提出了調頻相干反斯托克斯拉曼散射 (FM CARS )剪菱，使用緊湊摩瞎、快速且廣泛可調的基于光纖的光源。 使用這種光源孝常，700 cm^(-1)和 3200 cm^(-1)之間的拉曼共振可以通過波長調諧在僅5 ms內解決旗们，這允許使用幀到幀波長切換進行 FM CARS測量。 此外构灸，高靈敏度 FM CARS測量功能通過光纖集成上渴，以保持穩(wěn)定可靠的運行。 該光源在 1 Hz 的鎖定放大器 (LIA) 帶寬下以 40 倍的增強靈敏度完成了 FM CARS測量冻押。 對于以 1 MHz LIA 帶寬進行幀到幀波長切換的快速成像驰贷，可以驗證 18 倍對比度增強，使該光源非常適合用于醫(yī)療診斷或環(huán)境傳感的常規(guī)和實驗室外 FM CARS測量洛巢。
Refine激光器——高靈敏度頻率調制CARS 具有緊湊和快速可調諧的光纖光源
相干反斯托克斯拉曼散射
顯微鏡已成為一種強大的技術，具有許多在生物醫(yī)學成像次兆、細胞生物學和醫(yī)學領域的應用稿茉。如果泵浦源和斯托克斯場，分別以頻率ωp和ωs與拉曼活性分子相互作用,以并且頻率Ω=ωp-ωs發(fā)生共振芥炭，產生頻率為ωAS=2ωp-ωs的諧振反斯托克斯信號漓库。這個信號允許對未染色樣品進行化學選擇性成像。然而园蝠，這個信號也有不包含任何特定的化學信息的非共振信號的貢獻渺蒿。這種非共振背景強度取決于采樣，非共振信號會使共振信號失真彪薛，甚至可以淹沒諧振信號 茂装。共振和非共振CARS響應起源于來自三階磁化率。
在外向方向上檢測 CARS信號顯著降低了非共振型號的貢獻善延，因此提高了檢測靈敏度少态。盡管如此，許多可以避免或消除CARS中的非共振背景的替代技術出現(xiàn)了易遣，例如彼妻，偏振敏感檢測 ，和時間分辨CARS，當時這也導致了信號衰弱和采集時間的延長侨歉。寬帶技術屋摇，例如多重 CARS (M-CARS )，允許重建原始拉曼線形 ,具有積分時間長的缺點幽邓，不適合高速成像應用炮温。干涉CARS提供足夠的成像速度和靈敏度 ，但會受到樣本的圖像偽影導致折射率變化的影響颊艳。此外茅特，共振和非共振圖像的數(shù)字減影是預發(fā)送并允許獲取背景校正圖像 。作為替代獲取背景校正的CARS 型號的技術 棋枕，頻率調制FM CARS 出現(xiàn)了白修。在 FM CARS 中，諧振和非諧振貢獻CARS 信號由兩個波長交替的泵浦脈沖和一個固定在波中的斯托克斯脈沖測量長度重斑。鎖定放大器 (LIA) 檢測然后用于諧振之間的即時差異計算以及兩個交替泵浦波的開關頻率下的非共振 CARS 信號兵睛。因此，F(xiàn)M CARS 允許以增強的靈敏度高速采集背景校正的 CARS 信號窥浪∽婧埽基于不同固態(tài)光源組合的FM CARS的首次實驗實現(xiàn)提供調頻泵場和斯托克斯場。盡管如此漾脂，結合這些可測量低至 0.05% 的光源濃度值假颇，約為兩個數(shù)量級數(shù)量級優(yōu)于標準CARS 。后來骨稿，F(xiàn)M CARS 使用來自單個的啁啾激光脈沖Ti:sapphire 激光器的出現(xiàn)笨鸡，已經降低了光源的復雜性，但在CH-stretch 中的調諧速度和調諧范圍或指紋區(qū)坦冠。然而FM CARS 自由空間光源維護的復雜性和高要求不允許專業(yè)激光實驗室外的常規(guī)應用形耗。
