全息相干反斯托克斯拉曼散射成像技术研究

相干反斯托克斯拉曼散射（CARS）成像利用分子固有振动特性作为成像机制，具有无需外加荧光标记以及不引起样品污染的巨大优势。同时，作为一种非线性相干过程，CARS信号灵敏度比传统自发拉曼系统提高4到5个量级，非常适用于生物成像的弱光激发条件。传统的CARS技术多采用紧聚焦逐点激光扫描完成三维成像，信号采集速度慢，难以满足对高动态生物体系的研究需求。为克服这一问题，本申请提出将全息与CARS成像相结合的新技术，利用全息能同时记录宽光场振幅和相位的独特优势，进行宽场条件下CARS光场的完整复原（即振幅和相位的同时恢复），从而完成高速三维CARS成像。项目拟搭建基于超短脉冲的全息CARS成像实验系统，从理论和实验上系统研究全息CARS成像中相位匹配、四波混频噪声抑制、CARS信号绝对相位恢复等问题。开拓全息CARS这一新领域并使其更好地应用于生命、材料、光学等科学的交叉研究领域。

相干反斯托克斯拉曼散射（CARS）成像利用分子固有振动特性作为成像机制，具有无需外加荧光标记以及不引起样品污染的巨大优势。同时，作为一种非线性相干过程，CARS信号灵敏度比传统自发拉曼系统提高4到5个量级，非常适用于生物成像的弱光激发条件。传统的CARS技术多采用紧聚焦逐点激光扫描完成三维成像，信号采集速度慢，难以满足对高动态生物体系的研究需求。为克服这一问题，本项目集中发展了基于皮秒脉冲激光全息与CARS成像相结合的新技术，利用全息能同时记录宽光场振幅和相位的独特优势，进行宽场条件下CARS光场的完整复原（即振幅和相位的同时恢复），从而完成高速三维CARS成像。项目完成了搭建基于超短皮秒脉冲的全息CARS成像实验系统，从理论和实验上系统研究全息CARS成像中非线性光束传播、相位匹配、四波混频噪声抑制、CARS信号绝对相位恢复等问题，拓展了全息CARS这一新技术领域并将其应用到生命科学研究领域。研究工作在理论和实验上都取得了较好的成果，主要进展为：（1）在理论上，提出将三阶非线性信号产生引入传统BPM的新模型，并在全息CARS实验系统中得到了正确性验证，为本领域提供了一种通用的光束传播模型，为相关成像技术的发展提供了理论指导；（2）实验上首次实现了基于皮秒脉冲的全息CARS成像，并结合不同相位匹配架构，提出了在全息CARS中的两种抑制非共振背景噪声新技术，大范围提高成像信噪比，将CARS全息成像技术进一步推进；（3）结合研究过程中出现的实际问题，拓展了研究内容，实现了在近红外光纤超快激光器的研制，并提出了一种新型克服样品散射和损耗的贝塞尔光束成像技术，预期将在CARS全息成像以及相关荧光成像研究领域有广泛地应用。以第一或通讯作者共发表SCI论文6篇（含录用一篇），其中含在高水平光学期刊Laser & Photonics Reviews一篇。