Vescent D2-125激光伺服器在生物領域的應用典型案例

科羅拉多州立大學(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域獲得了很大的進展。

針對單像素成像的生物領域，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量和頻率的合成理念，測量小位移的中心頻率的光脈沖，類似脈沖受激拉曼散射，使得脈沖在探測瞬態(tài)光學磁化率時獲得位移。通過多路復用空間頻率投影來實現(xiàn)這一點，實現(xiàn)在沒有成像探測器的情況下進行快速二維成像。若不使用成像探測器，則對散射的靈敏度大大降低，則使得該方法可以應用于散射生物組織的深層。重要的是整套系統(tǒng)的光學部分儀器搭建，他在光學成像的兩個領域中所做的工作是利用高靈敏度拉曼測量測量小的光學頻移，以及利用頻率復用空間信息的單元素探測器進行快速的一維和二維成像。這種技術都試圖將光學成像的適用性應用到更廣泛的生物領域。拉曼散射廣泛應用于化學樣品表征技術，因為它是一種內源性的對比方法，不需要使用染料或標記來實現(xiàn)化學特異性成像。

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

圖1 光學鎖相環(huán)流程圖

圖中PS為移相器，AM為調幅器。射頻信號用藍色實線表示，控制信號用藍色虛線表示，光纖用黃色表示。待測脈沖從左下部進入光纖，然后進行對半調制，后在匹配的光電探測器上檢測到，Servo為Vescent D2-125伺服系統(tǒng)。

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

圖2  鎖相噪聲分析

藍色線為用普通光學鎖相測量的拉曼信號。綠色線為使用本文算法處理得到的時態(tài)數(shù)據。

圖3  SPIFI裝置示意圖

SPIFI方法中Vescent伺服系統(tǒng)的根本目的是驅動振幅壓控振蕩器(VCO)，以實現(xiàn)在不同的橫向位置對不同頻率的線聚焦進行調制，將目標空間信息編碼到線聚焦上。實現(xiàn)快速動態(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信號對其在時間信號中的位置進行編碼，通過調制，一旦將目標傳輸函數(shù)刻印在波束上，其對散射的敏感性就會大大降低。

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。在簡單的SPIFI成像系統(tǒng)中，使用光柵對輸入光的光譜進行空間分散，然后應用位置相關的時間調制，將光束簡單地收集在光電探測器上。然后可以從光電探測器信號的電子光譜中恢復光譜線。利用這種*的調制器結構，還可以通過用這種光譜調制光束照射樣品來進行高光譜成像。實驗論證在采集之前，采集到的光的頻譜會被樣本的響應調制，然后將該光譜響應編碼到信號的RF頻譜中。實驗證明了對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本。

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