基于连续稳频激光的双光学频率梳光学成像方法

摘要

本发明公开了一种基于连续稳频激光的双光学频率梳光学成像方法，该光学成像方法将两台光学频率梳种子源通过重复频率控制模块锁定在稳定的外界原子钟上，同时，通过连续稳频激光与两台光学频率梳种子源输出激光的相互作用，将携带有光梳频率不稳定度的电学信号提取出来，并将该信号进行射频信号功率分配与处理，其一部分直接用于反馈控制两台光学频率梳种子源的激光谐振腔特性，以稳定半导体激光器的输出载波包络相位频率，另一部分用于与双光梳成像系统产生的周期性干涉谱信号进行混频，进一步将光梳系统的频率漂移量抵消掉，从而从两个方面入手控制整个双光梳成像系统的测量精度，实现快速、超高分辨的光梳相干成像。

权利要求

1.一种基于连续稳频激光的双光学频率梳光学成像方法，涉及两台光学频率梳种子源，其特征在于所述光学成像方法包括如下步骤：将两台所述光学频率梳种子源各自的输出激光分为三路；两台所述光学频率梳种子源的输出激光频率分别为fcomb1=nfrep+fceo与fcomb2=n(frep+Δfrep)+fceo’，其中frep是第一台所述光学频率梳种子源的重复频率，Δfrep是第二台所述光学频率梳种子源与第一台所述光学频率梳种子源的重复频率的微小差值，fceo与fceo’分别表示第一台所述光学频率梳种子源与第二台所述光学频率梳种子源的载波包络相位漂移频率；

第一路，两台所述光学频率梳种子源的输出激光分别进入频率控制模块以将所述光学频率梳种子源的重复频率信号锁定在外界原子钟上；

第二路，两台所述光学频率梳种子源的输出激光与连续稳频激光发生模块的输出激光在连续激稳频激光与双光梳相互作用模块中进行拍频，产生两个频率相近的拍频信号并滤取出来做差频，得到射频信号f-；通过射频信号功率分配与处理模块将所述射频信号f-分为等值的三路信号f1、f2与 f3信号，其中所述信号f1和f2分别反馈回两台所述光学频率梳种子源中的电光调制器和半导体激光器，以稳定两台所述光学频率梳种子源输出激光的载波包络相位频率，所述信号f3经倍频器放大为信号nf3后进入样品数据采集与处理模块；

第三路，将其中第一台所述光学频率梳种子源的输出激光作为探测光入射至待测样品，将其中第二台所述光学频率梳种子源的输出激光作为参考光与所述探测光拍频以得到干涉谱信号fi；所述干涉谱信号fi之后进入所述样品数据采集与处理模块中与所述信号nf3进行混频以抵消频率不稳定度，得到光谱信号fsignal，并对所述光谱信号fsignal进行逐点还原，实现所述待测样品的光学成像。

2.根据权利要求1所述的一种基于连续稳频激光的双光学频率梳光学成像方法，其特征在于所述连续稳频激光发生模块的输出激光是指激光频率线宽在Hz量级的单纵模激光。

3.根据权利要求1所述的一种基于连续稳频激光的双光学频率梳光学成像方法，其特征在于所述光学频率梳种子源中的激光谐振腔内设置有电光调制器和半导体激光器；所述信号f1转换为直流电压后作用于所述电光调制器，改变所述电光调制器的折射率以调整所述激光谐振腔的啁啾量并补偿其腔长的失配量；所述信号f2反馈至所述半导体激光器，反馈控制所述半导体激光器的电流以稳固所述激光谐振腔的噪声特性。

4.根据权利要求1所述的一种基于连续稳频激光的双光学频率梳光学成像方法，其特征在于所述探测光的频率为fcomb1=nfrep+fceo，所述参考光的频率为fcomb2=n(frep+Δfrep)+fceo’，所述探测光与所述参考光进行拍频后得到由一系列间隔为Δfrep的射频信号组成的所述干涉谱信号fi。

