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基于光强传输方程相位成像的宽场相干反斯托克斯拉曼散射显微背景抑制

郑娟娟 姚保利 邵晓鹏

基于光强传输方程相位成像的宽场相干反斯托克斯拉曼散射显微背景抑制

郑娟娟, 姚保利, 邵晓鹏
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  • 相干反斯托克斯拉曼散射(CARS)显微能够对样品的特殊化学组分进行选择性成像,无需荧光标记,在生物医学领域被广泛应用.然而,传统的CARS图像往往存在非共振背景信号.本文将基于光强传输方程的单光束相位成像技术用于CARS显微成像,来抑制CARS的非共振背景信号.该方法通过记录样品在三个相邻平面上的CARS图像,然后利用光强传输方程获取CARS光场的相位分布,最后利用共振CARS信号和非共振背景信号在相位上的差异,实现了对背景噪声的抑制.该方法无需参考光,通过三次测量可完成CARS的背景噪声抑制,具有良好的应用前景.
      通信作者: 姚保利, yaobl@opt.ac.cn
    • 基金项目: 国家自然科学基金(批准号:61605150,61475187,61575154,61377008)、中央高校基本科研业务费专项资金(批准号:JB160511,XJS16005,JBG160502)、 the “Thringer Ministerium fr Bildung,Wissenschaft und Kultur”(TMBWK,projects:B578-06001,14.90HWP,B714-07037),and the “Carl Zeiss Stiftung” and the Federal Ministry of Education and Research,Germany(FKZ:13N10508)资助的课题.
    [1]

    Chen T, Yu Z L, Zhang X N, Xie X S, Huang Y Y 2011 Sci. China: Chem. 41 1 (in Chinese) [陈涛, 虞之龙, 张先念, 谢晓亮, 黄岩谊 2011 中国科学: 化学 41 1]

    [2]

    Zhang S W, Chen D N, Liu S L, Liu W, Niu H B 2015 Acta Phys. Sin. 64 223301 (in Chinese) [张赛文, 陈丹妮, 刘双龙, 刘伟, 牛憨笨 2015 物理学报 64 223301]

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    Volkmer A, Book L D, Xie X S 2002 Appl. Phys. Lett. 80 1505

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    Krishnamachari V V, Potma E O 2007 J. Opt. Soc. Am. A 24 1138

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    Potma E O, Evans C L, Xie X S 2006 Opt. Lett. 31 241

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    Jurna M, Korterik J P, Otto C, Herek J L, Offerhaus H L 2008 Opt. Express 16 15863

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    Jurna M, Korterik J P, Otto C, Herek J L, Offerhaus H L 2009 Phys. Rev. Lett. 103 043905

    [11]

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    Berto P, Jesacher A, Roider C, Monneret S, Rigneault H, Ritsch-Marte M 2013 Opt. Lett. 38 709

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    Roddier F 1988 Appl. Opt. 27 1223

    [18]

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    McMahon P J, Allman B E, Jacobson D L, Arif M, Werner S A, Nugent K A 2003 Phys. Rev. Lett. 91 145502

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    Bajt S, Barty A, Nugent K A, McCartney M, Wall M, Paganin D 2000 Ultramicroscopy 83 67

    [21]

    Kou S S, Waller L, Barbastathis G, Sheppard C J R 2010 Opt. Lett. 35 447

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    Zuo C, Chen Q, Sun J S, Asund A 2016 Chin. J. Lasers 43 0609002 (in Chinese) [左超, 陈钱, 孙佳嵩, Asund A 2016 中国激光 43 0609002]

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    Frank J, Altmeyer S, Wernicke G 2010 J. Opt. Soc. Am. A 27 2244

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    [28]

    Gao P, Pedrini G, Osten W 2013 Opt. Lett. 38 5204

    [29]

    Gao P, Pedrini G, Zuo C, Osten W 2014 Opt. Lett. 39 3615

    [30]

    Shi K, Li H, Xu Q, Psaltis D, Liu Z 2010 Phys. Rev. Lett. 104 093902

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    Gao P, Pedrini G, Osten W 2013 Opt. Lett. 38 1328

    [32]

    Popescu G, Ikeda T, Goda K, Best-Popescu C A, Laposata M, Manley S, Dasari R R, Badizadegan K, Feld M S 2006 Phys. Rev. Lett. 97 218101

    [33]

    Alexandrov S A, Hillman T R, Gutzler T, Sampson D D 2006 Phys. Rev. Lett. 97 168102

    [34]

    Barty A, Nugent K A, Paganin D, Roberts A 1998 Opt. Lett. 23 817

  • [1]

    Chen T, Yu Z L, Zhang X N, Xie X S, Huang Y Y 2011 Sci. China: Chem. 41 1 (in Chinese) [陈涛, 虞之龙, 张先念, 谢晓亮, 黄岩谊 2011 中国科学: 化学 41 1]

