_p)、一个斯托克斯光子(ω_s)、和一个探针光 子(ω_pr)后也能产生CARS信号(ω_as＝ω_p+ω_pr-ω_s)，这样的作用过程 构成了三色CARS成像技术。由于需要频率不同的三种超快脉冲光束， 这会极大地增加激光光源的成本和时空重合调节的难度，因此三色 CARS成像技术被运用得并不多。如果把在光纤中产生的FWM信号作 为探针光，它和由光纤传输的泵浦光和斯托克斯光来进行三色CARS成 像，此时并未对光源提出任何新的要求，且这三个激励光之间已经实现 了在时间和空间上的重合。另外，利用高功率超快脉冲光束在光纤中传 输时激发出的脉冲光束(替代体积庞大的光学参量振荡器)，来作为 CARS成像的激励光源，是目前CARS成像的重要研究方向(涉及到 CARS系统的小型化)，这一点为上述设想提供了有力的理论支撑。

发明内容

为了克服背景技术的不足，本发明的目的是提供一种消除由传光光 纤产生的FWM信号对成像结果不利影响的方法及系统，这一不利影响 是光纤型CARS成像系统中的固有问题。该方法及系统利用泵浦光和斯 托克斯光在光纤中传输时激发出的非相位匹配FWM信号作为CARS成 像的探针光，它和由光纤传输的泵浦光和斯托克斯光一起构成了三色 CARS成像作用过程，此时由样品产生的CARS信号光和激励光的频率 不重叠，在光纤接收信号的输出端(无空间尺寸制约)用一块长波通二 向色镜即可把CARS信号分离出来，从而实现了使用同一光纤传输激励 光束和接收样品CARS信号而不受FWM信号干扰的目的。

为了实现所述目的，本发明一方面是提供一种利用光纤产生的四波 混频(FWM)信号进行相干反斯托克斯拉曼散射(CARS)成像的系统， 所述系统解决技术问题所采用的技术方案是：

包括激光光源、第一反射镜、第二反射镜、光学参量振荡器、第三 反射镜、第四反射镜、第五反射镜、第六反射镜、第七反射镜、第八反 射镜、精密位移台、第九反射镜、第一长波通二向色镜、第十反射镜、 耦合物镜、光纤、二维扫描器、聚焦透镜、支承套、样品、第二长波通 二向色镜、带通滤波片、成像透镜、探测器和计算机，其中：

从激光光源的输出端口a发出的倍频光束经第一反射镜和第二反射 镜反射后，输入并泵浦光学参量振荡器，由光学参量振荡器输出的光束 为CARS成像的泵浦光；从激光光源的输出端口b发出的基频光束为 CARS成像的斯托克斯光，斯托克斯光依次经第三反射镜、第四反射镜、 第五反射镜、第六反射镜、第七反射镜、第八反射镜和第九反射镜反射 后至第一长波通二向色镜，这一光路为斯托克斯光路；

在斯托克斯光路中的第六反射镜和第七反射镜安装在精密位移台 上；通过调节精密位移台、以及第八反射镜与第九反射镜，分别使从光 学参量振荡器输出的泵浦光和从第九反射镜来的斯托克斯光通过第一 长波通二向色镜后在时间和空间上重合；时间和空间上重合的泵浦光和 斯托克斯光经第十反射镜反射至第二长波通二向色镜后，被耦合物镜耦 合进光纤中传输；时间和空间上重合的泵浦光和斯托克斯光在光纤中传 输时，激发出非相位匹配的四波混频信号，把四波混频信号作为CARS 成像的探针光；从光纤输出的泵浦光、斯托克斯光和探针光被聚焦透镜 聚焦在样品上并激发出CARS信号；光纤的端部固定在二维扫描器上， 并使光纤伸出一小段成为悬臂梁，二维扫描器和聚焦透镜安装在支承套 内；

由样品产生的CARS信号光和被样品后向反射或散射的泵浦光、斯 托克斯光和探针光，被聚焦透镜收集并耦合进光纤中传输，然后经耦合 物镜后至第二长波通二向色镜；被样品后向反射或散射的泵浦光、斯托 克斯光和探针光透过第二长波通二向色镜，CARS信号光被第二长波通 二向色镜反射后经带通滤波片和成像透镜后被探测器接收；

计算机控制安装在支承套内的二维扫描器带着光纤端部共振，使被 聚焦透镜聚焦的泵浦光、斯托克斯光和探针光在样品上进行二维扫描， 计算机同时控制探测器同步采集CARS信号并传输至计算机进行处理， 从而得到样品的二维CARS成像结果。

所述的激光光源为具有2～7ps或者102fs量级脉冲宽度的高频脉冲 近红外激光光源，所述高频脉冲近红外激光光源具有从输出端口b发出 的基频光束、从输出端口a发出的倍频光束。