说明书

基于连续稳频激光的双光学频率梳光学成像方法

技术领域

[0001] 本发明属于超快激光技术领域，具体涉及一种基于连续稳频激光的双光学频率梳光学成像方法。

背景技术

[0002] 光学显微成像技术的发展由来已久，伴随着人类对微观世界探索程度的加深而不断进步。早在公元前一世纪，人们就发现可以利用水滴观察到物体被放大后的像。传统光学成像系统的空间分辨能力受到衍射极限的限制，一般来说，光学成像系统衍射限制的空间分辨率约为探测光波长的一半，而对于小于这个成像极限值的物体细节，传统光学系统将无能为力。进入80年代，非光学类扫描探针显微术特别是原子力显微镜的出现可以将成像的分辨率推进到纳米量级的精度,但这些显微技术或者穿透深度很小，或者只能给出物体表面的信息，并在不同程度上存在系统结构复杂、成像检测环境要求苛刻等问题。随着激光技术的发展与成熟，将激光这一具有良好相干性、方向性与能量密度的工具运用于光学显微成像，可以为活体生物样品提供重要的光学信息（如偏振态、折射率、光谱等），并进行无损伤性生物活体探测。其中，近年来新兴的飞秒光学频率梳（简称光梳）可以直接作为光源，运用于非线性光学成像过程。其可用于光学成像的非线性效应很多，如：双光子吸收、二次谐波（SHG）、三次谐波（THG）、相干反斯托克斯拉曼散射（CARS）、克尔效应等。

[0003] 另一方面，为了构建时域与频域兼具频率高稳定度的飞秒光学频率梳，需将锁模脉冲激光器的输出脉冲序列的重复频率信号（fr）与载波包络相位频率信号（fceo）锁定，即保证频率梳的每根梳齿与梳齿的间隔稳定，且整体在频率域不发生漂移。其中，光梳的重复频率信号是可直接探测的电学信号，将其与原子钟控制的标准信号混频，并反馈控制激光器腔长，即可实现光梳重复频率锁定。但是，脉冲传播过程中由于群速度与相速度之差产生的光梳载波包络相位漂移频率的探测与控制过程较为复杂，通常需要对光梳的输出光进行功率放大与光谱展宽，再采用共线或非共线型的f-2f自参考光学系统进行光学倍频与光学合束拍频，将载波包络相位漂移频率提取出来。而上述这一过程中，不仅需要对脉冲的色散特性与偏振态进行良好的控制，而且对非线性晶体的温度、整个光学系统的相位匹配度、光路的调整精度与稳定度都提出了较高要求，这些无疑为光学频率梳技术的应用推广带来不利影响。

发明内容

[0004] 本发明的目的是根据上述现有技术的不足之处，提供一种基于连续稳频激光的双光学频率梳光学成像方法，该光学成像方法将两台光学频率梳种子源通过重复频率控制模块锁定在稳定的外界原子钟上，同时，通过连续稳频激光与两台光学频率梳种子源输出激光的相互作用，将携带有光梳频率不稳定度的电学信号提取出来，并将该信号进行射频信号功率分配与处理，其一部分直接用于反馈控制两台光学频率梳种子源的激光谐振腔特性，以稳定半导体激光器的输出载波包络相位频率，另一部分用于与双光梳成像系统产生的周期性干涉谱信号进行混频，进一步将光梳系统的频率漂移量抵消掉，从而从两个方面入手控制整个双光梳成像系统的测量精度，实现快速、超高分辨的光梳相干成像。

[0005] 本发明目的实现由以下技术方案完成：

[0006] 一种基于连续稳频激光的双光学频率梳光学成像方法，涉及两台光学频率梳种子源，其特征在于所述光学成像方法包括如下步骤：将两台所述光学频率梳种子源各自的输出激光分为三路；

