[发明专利]利用光纤产生的四波混频信号进行CARS成像的系统及方法

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。