為了克服上述限制，我們實現(xiàn)了一種緊湊辙浑、快速和廣泛可調的基于光纖的光源為 FM CARS 提供所有必要的脈沖激涤。使用這種光源，拉曼共振700 cm-1和 3200 cm-1之間的波長可通過波長調諧在僅5ms內對任意波進行尋址判呕，并啟用具有幀到幀波長切換的高靈敏度 FM CARS 測量倦踢。這種 FM 功能基于光纖，因此可以無縫集成到全光纖 FOPO 燈中來源 佛玄。我們使用 FM CARS 進行濃度測量硼一，與標準 CARS 顯微鏡。此外梦抢，F(xiàn)M CARS 成像和具有增強的雙色 FM CARS 成像顯示對比度般贼。由于整個光源基于光纖，因此實現(xiàn)了緊湊而堅固的光源。這一發(fā)展構成了推進相干拉曼成像在便攜性和醫(yī)療診斷或環(huán)境傳感應用的靈敏度哼蛆。實現(xiàn)了由摻鐿（Yb 3+）光纖振蕩器和FOPO組成的全光纖光源（圖一)蕊梧，它提供了波長可調的同步皮秒脈沖，用于相干拉曼測量腮介。它提供了三個而不是兩個不同波長的脈沖肥矢，即斯托克斯脈沖以及波長交替泵浦脈沖，對于后來的 FM CARS 實驗是必需的叠洗。產生的斯托克斯脈沖在振蕩器內并用可飽和吸收鏡 (SAM) 鎖模甘改，可在波長（WL 濾波器）在 1020 nm 和 1060 nm 之間，持續(xù)時間為 7 ps灭抑，并被放大（前置放大器和Amp) 分兩級十艾，在光隔離器 (Iso) 后面的輸出處達到 400 mW。波長濾波器由一個基于光柵和緊湊型機電光束偏轉的定制光纖耦合濾波器開關時間為 300 μs腾节，比大約 5 ms 的 FOPO 啟動快得多忘嫉。
品質因數(shù)為M2= 1.16±0.07和相對強度噪聲 (RIN) 是在 20.25 MHz，-153.5dBc/Hz 的條件下測量的案腺。除了斯托克斯脈沖之外庆冕，在帶有線性諧振器的FOPO中還產生了 7ps長的泵浦脈沖，其基于50厘米的polarization-maintaining (PM) 光子晶體光纖（PCF劈榨、NKT Photonics访递、LMA-PM-5）以及在定制的 FM 模塊和輸出端拋光 FC/PC 連接器，反射率約為 4%同辣。PCF 用于生成參數(shù)四波混頻 (FWM) 增益可通過波長調諧在750nm和980nm 之間進行波長調諧僅5ms內的振蕩器（相應的波長調諧曲線可以在參考文獻的圖 3（a）中找到力九。）。FOPO 和放大的振蕩器脈沖的組合用作 CARS 的泵浦和斯托克斯波邑闺，并允許處理 700 cm-1和 3200 cm-1之間的拉曼譜帶。FOPO 諧振器中的 SMF完成了光譜窄色散調諧 棕兼，使得反饋信號脈沖在時間上被拉長陡舅，并且只有窄光譜部分 (<12 cm-1) 與下一個要放大的泵浦脈沖重疊。因此伴挚，諧振器的光路長度直接與 FOPO 輸出的波長相關靶衍。自定義——在 FOPO 和振蕩器之間制作啁啾光纖布拉格光柵 (CFBG) 用于匹配重復對于所有振蕩器波長，振蕩器的頻率與 FOPO 的重復率之比茎芋，并取代了自由空間其他 FOPO 中使用的光延遲線 保持振蕩器和 FOPO 同步颅眶。對于輸出FOPO 測量到光束質量因子M2= 1.03±0.03 和 -127.5 dBc/Hz 的RIN
對于 FM CARS 測量，反饋機制進行了修改田弥，如藍色框（FM模塊涛酗，圖1) 原則上形成兩個光學分離的 FOPO 諧振器，其中每隔一個脈沖被饋送通過不同的路徑返回。為此商叹，F(xiàn)OPO 的光纖耦合端鏡被替換為參考的常規(guī)設置燕刻。由一個由光纖耦合電光調制器 (EOM) 組成的模塊，一個光纖耦合偏振分束器 (PBS) 和兩個端鏡（M1 和 M2）剖笙。EOM 已同步到40.5 MHz 振蕩器重復率的一半卵洗，這導致兩個反射鏡 M1 之間的脈沖到脈沖切換和 M2，分別弥咪。由于 PBS 和 M1 之間的光路長度與PBS 和 M2 形成了兩個不同光路長度的線性諧振腔过蹂，這是由于FOPO 輸出脈沖的兩個交替中心波長的色散調諧。
FOPO 的脈沖到脈沖波長切換示例性地顯示為固定斯托克斯波長1032.7 nm (圖2（一個））聚至。844.9 nm (2152 cm-1 ) 和 846.9 nm (2124 cm-1 )之間的波長切換通過光柵分離FOPO輸出的波長并測量兩個用兩個光電探測器在空間中分離的脈沖序列酷勺。由此產生的時間軌跡驗證了清晰的脈沖到脈沖波長交替。