[0007] 第一路，两台所述光学频率梳种子源的输出激光分别进入频率控制模块以将所述光学频率梳种子源的重复频率信号锁定在外界原子钟上；

[0008] 第二路，两台所述光学频率梳种子源的输出激光与连续稳频激光发生模块的输出激光在连续激稳频激光与双光梳相互作用模块中进行拍频，产生两个频率相近的拍频信号并滤取出来做差频，得到射频信号f-；通过射频信号功率分配与处理模块将所述射频信号f-分为等值的三路信号f1、f2与f3信号，其中所述信号f1和f2分别反馈回两台所述光学频率梳种子源中的电光调制器和半导体激光器，以稳定两台所述光学频率梳种子源输出激光的载波包络相位频率，所述信号f3经倍频器放大为信号nf3后进入样品数据采集与处理模块；

[0009] 第三路，将其中第一台所述光学频率梳种子源的输出激光作为探测光入射至待测样品，将其中第二台所述光学频率梳种子源的输出激光作为参考光与所述探测光拍频以得到干涉谱信号fi；所述干涉谱信号fi之后进入所述样品数据采集与处理模块中与所述信号nf3进行混频以抵消频率不稳定度，得到光谱信号fsignal，并对所述光谱信号fsignal进行逐点还原，实现所述待测样品的光学成像。

[0010] 两台所述光学频率梳种子源的输出激光频率分别为fcomb1=nfrep+fceo与fcomb2=n(frep+Δfrep)+fceo’，其中frep是第一台所述光学频率梳种子源的重复频率，Δfrep是第二台所述光学频率梳种子源与第一台所述光学频率梳种子源的重复频率的微小差值，fceo与fceo’分别表示第一台所述光学频率梳种子源与第二台所述光学频率梳种子源的载波包络相位漂移频率。

[0011] 所述连续稳频激光发生模块的输出激光是指激光频率线宽在Hz量级的单纵模激光。

[0012] 所述光学频率梳种子源中的激光谐振腔内设置有电光调制器和半导体激光器；所述信号f1转换为直流电压后作用于所述电光调制器，改变所述电光调制器的折射率以调整所述激光谐振腔的啁啾量并补偿其腔长的失配量；所述信号f2反馈至所述半导体激光器，反馈控制所述半导体激光器的电流以稳固所述激光谐振腔的噪声特性。

[0013] 所述探测光的频率为fcomb1=nfrep+fceo，所述参考光的频率为fcomb2=n(frep+Δfrep)+fceo’，所述探测光与所述参考光进行拍频后得到由一系列间隔为Δfrep的射频信号组成的所述干涉谱信号fi。

[0014] 本发明的优点是：

[0015] 1）基于具有微小重复频率差值的双光梳光学成像方法可以同时采集由粒子跃迁所产生的宽频率范围内的光谱信息与高分辨率形貌图像，其装置响应速率快，采集快速高；

[0016] 2）待测样品的所有光谱元素可以在一个光电探测器上进行同时测量，从而确保了光谱的一致性；此外，高精度光学频率梳保证了波数标度的再现性和准确性；

[0017] 3）成像所需的双光学频率梳系统可以在无需精确探测脉冲载波包络相位信号的情况下，通过连续稳频激光将光梳系统的频率漂移量以电学信号的方式传递出来，并进行控制，从而较大程度上降低了光学系统的复杂性与维护难度，增强了整个光梳成像装置的紧凑性与适用性；

[0018] 4）光梳与连续稳频激光产生的携带光梳特性的电学信号展现了多重利用价值：其一方面反馈控制光梳种子源激光腔的泵浦电流与腔内电光调制器，稳固光梳光源的输出激光特性，另一方面与光梳成像过程中得到的干涉谱信号做混频，进一步抵消由光梳系统的频率漂移带来的测量误差；整个成像装置从多角度入手保证了成像图谱的高精度输出；