所述的光学参量振荡器是与激光光源的脉冲宽度相匹配的、波长在 近红外波段可调的激光产生器。

所述的第五反射镜至第六反射镜的光束、和第七反射镜至第八反射 镜的光束的方向都与精密位移台的位移调节方向平行。

所述的光纤的输入端端面位于耦合物镜的前焦面上。

所述的探测器的感光面位于成像透镜的前焦面上。

为了实现所述目的，本发明另一方面是提供一种利用光纤产生的四 波混频信号进行CARS成像的方法，包括以下步骤：

步骤S1：把激光光源输出的基频光束作为CARS成像的斯托克斯 光，托克斯光的频率记为ω_s；把激光光源输出的倍频光束泵浦光学参量 振荡器后产生和输出的光束作为CARS成像的泵浦光，泵浦光的频率记 为ω_p；

步骤S2：通过调节斯托克斯光路中的反射镜，使斯托克斯光和泵 浦光在通过第一长波通二向色镜后在空间上重合；

步骤S3：通过调节斯托克斯光路中的精密位移台，使斯托克斯光 和泵浦光在通过第一长波通二向色镜后在时间上重合；

步骤S4：通过调节光学参量振荡器中增益介质的温度来调节输出 的泵浦光波长，使泵浦光和斯托克斯光的频率差与待测分子化学键的共 振频率Ω_vib相匹配，即满足：Ω_vib＝ω_p-ω_s；

步骤S5：把时间和空间上重合的泵浦光和斯托克斯光在光纤中传 输时激发出的频率为ω_fwm＝2ω_p-ω_s的非相位匹配四波混频信号，作为 CARS成像的探针光，探针光的频率记为ω_pr；

步骤S6：将泵浦光、斯托克斯光和探针光通过聚焦透镜聚焦在样 品上后，激发出满足相位匹配条件的CARS信号光，CARS信号光的频 率为ω_as＝ω_p+ω_pr-ω_s；

步骤S7：由样品产生的CARS信号光，以及被样品后向反射或散 射的泵浦光、斯托克斯光和探针光被聚焦透镜收集并耦合进光纤中传输， 在光纤输出端只有CARS信号光被第二长波通二向色镜反射至探测器， 探测器接收到的光信号被转换成电信号后传输至计算机进行处理；

步骤S8：计算机控制二维扫描器带着光纤端部共振，使聚焦光束 在样品上进行二维扫描，从而得到样品的二维CARS成像结果。

与背景技术相比，本发明具有的有益效果是：

1、本发明消除了光纤型CARS成像系统中由传光光纤产生的FWM 信号对成像结果的不利影响。CARS系统的光纤化是其临床应用的必要 条件，而用于CARS成像的泵浦光和斯托克斯光在光纤中传输时不可避 免地会激发出非相位匹配FWM信号，这一信号和样品产生的CARS信 号有相同的频率而不能被分离出去，且其强度较强以致常常淹没样品信 号。

2、本发明实现了使用同一根光纤传输激励光束和接收样品CARS 信号而不受FWM信号干扰的目的。现有解决这一问题的办法是用一根 光纤来传输激励光束，光纤产生的FWM信号用一块长波通二向色镜来 滤除，然后用另一根光纤来接收样品的CARS信号。

3、本发明相对标准CARS系统配置而言未新增任何器件，且对使 用的器件没有任何特殊要求，极大地简化了系统和节约了成本。采用两 根光纤分别传输激励光束和接收信号光束的方法新增了较多的器件，在 尺寸受限的内窥条件下难于被采用；而利用双波长波片的方法需要引入 一些波片和偏振片来改变入射激励光束的偏振态，以及双波长波片需要 特殊定制。

4、本发明适用于任何光纤类型的CARS成像系统，为实现CARS 内窥成像提供了简单有效的解决途径。

附图说明

图1是本发明的系统示意图；

图2a是双色CARS成像的能级示意图；

图2b是三色CARS成像的能级示意图；

图3是本发明方法流程图。

图中符号说明：

1激光光源，          2第一反射镜，    3第二反射镜，

4光学参量振荡器，    5第三反射镜，    6第四反射镜，

7第五反射镜，        8第六反射镜，    9第七反射镜，

10第八反射镜，       11精密位移台，   12第九反射镜，

14第十反射镜，       15耦合物镜，     16光纤，

17二维扫描器，        18聚焦透镜，      19支承套，

20样品，              22带通滤波片，    23成像透镜，

24探测器，            25计算机，

13第一长波通二向色镜，21第二长波通二向色镜。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明：

如图1所示，本发明提出的利用光纤产生的四波混频信号进行 CARS成像的系统包括：激光光源1、第一反射镜2、第二反射镜3、光 学参量振荡器4、第三反射镜5、第四反射镜6、第五反射镜7、第六反 射镜8、第七反射镜9、第八反射镜10、精密位移台11、第九反射镜12、 第一长波通二向色镜13、第十反射镜14、耦合物镜15、光纤16、二维 扫描器17、聚焦透镜18、支承套19、样品20、第二长波通二向色镜21、 带通滤波片22、成像透镜23、探测器24和计算机25。

