用于SRS/CARS显微镜的稳健、快速可调、低强度噪声的光源

相干拉曼散射(CRS)是基于多光子散射效应、在近红外脉冲激光作用下激发样品中红外波段拉曼光谱的散射效应。由于其化学特异性以及无须标记的特性,使得CRS在生物医学领域应用广泛,例如对活细胞、生物组织以及DNA等进行的成像观测。CRS包括相干反斯托克斯拉曼散射(CARS)和受激拉曼散射(SRS)两种典型散射效应。当抽运光和斯托克斯光的频率差与分子拉曼共振频率满足特定条件时,会发生具有新频率光束产生的CARS,或者进行光束内部能量交换的SRS。

本文提出了一种可用于CRS的全自动、超低噪声激光系统。基于固态飞秒技术以及光参量频率转换技术,系统在1 MHz及以上的调制频率下可达到散粒噪声的极限。该系统具有频率固定的1043 nm激光,以及750 - 950 nm和1.4 - 2.0 μm两个调谐频段的激光,因此,非常适合用于1015 - 3695 cm-1谱段内的相干拉曼显微成像以及多光子显微成像。通过在数百飞秒到皮秒范围对脉冲持续时间进行调节,系统光谱分辨率可达到13 cm-1。该系统可以同步输出三束激光,同时,保证斯托克斯光以及抽运光在空间和时间上重合,并且能够进行精确的时间延迟控制。所采用的独特频率转换设计使系统无需主动稳定电子设备,从而避免系统稳定性、噪声以及操控性能受到影响。另外,所研制的全自动化激光系统可通过操控面板或者远程控制实现亚纳米精度的波长调谐。相关研究成果发表在Advanced Photonics第1卷第5期上(Heiko Linnenbank, Tobias Steinle, Florian Mörz, Moritz Flöss, Han Cui, Andrew Glidle, Harald Giessen. Robust and rapidly tunable light source for SRS/CARS microscopy with low-intensity noise.

为了验证该系统的调谐范围和分辨率,文章对具有宽SRS响应范围的D2O和H2O混合样品以及窄响应范围的丙酮样品进行了测试。同时,采用微米尺度的聚苯乙烯(PS)和聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)的微球混合样品对该激光系统作为激发光源进行成像的性能进行了验证。实验结果表明,系统可以视频帧速率进行拉曼成像。

(a)实验装置。Yb固态振荡器用于产生同步的拉曼斯托克斯和抽运光束。标准具用于产生脉冲持续时间在皮秒量级的窄带斯托克斯光束,OPO用于产生抽运光束。(b)直径为6 μm的聚合物微球在94 μm×94 μm范围内的直流电压扫描图像。(c)利用系统(a)作为激发光源获得的聚苯乙烯微球(PS)和聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)微球混合物的SRS扫描图像,蓝色为PS微球(3067 cm-1),红色为PMMA微球(2953 cm-1)。