[0019] 5）光学频率梳输出激光的脉冲宽度一般在飞秒（10-15s）量级，甚至可以通过控制激光的高阶色散获得更窄的脉冲输出，这相当于提高了光学探针的精度，有利于实现超分辨光谱探测和显微成像技术；

[0020] 6）光学频率梳可以通过光子晶体光纤等元件实现频域拓展，使其输出频带具有覆盖紫外、可见与红外等较宽的范围；双光梳成像系统能够充分利用这一特点，在同一时刻使物质分子中多个分子振动模式得到共振增强，产生相应的光谱信号，因此在对生物系统和其他含有多种成份的复杂系统进行非侵入光谱识别和显微成像的过程中具有显著优势；

[0021] 7）光学频率梳的重复频率一般在几百兆赫兹（106Hz）至几个吉赫兹（109Hz）量级，且其输出脉冲通常可以通过功率放大器达到百瓦量级的强度；具有高峰值功率和较低的单脉冲能量的超短激光脉冲能够最大限度地减小对生物样品的光致损伤，同时，高脉冲重复频率的超短脉冲激光能够有效满足成像系统中快速获取信号的需要。

附图说明

[0022] 图1为本发明实施例一中装置结构示意图；

[0023] 图2为本发明实施例二中用全光纤型双光梳系统进行样品扫描成像的示意图；

[0024] 图3为本发明实施例三中用半空间半光纤型双光梳系统进行相干反斯托克斯拉曼散射成像的示意图。

具体实施方式

[0025] 以下结合附图通过实施例对本发明的特征及其它相关特征作进一步详细说明，以便于同行业技术人员的理解：

[0026] 如图1-3，图中标记1-31分别为：光学频率梳种子源1、光学频率梳种子源2、重复频率锁定模块3、连续稳频激光发生模块4、连续稳频激光与双光梳相互作用模块5、射频信号功率分配与处理模块6、倍频器7、双光学频率梳光学成像模块8、样品数据采集与处理模块9、计算机10、光纤波分复用器11、增益光纤12、光纤光隔离器13、光纤耦合输出器14、光纤偏振控制器15、光学电机延迟模块16、偏振分束器17、二向色镜18、扫描振镜19、全反镜20、显微物镜21、一维样品台22、空间带通滤波片23、腔内偏振分束器24、腔内半波片25、斜披对
26、光子晶体光纤27、啁啾镜28、空间低频滤波片29、三维样品台30、空间高频滤波片31；

[0027] 其中，LD代表半导体激光器、PZT代表压电陶瓷晶体,EOM代表电光调制器，SESAM代表半导体可饱和吸收镜；

[0028] 图中实线代表光传播路线，虚线代表电路传输路线。

[0029] 实施例一：如图1所示，本实施例具体涉及一种基于连续稳频激光的双光学频率梳光学成像方法，将双光梳种子源（即光学频率梳种子源1和光学频率梳种子源2）通过重复频率控制模块3锁定在外界稳定的原子钟上，同时，连续稳频激光与双光梳相互作用模块5将连续稳频激光发生模块4产生的连续激光与两路光学频率梳种子源（即光学频率梳种子源1和光学频率梳种子源2）的输出激光做拍频，将携带有光梳频率不稳定度的电学信号提取出来，并将该信号进行射频信号功率分配与处理，其一部分直接用于反馈控制光学频率梳种子源内的激光谐振腔特性，以稳定半导体激光器LD的输出载波包络相位频率，另一部分用于与双光学频率梳光学成像模块8产生的周期性干涉信号进行混频，进一步将双光学频率梳光学成像模块8的频率漂移量抵消掉，从而从两个方面入手控制整个双光学频率梳光学成像模块8的测量精度，实现快速、超高分辨的光梳相干成像。

[0030] 如图1所示，两台光学频率梳种子源1和2均为由半导体激光器LD泵浦的脉冲激光发生源，其激光谐振腔内需具有可调节腔长的压电陶瓷晶体PZT与可控制色散特性的电光调制器EOM。两台光学频率梳种子源1、2输出激光的中心波长决定于激光谐振腔内的增益介质，可根据待测样品基本光学响应特性选择合适的种子源系统。