激光光源1为具有2～7ps或者10²fs量级脉冲宽度的高频脉冲近红 外激光光源，它具有从输出端口b发出的基频光束、从输出端口a发出 的倍频光束。倍频光束经第一反射镜2和第二反射镜3反射后，输入并 泵浦光学参量振荡器4。光学参量振荡器4是与激光光源1的脉冲宽度 相匹配的、波长在近红外波段可调的激光产生器，由其输出的光束作为 CARS成像的泵浦光(ω_p)。从激光光源1的输出端口b发出的基频光 束作为CARS成像的斯托克斯光(ω_s)，依次经第三反射镜5、第四反 射镜6、第五反射镜7、第六反射镜8、第七反射镜9、第八反射镜10、 和第九反射镜12反射后至第一长波通二向色镜13，这一光路构成了斯 托克斯光路。

在斯托克斯光路中的第六反射镜8和第七反射镜9安装在精密位移 台11上。通过调节精密位移台11、以及第八反射镜10与第九反射镜 12，分别使从光学参量振荡器4输出的泵浦光和从第九反射镜12来的 斯托克斯光通过第一长波通二向色镜13后在时间和空间上重合；时间 和空间上重合的泵浦光和斯托克斯光经第十反射镜14反射至第二长波 通二向色镜21后，被耦合物镜15耦合进光纤16中传输；时间和空间 上重合的泵浦光和斯托克斯光在光纤16中传输时，激发出非相位匹配 的四波混频信号，把四波混频信号作为CARS成像的探针光；从光纤 16输出的泵浦光、斯托克斯光和探针光被聚焦透镜18聚焦在样品20 上并激发出CARS信号；光纤16的端部固定在二维扫描器17上，并使 光纤16伸出一小段成为悬臂梁，二维扫描器17和聚焦透镜18安装在 支承套19内；

第一长波通二向色镜13反射从光学参量振荡器4来的泵浦光，而 透过从第九反射镜12来的斯托克斯光。第五反射镜7至第六反射镜8 的光束和第七反射镜9至第八反射镜10的光束的方向与精密位移台11 的位移调节方向平行，以便在通过精密位移台11进行泵浦光和斯托克 斯光的时间重合调节时，能保证从第九反射镜12至第一长波通二向色 镜13的光束的方向不变。

通过调节斯托克斯光路中的第八反射镜10和第九反射镜12，使泵 浦光和斯托克斯光在通过第一长波通二向色镜13后在空间上重合。泵 浦光和斯托克斯光经第十反射镜14反射和透过第二长波通二向色镜21 后，被耦合物镜15耦合进光纤16中传输，光纤16的输入端端面位于 耦合物镜15的前焦面上。在时间和空间上重合的泵浦光和斯托克斯光 在光纤16中传输时，会激发出频率为ω_fwm＝2ω_p-ω_s的非相位匹配四波混 频信号，把这一信号作为CARS成像的探针光，其频率记为ω_pr。

从光纤16输出的激励光，包括泵浦光、斯托克斯光和探针光，被 聚焦透镜18聚焦在样品20上，激发出满足相位匹配条件的CARS信号， 其频率为ω_as＝ω_p+ω_pr-ω_s。光纤16的端部固定在二维扫描器17上，并 使光纤16伸出一小段形成悬臂梁结构，二维扫描器17和聚焦透镜18 安装在支承套19内。计算机25控制二维扫描器17带着光纤16的悬臂 部分共振，使被聚焦透镜18聚焦的激励光束在样品20上进行二维扫描。

由样品20产生的CARS信号光和被样品20后向反射或散射的泵浦 光、斯托克斯光和探针光，被聚焦透镜18收集并耦合进光纤16中传输， 然后经耦合物镜15后至第二长波通二向色镜21。被样品20后向反射或 散射的泵浦光、斯托克斯光和探针光透过第二长波通二向色镜21，CARS 信号光被第二长波通二向色镜21反射后经带通滤波片22和成像透镜23 后被探测器24接收；

计算机25控制安装在支承套19内的二维扫描器17带着光纤端部 共振，使被聚焦透镜18聚焦的泵浦光、斯托克斯光和探针光在样品20 上进行二维扫描，计算机25控制探测器24同步采集CARS信号并传输 至计算机25进行处理，从而得到样品的二维CARS成像结果。所述的 探测器24的感光面位于成像透镜23的前焦面上。

