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锁相放大器用于生物样品双通道和多仪器模式SRS显微技术的研究

上海昊量光电设备有限公司 2023-06-05 16:41:32 97  浏览
  • 锁相放大器用于生物样品双通道和多仪器模式SRS显微技术的研究


    一.简介 

    拉曼散射光谱为生物分子的特异性检测和分析提供了化学键的固有振动指纹。那么什么是受激拉曼散射显微镜?受激拉曼散射(SRS)显微技术是一种相对较新的显微技术,是一种相干拉曼散射过程,允许使用光谱和空间信息进行化学成像[18],由于相干受激发射过程[1]能产生约103-105倍的增强拉曼信号,可以实现高达视频速率(约25帧/s)[2]的高速成像。SRS显微镜继承了自发拉曼光谱的优点, 是一种能够快速开发、label-free的成像技术,同时具有高灵敏度和化学特异性[3-6], 在许多生物医学研究的分支显示出应用潜力,包括细胞生物学、脂质代谢、微生物学、肿瘤检测、蛋白质错误折叠和制药[7-11]。特别的是,SRS在对新鲜手术组织和术中诊断的快速组织病理学方面表现出色,与传统的H&E染色几乎完全一致[12,13]。此外,SRS能够根据每个物种的光谱信息,对多种组分的混合物进行定量化学分析[6,7,14]。


    尽管在之前的研究[17]中已经研究了痛风中MSU的自发拉曼光谱,但微弱的信号强度阻碍了其用于快速组织学的应用。因此,复旦大学附属华山医院华英汇教授 和复旦大学物理学系季敏标教授团队将受激拉曼散射显微技术用于人体痛风组织病理成像[15]。研究人员应用SRS和二次谐波(SHG)显微镜同时表征了晶型和非晶型MSU。在普通光镜下,MSU晶体呈典型的针状。这些晶体在拉曼峰630 cm-1的SRS上很容易成像,当SRS频率稍微偏离振动共振时,表现出了高化学特异性的非共振行为,SRS信号消失。已知SHG对非中心对称结构敏感,包括MSU晶体和[17]组织中的胶原纤维。然而,由于拉曼极化率张量和二阶光学磁化率对晶体对称性[16]的依赖,研究者们发现线偏振光光束在晶体取向上倾向于产生SRS和SHG的强各向异性信号。因此,研究者们对泵浦光束和斯托克斯光束都应用了圆偏振,以消除MSU晶体和胶原纤维的定向效应。


    Moku:Pro 的锁相放大器 (LIA) 为受激拉曼散射 (SRS) 显微镜实验中的自外差信号检测提供了一种直观、精确且稳健的解决方案。高质量的 LIA 是 SRS 显微镜实验中具有调制传输检测方案的关键硬件组件。在此更新的案例研究中,我们提供了有关双 LIA 应用程序的更多详细信息和描述。


    由于SRS 是一种相干拉曼散射过程,允许使用光谱和空间信息进行化学成像[18]。它使用两个同步脉冲激光器,即泵浦和斯托克斯(图 1)相干地激发分子的振动。当入射到样品上的两束激光的频率差与目标分子的振动频率相匹配时,就会发生 SRS 过程。振动激发的结果是泵浦光束将失去光子,而斯托克斯光束将获得光子。当检测到泵浦光束的损失时,这称为受激拉曼损失 (SRL) 检测。强度损失 ΔIₚ/Iₚ 通常约为 10 -7 -10 -4,远小于典型的激光强度波动。为了克服这一挑战,需要一种高频调制和相敏检测方案来从嘈杂的背景中提取 SRS 信号[19]。在 SRL 检测方案中,斯托克斯光束以固定频率调制,由此产生的调制传输到泵浦光束由 LIA 检测。


    图 1:受激拉曼损耗检测方案。检测到由于 SRS 引起的 Stokes 到泵浦光束的调幅传输。演示的泵浦光束具有 80 MHz 的重复率,Stokes 光束具有相同的 80 MHz 重复率,但也以 20 MHz 进行调制。Δpump 是 LIA 在此检测方案中提取的内容

    二.实验装置


    使用的激光系统能够输出两个 80 MHz 的激光脉冲序列:斯托克斯光束在 1030 nm,泵浦光束在 790 nm。激光输出也用于同步调制:80 MHz 参考被发送到分频器以生成 20 MHz TTL 输出。这些 20 MHz 输出被使用两次:一次作为电光调制器调制斯托克斯光束的驱动频率,另一次作为外部锁相环的 LIA 输入通道 2(B 中)的参考。泵浦光束由硅光电二极管检测,然后被发送到 LIA 的输入通道 1(In A)。来自输出通道 1(Out A)的信号被发送到数据采集卡以进行图像采集。来自输出通道 2 (Out B) 的信号被最小化(通过调整相移)。

     