[0031] 如图1所示，为满足系统双光梳相干光学成像的要求，需使两台光学频率梳种子源1、2输出脉冲的重复频率信号具有微小差值，该差值一般在百KHz至Hz量级。

[0032] 如图1所示，重复频率锁定模块3具有将两个光学频率梳种子源1、2输出重复频率信号分别精密锁定的两套独立锁相环电路，其各自的工作过程为：将由光电探测器探测到光梳重复频率信号通过与外界原子钟触发的标准信号做混频，得到误差信号，并经过放大后反馈控制光梳种子源内的压电陶瓷晶体PZT，从而锁定激光谐振腔的腔长，从而控制每一台光学频率梳种子源1、2输出脉冲在时间域上的稳定性。

[0033] 如图1所示，连续稳频激光发生模块4为整个双光梳系统提供了频率域的稳定标准，其输出激光通过与两台光学频率梳种子源1、2输出光进行拍频而获得光梳的频率漂移信息。在实际测量过程中，需根据光学频率梳输出光特性来合理选择连续稳频激光的输出波长并控制其偏振态，以获得高信噪比的射频信号来控制整个成像系统。此处连续稳频激光是指激光频率线宽在Hz量级的单纵模激光，其发生装置（即连续稳频激光发生模块4）一般由普通连续激光器配合法布里-珀罗腔（F-P腔），并利用增益曲线，以原子本身跃迁中心频率为参考频率构成的激光稳频系统。同时，需要采用诸如恒温、膨胀系数匹配、防震、密封、稳定电源等措施进行激光的被动式稳频，进一步保证连续激光的频率稳定性，使其成为双光梳系统的频率标准。

[0034] 如图1所示，连续稳频激光与双光梳相互作用模块5是两台光学频率梳种子源1、2的输出激光与连续稳频激光这三路光信号进行相干拍频，并获得携带有光学频率梳载波包络相位漂移信息的射频信号的光电结合装置。其包括两套独立的光梳与连续激光拍频所需的光学元件与拍频信号滤取与差频所需的电学元件。其主要功能是将分束得到的两台光学频率梳种子源1、2的输出激光分别与连续稳频激光做拍频，并滤取两台光梳中位于同一位置的光梳梳齿与连续稳频激光产生的两个拍频信号做混频，得到的差频信号f-用作射频信号功率分配与处理。由于连续稳频激光提供了可靠的频率标准，且两个光学频率梳种子源1、2的重复频率已得到精密控制，故所得到的f-信号即反应了双光学频率梳系统由于载波包络相位漂移所引起的频率不稳定性，亦即光梳的载波包络相位漂移频率以射频信号的形式传递出来。

[0035] 如图1所示，射频信号功率分配与处理模块6由电子功率分配器构成，需根据射频信号的数值合理选择分频器的带宽，以满足系统的高速响应，抑制附加噪声。本方法中将输入的射频信号分成三路。

[0036] 如图1所示，射频信号功率分配与处理模块6产生的三路信号中，一路用于反馈控制两台光学频率梳种子源1、2的泵浦激光器（即半导体激光器LD），一路用于反馈控制两台光学频率梳种子源1、2激光谐振腔内部的电光调制器EOM，一路用于与采集到的样品信号混频，从多方面入手控制整个测量装置内的频率稳定度。

[0037] 如图1所示，由于光学频率梳种子源与连续稳频激光相互作用产生的射频信号频段不一定与光学频率梳光学成像模块8产生的干涉谱信号在同一频段，故需使用倍频器将上述功分得到的信号之一倍频，使其能够与干涉谱信号做混频，刚好抵消掉光梳系统的频率不稳定度。

[0038] 如图1所示，双光学频率梳光学成像模块8将两台光学频率梳种子源1、2中的一路光作为探测光，另一路光作为参考光进行样品形貌探测，可根据探测方法的不同搭建结构不同的探测装置，以使样品的光学信息得以充分激发。