    [2]

    Zhang S W, Chen D N, Liu S L, Liu W, Niu H B 2015 Acta Phys. Sin. 64 223301 (in Chinese) [张赛文, 陈丹妮, 刘双龙, 刘伟, 牛憨笨 2015 物理学报 64 223301]

    [3]

    Volkmer A, Cheng J X, Xie X S 2001 Phys. Rev. Lett. 87 023901

    [4]

    Cheng J X, Book L D, Xie X S 2001 Opt. Lett. 26 1341

    [5]

    Volkmer A, Book L D, Xie X S 2002 Appl. Phys. Lett. 80 1505

    [6]

    Krishnamachari V V, Potma E O 2007 J. Opt. Soc. Am. A 24 1138

    [7]

    Potma E O, Evans C L, Xie X S 2006 Opt. Lett. 31 241

    [8]

    Jurna M, Korterik J P, Otto C, Offerhaus H L 2007 Opt. Express 15 15207

    [9]

    Jurna M, Korterik J P, Otto C, Herek J L, Offerhaus H L 2008 Opt. Express 16 15863

    [10]

    Jurna M, Korterik J P, Otto C, Herek J L, Offerhaus H L 2009 Phys. Rev. Lett. 103 043905

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    Berto P, Gachet D, Bon P, Monneret S, Rigneault H 2012 Phys. Rev. Lett. 109 093902

    [14]

    Berto P, Jesacher A, Roider C, Monneret S, Rigneault H, Ritsch-Marte M 2013 Opt. Lett. 38 709

    [15]

    Zheng J, Akimov D, Heuke S, Schmitt M, Yao B, Ye T, Lei M, Gao P, Popp J 2015 Opt. Express 23 10756

    [16]

    Teague M R 1983 J. Opt. Soc. Am. 73 1434

    [17]

    Roddier F 1988 Appl. Opt. 27 1223

    [18]

    Nugent K A, Gureyev T E, Cookson D F, Paganin D, Barnea Z 1996 Phys. Rev. Lett. 77 2961

    [19]

    McMahon P J, Allman B E, Jacobson D L, Arif M, Werner S A, Nugent K A 2003 Phys. Rev. Lett. 91 145502

    [20]

    Bajt S, Barty A, Nugent K A, McCartney M, Wall M, Paganin D 2000 Ultramicroscopy 83 67

    [21]

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    [22]

    Gorthi S S, Schonbrun E 2012 Opt. Lett. 37 707

    [23]

    Zuo C, Chen Q, Sun J S, Asund A 2016 Chin. J. Lasers 43 0609002 (in Chinese) [左超, 陈钱, 孙佳嵩, Asund A 2016 中国激光 43 0609002]

    [24]

    Teague M R 1982 J. Opt. Soc. Am. 72 1199

    [25]

    Frank J, Altmeyer S, Wernicke G 2010 J. Opt. Soc. Am. A 27 2244

    [26]

    Zuo C, Chen Q, Yu Y, Asundi A 2013 Opt. Express 21 5346

    [27]

    Frankot R T, Chellappa Z 1988 IEEE Trans. Patt. Anal. Mach. Intell. 10 439

    [28]

    Gao P, Pedrini G, Osten W 2013 Opt. Lett. 38 5204

    [29]

    Gao P, Pedrini G, Zuo C, Osten W 2014 Opt. Lett. 39 3615

    [30]

    Shi K, Li H, Xu Q, Psaltis D, Liu Z 2010 Phys. Rev. Lett. 104 093902

    [31]

    Gao P, Pedrini G, Osten W 2013 Opt. Lett. 38 1328

    [32]

    Popescu G, Ikeda T, Goda K, Best-Popescu C A, Laposata M, Manley S, Dasari R R, Badizadegan K, Feld M S 2006 Phys. Rev. Lett. 97 218101