第二长波通二向色镜21透过被样品20后向反射或散射的泵浦光、 斯托克斯光和探针光，而反射CARS信号光至探测臂。在探测臂里， CARS信号光通过带通滤波片22后被成像透镜23聚焦在探测器24的 感光面上，系统中产生的各类杂散光被带通滤波片22滤除。

图2a和图2b分别是双色和三色CARS成像的能级示意图。在图 2a所示的双色CARS成像过程中，样品20中的分子吸收两个泵浦光子 和一个斯托克斯光子，当二者的频率之差与待测分子的共振频率Ω_vib匹 配，即满足Ω_vib＝ω_p-ω_s时，引起分子振荡并辐射出频率为ω_as＝2ω_p-ω_s的 CARS信号。而在图2b所示的三色CARS成像过程中，样品20中的分 子吸收一个泵浦光子、一个斯托克斯光子、和一个探针光子，此时激发 出的样品CARS信号光频率为ω_as＝ω_p+ω_pr-ω_s，与激励光无重叠，能够 在光纤16接收信号的输出端由第二长波通二向色镜21把CARS信号提 取出来，从而实现了使用同一光纤16传输激励光束和接收样品CARS 信号而不受FWM信号干扰的目的。

作为实施例，激光光源1可采用奥地利High-Q Laser公司的 picoTRAIN IC-1064-10000型激光器，它能提供76MHz脉冲频率、7ps 脉冲宽度、1064nm波长的基频脉冲输出光束，和532nm波长的倍频 脉冲输出光束。光学参量振荡器4采用德国APE GmbH公司的Levante  Emerald皮秒产品，532nm波长的脉冲光束作为泵浦光输送给光学参量 振荡器4，可获得在680～990nm波长范围内可调的、脉冲宽度为5ps 的输出光束，作为CARS成像的泵浦光。由激光光源1输出的1064nm 波长脉冲光束作为CARS成像的斯托克斯光。第一长波通二向色镜13、 第二长波通二向色镜21、和带通滤波片22分别采用美国Chroma  Technology公司的Q1020LPXR、640DCXR、和HQ560/50m型产品， 探测器24采用日本宾松公司的R3896型光电倍增管(PMT)探测器。 其余器件，均可从市场购得。CH₂化学键经常被用于生物体的成像，其 共振频率为2845cm^-1，此时需把泵浦光调节到816.8nm(12243cm^-1)、 斯托克斯光固定在1064nm(9398cm^-1)、光纤中产生的FWM信号即 探针光为662.8nm(15088cm^-1)，则样品产生的CARS信号光波长为 557.6nm(17933cm^-1)。

图3示出本发明提出的利用光纤产生的四波混频信号进行CARS成 像的方法，包括以下步骤：

步骤S1：把激光光源输出的基频光束作为CARS成像的斯托克斯 光，托克斯光的频率记为ω_s；把激光光源输出的倍频光束泵浦光学参量 振荡器后产生和输出的光束作为CARS成像的泵浦光，泵浦光的频率记 为ω_p；

步骤S2：通过调节斯托克斯光路中的反射镜，使斯托克斯光和泵 浦光在通过第一长波通二向色镜后在空间上重合；

步骤S3：通过调节斯托克斯光路中的精密位移台，使斯托克斯光 和泵浦光在通过第一长波通二向色镜后在时间上重合；

步骤S4：通过调节光学参量振荡器中增益介质的温度来调节输出 的泵浦光波长，使泵浦光和斯托克斯光的频率差与待测分子化学键的共 振频率Ω_vib相匹配，即满足：Ω_vib＝ω_p-ω_s；

步骤S5：把时间和空间上重合的泵浦光和斯托克斯光在光纤中传 输时激发出的频率为ω_fwm＝2ω_p-ω_s的非相位匹配四波混频信号，作为 CARS成像的探针光，探针光的频率记为ω_pr；

步骤S6：将泵浦光、斯托克斯光和探针光通过聚焦透镜聚焦在样 品上后，激发出满足相位匹配条件的CARS信号光，CARS信号光的频 率为ω_as＝ω_p+ω_pr-ω_s；

步骤S7：由样品产生的CARS信号光，以及被样品后向反射或散 射的泵浦光、斯托克斯光和探针光被聚焦透镜收集并耦合进光纤中传输， 在光纤输出端只有CARS信号光被第二长波通二向色镜反射至探测器， 探测器接收到的光信号被转换成电信号后传输至计算机进行处理；

步骤S8：计算机控制二维扫描器带着光纤端部共振，使聚焦光束 在样品上进行二维扫描，从而得到样品的二维CARS成像结果。

上述具体实施方式用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制。 在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和 改变，都落入本发明的保护范围。