[0039] 如图1所示，样品数据采集与处理模块9包括平衡探测装置、数据采集卡与弱信号分析器等元件，将样品逐点扫描过程中得到的大量数据提取出来，获得干涉谱信号，此干涉谱信号经过进一步的噪声处理，得到最终的光谱信号，再将此信号还原成样品形貌信息，实现双光梳光谱成像。

[0040] 如图1所示，计算机10可以配合完成数据处理过程的程序运行，并可以通过编程将成像过程实现为可视化，从而光梳成像的实时监测，保障系统的高速有效运转。

[0041] 如图1所示，本实施例中基于连续稳频激光的双光学频率梳光学成像法具体步骤如下：

[0042] 首先，调节两个光学频率梳种子源1、2处于良好的自启动锁模状态，并将其各自的输出激光分为三束，其中一部分经过光电探测器进入重复频率锁定模块3，通过基于锁相环的电子伺服反馈系统将光梳的重复频率信号精密锁定在外界原子钟上，另一部分分束得到的光梳激光用来与连续稳频激光相互作用，最后一部分分束得到的光梳激光用来产生光梳成像信号。两个具有微小重复频率差的光学频率梳种子源1、2的输出频率分别为fcomb1=nfrep+fceo与fcomb2=n(frep+Δfrep)+fceo’，其中，frep是光学频率梳种子源1的重复频率，Δfrep是所述光学频率梳种子源2与光学频率梳种子源1的重复频率的微小差值，fceo与fceo’是未经锁定的光频频率。

[0043] 其次，连续稳频激光与两台光学频率梳种子源1、2的输出光经过连续稳频激光与双光梳相互作用模块5相干拍频，将位于同一位置的光梳梳齿与连续激光产生的两个频率’相近的拍频信号滤取出来做差频，得到射频信号f-，该信号反应了上述fceo与fceo的漂移度，并将难以测量的光学频率转化为便于操作的电学频率。通过射频信号功率分配与处理模块
6将f-信号分为等值的三路f1、f2与 f3信号，来分别控制光梳种子源腔内电光调制器EOM、半导体激光器LD电流与成像系统探测得到的样品光谱信号。

[0044] 同时，光学频率梳种子源1、2的另一部分输出光进入双光学频率梳光学成像模块8中进行样品探测，合理控制光学频率梳种子源1、2输出激光的啁啾特性、光谱覆盖范围、峰值功率与偏振态等因素，使待测样品的光学特性得以充分激发，通过机械扫描振镜或样品台的精密转动，完成样品的逐点测量过程，得到样品的干涉谱信号fi。

[0045] 最后，将经过倍频器7产生的nf3信号与fi信号做混频，进一步抵消由双光梳未锁定的载波包络相位频率给测量带来的误差，得到最终的信号fsignal进行逐点还原，通过计算机显示，实现待测样品的快速、高分辨率光学成像。

[0046] 实施例二：如图2所示为采用偏振旋转锁模式全光纤激光器作为光学频率梳种子源，进行双光梳样品扫描成像的示意图，具体步骤如下：

[0047] （1）两台光学频率梳种子源1、2均采用全光纤型采用结构，用980nm半导体激光器LD作为泵浦源，通过光纤波分复用器11进入激光谐振腔内，单模的掺镱增益光纤12作为增益介质，光纤隔离器13保证激光的单向运转，压电陶瓷晶体PZT缠绕于腔内单模光纤上，电光调制器EOM采用光纤式相位和强度调制器；调整腔内的光纤偏振控制器15，使激光器达到稳定锁模状态；锁模脉冲激光通过光纤耦合输出器14输出。

[0048] （2）在重复频率锁定模块3中，将由光电探测器探测到的光梳重复频率信号通过与外界原子钟触发的标准信号做混频，得到误差信号进行放大，反馈控制光学频率梳种子源1、2内的压电陶瓷晶体PZT，从而锁定每一台光学频率梳种子源输出脉冲在时间域上的稳定性。

