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Vescent D2-125激光伺服器在生物領(lǐng)域的應(yīng)用典型案例

科羅拉多州立大學(xué)(Colorado State University,CSU)，David Winters博士借助Vescent D2-125激光伺服器在單像素成像的生物領(lǐng)域獲得了很大的進(jìn)展。

針對(duì)單像素成像的生物領(lǐng)域，David Winters博士討論了新的單像素成像方法（SPIFI方法），其根本原理是通過基于激光計(jì)量和頻率的合成理念，測(cè)量小位移的中心頻率的光脈沖，類似脈沖受激拉曼散射，使得脈沖在探測(cè)瞬態(tài)光學(xué)磁化率時(shí)獲得位移。通過多路復(fù)用空間頻率投影來實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)在沒有成像探測(cè)器的情況下進(jìn)行快速二維成像。若不使用成像探測(cè)器，則對(duì)散射的靈敏度大大降低，則使得該方法可以應(yīng)用于散射生物組織的深層。重要的是整套系統(tǒng)的光學(xué)部分儀器搭建，他在光學(xué)成像的兩個(gè)領(lǐng)域中所做的工作是利用高靈敏度拉曼測(cè)量測(cè)量小的光學(xué)頻移，以及利用頻率復(fù)用空間信息的單元素探測(cè)器進(jìn)行快速的一維和二維成像。這種技術(shù)都試圖將光學(xué)成像的適用性應(yīng)用到更廣泛的生物領(lǐng)域。拉曼散射廣泛應(yīng)用于化學(xué)樣品表征技術(shù)，因?yàn)樗且环N內(nèi)源性的對(duì)比方法，不需要使用染料或標(biāo)記來實(shí)現(xiàn)化學(xué)特異性成像。

在光路搭建工作中，他從一個(gè)新的方向來研究拉曼測(cè)量。其根本原理是通過電子響應(yīng)產(chǎn)生了依賴于時(shí)間的折射率，采集光脈沖時(shí)，會(huì)導(dǎo)致探針脈沖的中心光頻率發(fā)生小的偏移。因此，測(cè)量拉曼活性分子的小濃度的問題就變成了測(cè)量小的光頻移。他把光頻移轉(zhuǎn)換成更容易測(cè)量的量，即很容易地把光脈沖中心頻率的變化轉(zhuǎn)換成光強(qiáng)的變化。

圖1 光學(xué)鎖相環(huán)流程圖

圖中PS為移相器，AM為調(diào)幅器。射頻信號(hào)用藍(lán)色實(shí)線表示，控制信號(hào)用藍(lán)色虛線表示，光纖用黃色表示。待測(cè)脈沖從左下部進(jìn)入光纖，然后進(jìn)行對(duì)半調(diào)制，后在匹配的光電探測(cè)器上檢測(cè)到，Servo為Vescent D2-125伺服系統(tǒng)。

激光由一對(duì)InGaAs激光二極管(Thorlabs DET10C)發(fā)射，以得到調(diào)制器主動(dòng)極化軸上的光源。其產(chǎn)生的差分信號(hào)輸入至加法放大器(SRS SIM980)，這個(gè)差分信號(hào)即為誤差信號(hào)，進(jìn)而將差分信號(hào)耦合到伺服系統(tǒng)的輸入(Vescent D2-125)。則Vescent伺服系統(tǒng)的輸出參考電壓，終用于驅(qū)動(dòng)振幅的壓控振蕩器(VCO)(微型電路ZX95-890C)調(diào)制器。其中伺服參數(shù)和優(yōu)化參數(shù)的設(shè)置通過基于該調(diào)制器驅(qū)動(dòng)正弦波在重復(fù)率與相位的調(diào)整電子信號(hào)獲得，使得脈沖調(diào)制的峰值及斜率進(jìn)行采樣衰減。

圖2  鎖相噪聲分析

藍(lán)色線為用普通光學(xué)鎖相測(cè)量的拉曼信號(hào)。綠色線為使用本文算法處理得到的時(shí)態(tài)數(shù)據(jù)。

圖3  SPIFI裝置示意圖

SPIFI方法中Vescent伺服系統(tǒng)的根本目的是驅(qū)動(dòng)振幅壓控振蕩器(VCO)，以實(shí)現(xiàn)在不同的橫向位置對(duì)不同頻率的線聚焦進(jìn)行調(diào)制，將目標(biāo)空間信息編碼到線聚焦上。實(shí)現(xiàn)快速動(dòng)態(tài)捕獲，這種成像速度的提高為成像提供了新的可能性成像，從而逐步代替昂貴的陣列檢波器。由于SPIFI信號(hào)對(duì)其在時(shí)間信號(hào)中的位置進(jìn)行編碼，通過調(diào)制，一旦將目標(biāo)傳輸函數(shù)刻印在波束上，其對(duì)散射的敏感性就會(huì)大大降低。

圖4  (a)圖為熒光吸收，(b)圖為熒光發(fā)射模式下，熒光墨水在載玻片上的SPIFI圖像

應(yīng)用該一維SPIFI成像系統(tǒng)可以替代光柵或階段掃描，提高了成像速度。在簡(jiǎn)單的SPIFI成像系統(tǒng)中，使用光柵對(duì)輸入光的光譜進(jìn)行空間分散，然后應(yīng)用位置相關(guān)的時(shí)間調(diào)制，將光束簡(jiǎn)單地收集在光電探測(cè)器上。然后可以從光電探測(cè)器信號(hào)的電子光譜中恢復(fù)光譜線。利用這種*的調(diào)制器結(jié)構(gòu)，還可以通過用這種光譜調(diào)制光束照射樣品來進(jìn)行高光譜成像。實(shí)驗(yàn)論證在采集之前，采集到的光的頻譜會(huì)被樣本的響應(yīng)調(diào)制，然后將該光譜響應(yīng)編碼到信號(hào)的RF頻譜中。實(shí)驗(yàn)證明了對(duì)各種樣品類型的都具備較好的成像能力，無論是熒光樣品還是生物標(biāo)本。

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