受激拉曼散射显微镜中实现散粒噪声限制检测的优化信噪比

摘要： 我们描述了一套受激拉曼散射（SRS）显微成像系统，该系统采用散粒噪声极限检测技术，适用于广泛的生物相关激光功率范围。通过该系统证明：当未调制光束与调制光束的时间平均功率比为1:2时，SRS散粒噪声极限检测可获得最高信噪比（SNR）。SRS技术中，两束不同波长的激光入射样品，若其能量差匹配分子振动能级，能量即可在光束间转移。通过对其中一束实施振幅调制，可测量该调制向另一束的转移效率——该过程效率直接反映焦域内目标分子数量。结合激光扫描显微技术，该方案可实现亚微米分辨率的快速高灵敏成像。虽然近期技术进步提升了SRS应用灵敏度，但实现散粒噪声极限检测的案例仍属少数。本SRS显微镜的主要噪声源来自未调制检测光束的散粒噪声。在假设光损伤与总激光功率呈线性关系的前提下，最佳信噪比会从信号最强的等功率比（1:1）偏移至1:2功率比。此条件下信噪比最大化且潜在光损伤总功率最小化。相较于1:1功率比，我们在聚苯乙烯微球和秀丽隐杆线虫样本中实现了图像质量提升及8%的信噪比增益。若分析中引入非线性损伤机制，随着非线性损伤阶数增加，最佳功率比将收敛于1:1。