[0049] （3）基于光学频率梳种子源1、2的全光纤特性，连续稳频激光与双光梳相互作用模块5的光学部分也可以采用全光纤式，合理选择光学耦合器、光纤带通滤波器的中心波长，使获得的拍频信号具有较高的信噪比；电学部分需选择两个通频带宽在±10MHz以下的带通滤波器将频率相近的两个拍频信号滤取出来，再通过混频器进行混频，取其差频信号f-作为系统的反馈控制射频信号。

[0050] （4）两台光梳的部分输出激光通过各自相应波段的准直器将光纤光转化为空间光，将光学频率梳种子源1的输出光作为探测光，光学频率梳种子源2的输出光作为参考光进行双光梳相干成像探测。

[0051] （5）光学频率梳种子源1的输出光首先通过一个由高反镜构成的光学电机延迟模块16，该模块的作用是调整探测光在从输出端口到待测样品再到进入探测器的过程中与参考光所走的空间光程的长度，即保证在到达样品数据采集与处理模块9中的平衡探测器时，两路激光所经历的光程一致，以保证信号光与参考光可以实现拍频。

[0052] （6）作为参考光的光学频率梳种子源2的输出激光通过偏振分束器17分为两束，一束通过二向色镜18与探测光一同入射样品，另一束直接进入探测器，参考激光在成像过程中可以作为泵浦光源激发样品的分子跃迁，使成像过程中的非线性效应得以顺利完成，另一方面可以在探测过程中为得到的干涉谱信号提供统一化标准，增强测量结果的协调性与可信度。

[0053] （7）经过二向色镜18合束的参考激光与探测激光首先入射至扫描振镜19，经全反镜20反射后再通过显微物镜组21对放置于一维样品台22上的样品进行光梳光谱成像探测。通过扫描振镜19的移动扫描，获取样品三维成像图中x轴与y轴的构建，并使样品在每一点，通过光学频率梳进行深度测量，即获得三维成像图中的z轴信息。

[0054] （8）经过样品后的激光通过空间带通滤波片23，滤除掉探测过程中与信号无关的杂散光，提高干涉谱信号的信噪比。

[0055] （9）在样品数据采集与处理模块9中，将经过光学滤波的探测光与参考光进行平衡探测，并用相应的高速数据采集卡进行数据采集，得到的干涉谱信号fi与通过倍频器7产生的携带光梳频率抖动的射频信号nf3做混频，以进一步控制光梳系统的相位误差，得到具有样品光学信息的信号fsignal。通过计算机10完成对fsignal信号的还原与呈现，以实现高分辨率的逐点式双光梳光谱信息测量与样品光学成像。

[0056] 实施例三：如图3所示为基于SESAM的半空间半光纤型激光器作为光学频率梳种子源，进行双光梳相干反斯托克斯拉曼散射成像的示意图，具体步骤如下：

[0057] （1）两台光学频率梳种子源1、2均采用全光纤型采用结构，用980nm半导体激光器LD作为泵浦源，通过光纤波分复用器11进入激光谐振腔内，增益光纤12作为增益介质，光纤隔离器13保证激光的单向运转，压电陶瓷晶体PZT缠绕于腔内单模光纤上。

[0058] （2）基于激光谐振腔的半空间半光纤特点，腔内偏振分束器24配合腔内半波片25的使用，使从偏振分束器24输出的部分激光作为光学频率梳种子源1、2的输出端口，另一部分激光通过自由空间电光调制器EOM，再经过斜披对，入射至半导体可饱和吸收镜SESAM，其中斜披对的作用是调整激光谐振腔的色散特性，使其输出超短脉冲。合理选择半导体可饱和吸收镜SESAM响应波段与调制深度，使激光谐振腔达到稳定的锁模状态。