除了時間分布之外晚岭，F(xiàn)OPO 在 845nm 附近的光譜輸出是使用光學儀器測量的鸥印。頻譜分析儀（圖2(b))，而斯托克斯脈沖保持在 1032.7nm 波長的中心坦报。這波——長度組合可以訪問氘代樣品的光譜區(qū)域库说，例如氘代二甲基亞砜(dDMSO)。用于自發(fā) FWM 增益區(qū)域內的波長微調（圖2 中的黑色曲線）(b))調整了反射鏡 M1 和 M2 提供的反饋的光路長度差片择。光譜高以紅色和藍色點亮潜的，相距 28 cm -1并代表圖2 中測得的脈沖序列（一個）。在這配置字管，反射鏡 M2 是光纖集成和固定的啰挪，實現(xiàn) FOPO 以固定波數(shù)發(fā)射在固定振蕩器波長的增益帶寬（紅色曲線）的右側。而 M1 被放置在自由空間光延遲線嘲叔，通過其位置精確調整 FWM 增益區(qū)域中的第二個波長（灰色曲線）亡呵。為了覆蓋整個自發(fā) FWM 增益帶寬，反射鏡 M1 必須移動 5.6 cm硫戈，而圖 2(b) 中紅色和藍色光譜的諧振器長度差異僅為 0.8 cm 并且保持不變測量時固定锰什。因此，如果脈沖在輸出是可以接受的丁逝，自由空間光延遲線可以用完全集成的光纖反射鏡代替汁胆。
所有的 CARS 測量都是使用自制的激光掃描顯微鏡向前進行的帶有顯微鏡物鏡 (Seiwa PEIR-Plan-50x, NA = 0.6) 和光電倍增管 (PMT, HamamatsuH7422-20) 無需解掃描。PMT 信號用 LIA (Zurich Instruments HF2LI) 在調制頻率為 20.25 MHz霜幼。對于 FM CARS 測量嫩码，使用了如圖1所示的 FOPO ，而對于標準 CARS 測量罪既，M1 的反饋路徑被機械快門阻擋铸题。為了量化 FM CARS 與標準檢測靈敏度相比所實現(xiàn)的增加測量了含有 dDMSO 和水的 CARS 稀釋系列铡恕。對于該測量，dDMSO 的共振在2125 cm-1和大約 2145cm-1處的非共振貢獻以相同的平均功率處理在成像平面中大約 20 mW回挽。對于此特定測量没咙，LIA 檢測帶寬設置為 1 Hz用于降低噪聲以提高靈敏度。標準CARS信號以及 FM CARS 信號均被歸一化為純 dDMSO的信號并針對濃度作圖（圖3）千劈。為了驗證 FM CARS 的好處祭刚，我們調查了低濃度低于 10% 的交易量。使用標準 CARS 墙牌，水中的 dDMSO 濃度約為 2%測量涡驮，受非共振背景的限制。對于 FM CARS 喜滨，檢測限約為 0.05 %捉捅。dDMSO在水中（添加了紅色和藍色虛線以引導眼睛），因此靈敏度提高了40 的因數(shù)虽风。由于殘留的電子噪聲棒口，甚至無法分辨更低的濃度。調頻CARS 結果與方程非常吻合辜膝。其中 Ganikhanov 等人介紹低濃度下FM CARS強度的表達式无牵。
使用 FM CARS 測得的水中濃度限制約為 0.05% dDMSO甲醇水溶液。然而厂抖，代替使用同步固態(tài)激光器茎毁，這里展示的結果是通過使用單個緊湊而堅固的光源實現(xiàn)的，這是一個重要的簡化并實現(xiàn) FM CARS 在專業(yè)激光實驗室內外的常規(guī)應用忱辅。為了展示所提出的用于成像應用的光源的能力七蜘，首先是一個技術樣本，即使用標準 CARS 和 FM CARS 對 dDMSO 和菜籽油的混合物進行成像以進行直接比較（圖4(a) 和 (b))墙懂。調制泵浦脈沖的波長為 841.4 nm 和 840.5 nm橡卤，尋址結合 1038nm 的斯托克斯脈沖、dDMSO 在 2250cm-1的弱拉曼共振和分別在 2263 cm-1處的非共振貢獻损搬。被調查的菜籽油僅表現(xiàn)出非共振CARS 信號蒜魄，因為菜籽油在兩個波數(shù)下都沒有表現(xiàn)出任何拉曼共振。在焦平面上场躯，兩個泵浦脈沖串的平均功率為 32 mW，而斯托克斯脈沖串的平均功率為60 兆瓦旅挤。