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  • [1] 张赛文, 陈丹妮, 刘双龙, 刘伟, 牛憨笨. 纳米分辨相干反斯托克斯拉曼散射显微成像. 物理学报, 2015, 64(22): 223301. doi: 10.7498/aps.64.223301
    [2] 刘双龙, 刘伟, 陈丹妮, 屈军乐, 牛憨笨. 相干反斯托克斯拉曼散射显微成像技术研究. 物理学报, 2016, 65(6): 064204. doi: 10.7498/aps.65.064204
    [3] 刘伟, 陈丹妮, 刘双龙, 牛憨笨. 超衍射极限相干反斯托克斯拉曼散射显微成像技术及其探测极限分析. 物理学报, 2013, 62(16): 164202. doi: 10.7498/aps.62.164202
    [4] 刘双龙, 刘伟, 陈丹妮, 牛憨笨. 超衍射极限相干反斯托克斯拉曼散射显微成像技术中空心光束的形成. 物理学报, 2014, 63(21): 214601. doi: 10.7498/aps.63.214601
    [5] 侯国辉, 罗腾, 陈秉灵, 刘杰, 林子扬, 陈丹妮, 屈军乐. 双光子荧光与相干反斯托克斯拉曼散射显微成像技术的实验研究. 物理学报, 2017, 66(10): 104204. doi: 10.7498/aps.66.104204
    [6] 尚雅轩, 马健, 史平, 钱轩, 李伟, 姬扬. 铷原子气体自旋噪声谱的测量与改进. 物理学报, 2018, 67(8): 087201. doi: 10.7498/aps.67.20180098
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    [11] 彭亚晶, 孙爽, 宋云飞, 杨延强. 液相硝基甲烷分子振动特性的相干反斯托克斯拉曼散射光谱. 物理学报, 2018, 67(2): 024208. doi: 10.7498/aps.67.20171828
    [12] 于凌尧, 万辉, 刘星, 屈军乐, 牛憨笨, 林子扬, 尹君. 基于超连续光谱激发的时间分辨相干反斯托克斯拉曼散射方法与实验研究. 物理学报, 2010, 59(8): 5406-5411. doi: 10.7498/aps.59.5406
    [13] 曹蓓, 罗秀娟, 司庆丹, 曾志红. 相干场成像四光束相位闭合算法研究. 物理学报, 2015, 64(5): 054204. doi: 10.7498/aps.64.054204
    [14] 曹蓓, 罗秀娟, 陈明徕, 张羽. 相干场成像全相位目标直接重构法. 物理学报, 2015, 64(12): 124205. doi: 10.7498/aps.64.124205
    [15] 张旭苹, 张益昕, 王峰, 单媛媛, 孙振鉷, 胡燕祝. 相位敏感型光时域反射传感系统光学背景噪声的产生机理及其抑制方法. 物理学报, 2017, 66(7): 070707. doi: 10.7498/aps.66.070707
    [16] 刘国忠, 周哲海, 邱钧, 王晓飞, 刘桂礼, 王瑞康. 幅值和相位配准技术及其在光学相干层析血流成像中的应用. 物理学报, 2013, 62(15): 158702. doi: 10.7498/aps.62.158702
    [17] 潘聪, 郭立, 沈毅, 严雪过, 丁志华, 李鹏. 基于界面信号的扫频光学相干层析成像系统相位矫正方法. 物理学报, 2016, 65(1): 014201. doi: 10.7498/aps.65.014201
    [18] 上官紫微, 沈毅, 李鹏, 丁志华. 扫频光学相干层析成像系统的波数校正与相位测量研究. 物理学报, 2016, 65(3): 034201. doi: 10.7498/aps.65.034201
    [19] 王毅, 郭哲, 朱立达, 周红仙, 马振鹤. 基于谱域相位分辨光学相干层析的纳米级表面形貌成像. 物理学报, 2017, 66(15): 154202. doi: 10.7498/aps.66.154202
    [20] 程志远, 李治国, 折文集, 夏爱利. 激光相干场成像散斑噪声复合去噪方法. 物理学报, 2019, 68(5): 054206. doi: 10.7498/aps.68.20181578
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出版历程
  • 收稿日期:  2016-12-17
  • 修回日期:  2017-03-31
  • 刊出日期:  2017-06-05

基于光强传输方程相位成像的宽场相干反斯托克斯拉曼散射显微背景抑制

  • 1. 西安电子科技大学物理与光电工程学院, 西安 710071;
  • 2. 中国科学院西安光学精密机械研究所, 瞬态光学与光子技术国家重点实验室, 西安 710119
  • 通信作者: 姚保利, yaobl@opt.ac.cn
    基金项目: 

    国家自然科学基金(批准号:61605150,61475187,61575154,61377008)、中央高校基本科研业务费专项资金(批准号:JB160511,XJS16005,JBG160502)、 the “Thringer Ministerium fr Bildung,Wissenschaft und Kultur”(TMBWK,projects:B578-06001,14.90HWP,B714-07037),and the “Carl Zeiss Stiftung” and the Federal Ministry of Education and Research,Germany(FKZ:13N10508)资助的课题.

摘要: 相干反斯托克斯拉曼散射(CARS)显微能够对样品的特殊化学组分进行选择性成像,无需荧光标记,在生物医学领域被广泛应用.然而,传统的CARS图像往往存在非共振背景信号.本文将基于光强传输方程的单光束相位成像技术用于CARS显微成像,来抑制CARS的非共振背景信号.该方法通过记录样品在三个相邻平面上的CARS图像,然后利用光强传输方程获取CARS光场的相位分布,最后利用共振CARS信号和非共振背景信号在相位上的差异,实现了对背景噪声的抑制.该方法无需参考光,通过三次测量可完成CARS的背景噪声抑制,具有良好的应用前景.

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