[0059] （3）由于两台光学频率梳种子源1、2均呈现空间光输出状态，故使用相应波段的分束器将光梳光分束。对每台光学频率梳种子源而言，其输出激光至少分为三束，一束用来入射至重复频率锁定模块3，一束用来进入连续稳频激光与双光梳相互作用模块5与连续稳频激光发生相互作用，另外一束用作光梳成像。

[0060] （4）在重复频率锁定模块3中，将由光电探测器探测到的光梳重复频率信号通过与外界原子钟触发的标准信号做混频，得到误差信号进行放大，反馈控制光梳种子源内的压电陶瓷晶体PZT，从而锁定每一台光学频率梳输出脉冲在时间域上的稳定性。

[0061] 基于本实施例中光梳种子源的空间光输出特点，连续稳频激光与双光梳相互作用模块5的光学部分也可以采用空间形式，其包括合束片、光栅、小孔光阑、汇聚透镜与光电探测器等元件，调整各个元件的俯仰角度，使获得的拍频信号具有较高的信噪比；电学部分需选择两个通频带宽在±10MHz以下的带通滤波器将频率相近的两根拍频信号滤取出来，再通过混频器进行混频，取其差频信号f-作为系统的反馈控制射频信号。

[0062] （5）通过光子晶体光纤27将光学频率梳种子源1的输出激光光谱范围展宽，合理控制输入光子晶体光纤的激光的偏振态、峰值功率、脉冲宽度等参数，使得从光子晶体光纤27输出的激光获得频谱范围覆盖可见至红外的较宽范围。飞秒脉冲激光泵浦光子晶体光纤27产生超连续光谱激光输出作为泵浦光源，可以实现具有较宽的可同时探测光谱范围的宽带CARS 光谱探测和显微成像技术。

[0063] （6）将由光学频率梳种子源1分束得到的部分激光与由光学频率梳种子源2分束得到的部分激光一同入射进行双光梳相干成像探测。两路激光通过空间的二向色镜18合束，在空间达到光场的重叠，同向传播。

[0064] （7）经过二向色镜18合束的两路光梳激光经全反镜20反射后首先入射至啁啾镜组28，将光梳的输出激光进行进一步的色散管理，补偿由激光谐振腔及光梳功率放大器、光子晶体光纤所产生的二阶色散及高阶色散，使激光达到超窄脉冲的输出状态，满足高分辨率光梳成像的要求。

[0065] （8）在双光梳相干反斯托克斯拉曼散射成像的过程中，泵浦光与由泵浦光频率与样品拉曼频移之差而成的斯托克斯光（探测光）借助结合相位匹配技术被混频，激光通过三阶非线性极化率同介质相互作用产生频率上移的振荡偏振，发出相干反斯托克斯拉曼散射信号。故从啁啾镜28输出的激光首先经过空间低频滤波片29，将光学频率梳较复杂的光谱成分中用于信号探测的部分激光滤取出来，并通过显微物镜21对放置于三维样品台30上的样品进行探测，经过样品后的激光通过空间高频滤波片31，获得待探测的频率上移的相干反斯托克斯拉曼散射信号。

[0066] （9）在双光梳光学成像过程中，通过三维样品台30的三维空间移动，完成对样品的逐点扫描，整个样品扫描过程中由四波混频产生的所有反斯托克斯辐射进行强度叠加，构成了干涉谱信号fi。

[0067] （10）在样品数据采集与处理模块9中，将上述的周期性干涉信号fi经过相应的高速数据采集卡进行数据采集，并通过倍频器7产生的携带光梳频率抖动的射频信号nf3做混频，以进一步控制光梳系统的相位误差，得到具有样品光学信息的信号fsignal。通过计算机10完成对fsignal信号的还原与呈现，以实现逐点式双光梳相干反斯托克斯拉曼散射成像。本实施例中的方法不仅可以用来获得高分辨率分子振动光谱及成像，还可以进行样品的温度及浓度测试。