圖4中顯示的所有圖像（512x512 像素踢关，無平均）都是在 LIA帶寬為1MHz 以證明調頻 FOPO 非常適合快速成像，盡管 LIA較低帶寬將進一步降低電子噪聲粘茄。如圖4 所示(a)签舞、強非共振CARS 信號來自菜籽油（下部）是可測量的秕脓，而在圖4(b) 區(qū)域內的 FM CARS信號菜籽油顯示接近零的非共振信號，因此具有更高的對比度儒搭。對比度被量化通過從圖4 中的圖像中劃分非共振和共振信號的平均值(a) 和 (b) 和在標準 CARS圖像 2.5 中吠架，而在 FM CARS中為 45.0。因此搂鲫，18 倍對比度增強和顯著提高了可區(qū)分性傍药。為了演示獲取背景抑制圖像的 FM CARS 功能拉曼光譜中的不同共振，菜籽油中的聚苯乙烯 (PS) 珠粒（圖4）(c) 和 (d)) 和新鮮用 dDMSO 浸泡兩小時的脂肪組織（圖4(e) 和 (f)) 成像魂仍。PS珠子被成像解決 1035 cm -1處的指紋共振拐辽。在這個特定的樣本中，一個因子的對比度增強7.2 被確定擦酌。一般來說俱诸，可實現(xiàn)的對比度增強取決于共振的強度以及非共振 CARS 的貢獻，并且因不同的拉曼共振和樣品而異赊舶。斯坦-dardCARS（圖4(e)) 和 FM CARS （圖4）(f)) 獲取組織的圖像以解決分子dDMSO 在 2125 cm -1處的振動（在 2D 顏色圖的垂直軸上從黑色到綠色）和脂質在2850 cm -1（在 2D 顏色圖的水平軸上從黑色到洋紅色）睁搭。在標準 CARS 圖像中脂質的強烈非共振貢獻降低了對比度，導致圖4 中的白色區(qū)域(e)因為綠色和洋紅色加起來為白色（二維顏色圖的對角線）笼平。FM CARS 啟用重新成像導致脂質的非共振貢獻园骆，因此，綠色和洋紅色區(qū)域在空間上變得很好在圖4中的假彩色圖像中分離（F）出吹。對于所有 FM CARS 圖像遇伞，非共振 CARS 貢獻在波數(shù)比上述拉曼共振波數(shù)高出大約 20 cm -1處測量。在圖4 中的圖像旁邊捶牢，我們將可視化 1附加到補充材料中鸠珠，它顯示了實時使用標準和 FM CARS 在四幀處對新鮮脂肪組織中的 dDMSO 和脂質共振成像每秒（256x256 像素，無平均）秋麸，但是渐排，具有幀到幀波長切換。尤其是這測量強調了這里介紹的光源的好處灸蟆，因為可以在兩個拉曼共振時間小于 5 ms 結合對比FM CARS 的增強驯耻。
總之，一種用于 FM CARS 的堅固炒考、緊湊可缚、快速且廣泛可調的基于光纖的光源被提出。光源由快速可調鎖模光纖振蕩器斋枢、兩級放大器和一種適用于 FM CARS 的光纖參量振蕩器帘靡，帶有用于波長交替的光纖模塊調制頻率為 20.25 MHz。結合斯托克斯脈沖瓤帚，背景抑制調頻CARS 成像是在一個簡單的鎖定放大器 (LIA) 檢測方案中完成的描姚。允許使用 FM CARS 用于在 1 Hz 的 LIA 帶寬下檢測低至 0.05 % 的濃度涩赢，代表了改進與標準 CARS 相比，靈敏度提高了 40 倍轩勘。在 1 MHz 的 LIA 帶寬下筒扒，減少CARS 信號的非共振貢獻，因此绊寻，增加的檢測靈敏度導致對比度增強 18 倍花墩，即使在快速成像應用中也能提高圖像質量。結合光源在 5ms 內的快速和寬波長可調性榛斯，F(xiàn)M CARS 與完成了幀到幀的波長切換观游。未來，所呈現(xiàn)燈的 FM 功能源也可用于精確測量兩個相鄰拉曼共振隨時間的比值50 ns 的分辨率驮俗，通過參考一個拉曼共振對第二個拉曼共振懂缕，例如可以在腫瘤診斷領域找到應用。此外王凑，緊湊的光纖集成和實現(xiàn)的穩(wěn)健性不僅可以在專門的激光實驗室內進行 FM CARS 成像搪柑，還可以提供有可能用于醫(yī)療診斷或環(huán)境傳感。
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