    2.1 单通道锁相放大器配置



    图 2:典型的锁定放大器配置设置


    图 2 演示了用于 SRS 显微镜实验的 LIA 的初始设置。在初始设置时,必须重新获取锁相环。输入均配置为 AC:50 欧姆。通过调整相位度数优化相移 (Df),直到 Out A zui大化(正值)并且 Out B zui小化(接近零)。探针A显示对应于 DMSO zui高信号峰 (2913 cm-1 ) 的 SRS 信号,并zui大化输出 A 的 103.3 mV。探针B表示正交输出,最小化为零。一旦 LIA 针对校准溶剂进行了优化,样品就可以进行成像了。




    图 3:2930 cm -1拉曼跃迁处的 SRS HeLa 细胞图像


    图 3 是使用 Moku:Pro 锁相放大器拍摄的 HeLa 细胞图像。显示的图像是从 SRS 图像生成的,拉曼位移为 2930cm-1,对应于蛋白质峰。低通滤波器设置为 40 kHz,对应于 约4µs 的时间常数。可以根据SRS信号大小增加或减少增益。


    2.2 双通道成像


    Moku:Pro 的 LIA 也适用于实时双色 SRS 成像。这是通过在 SRS 成像中应用正交调制并检测LIA的X和Y输出来执行的。在这种情况下,斯托克斯调制有两个部分:一个 20 MHz 脉冲序列生成SRS信号,另一个 20 MHz 脉冲序列具有90°相移,生成另一个针对不同拉曼波段的SRS信号[3]。由于90°相移,两个通道(Out A和Out B)彼此正交,可以同时获取两个SRS图像而不会受到干扰。


     4:使用正交调制和输出在两个不同的拉曼跃迁下同时获得鼠脑样本的双通道 SRS 图像


    图 4 是利用双通道X&Y输出同时在2930 cm -1和 2850 cm -1处生成两个 SRS 图像的代表性图像。


    2.3 多仪器模式应用


     在大多数 SRS 显微镜实验中,由于激光器总带宽的限制,光谱范围被限制在大约 300 cm -1左右。绕过这一技术障碍的一种方法是使用可调谐激光器扫描波长。然而,波长调谐速度很慢,而且对于时间敏感的实验(如活细胞成像)来说往往不够。应对这一挑战的另一种解决方案是引入第三束激光束来扫描不同的拉曼过渡区域。这种能力对于两个光谱区域的同时成像特别有吸引力:一个在指纹区域(例如 约1600 cm-1用于酰胺振动)和一个在CH区域(例如 约2900 cm -1蛋白质)。在 SRL 成像方法中,实验装置由一个斯托克斯光束和两个不同波长的泵浦光束组成。此设置的常用检测方法需要单独的检测器和单独的 LIA。然而,Moku:Pro 的多仪器模式允许部署多个LIA,因此可以在不需要任何额外硬件妥协的情况下实施第二个LIA。


    图 5:Moku:Pro 多仪器锁相放大器配置


    图 5 演示了LIA 的多仪器模式设置,用于同步 SRS 显微镜实验。对于Slot 1,In 1是di一个光电二极管的检测信号,In 2是参考信号,Out 1是发送到数据采集卡的信号,Out 3被丢弃。对于 Slot 2,In 3 是第二个光电二极管的检测信号,In 2 再次作为参考,Out 2 是发送到数据采集卡的信号,Out 4 被丢弃。此配置仅使用 4 个 Moku 插槽中的 2 个。插槽 3 和 4 未分配,因此可用于进一步的 LIA 或任何其他 Moku 仪器。输入全部配置为 AC:50 欧姆。每个 LIA 插槽(1 和 2)都遵循与单通道 LIA 配置相同的设置。


    在三个激光器的情况下,Moku:Pro 的多仪器模式可以配置两个锁定放大器,将系统简化为一个设备,而不会有任何妥协。这使得研究人员可以同时拍摄两张波数差较大的 SRS 图像,利用一个 Moku:Pro 来处理两个光电二极管检测器信号。


    图 6:HeLa 细胞 SRS 图像使用多仪器设置在间隔较远的拉曼跃迁处拍摄


    图 6 是利用一个Moku:Pro处理两个光电二极管检测器信号同时拍摄两个大波数差的 SRS 图像的代表性图像。


    三.结论


     Moku:Pro 的 LIA 为大量 SRS 显微镜实验提供了出色的解决方案。在本文档中,讨论了典型的单通道 SRS 成像、双通道成像和多仪器成像。用户界面允许对提取低强度 SRS 信号进行直观和强大的控制。重要的是 Moku:Pro 的多仪器工具功能允许在多仪器同用的紧凑型系统上进行复杂的成像实验。


    图 7:Moku:Pro 在多乐器模式下的使用图像。In 1 和 In 3 分别是插槽 1 和插槽 2 中 LIA 的信号输入。2 中是两个 LIA 插槽的参考。在所示的配置中,Out 1 和 Out 3 是记录的信号,Out 2 和 Out 4 是插槽 1 和 2 的转储信号


    参考文献:

    1.Freudiger CW, Min W, Saar BG, Lu S, Holtom GR, He C. et al. Label-free biomedical imaging with high sensitivity by stimulated Raman scattering microscopy. Science. 2008;322:1857-61

    2.Saar BG, Freudiger CW, Reichman J, Stanley CM, Holtom GR, Xie XS. Video-rate molecular imaging in vivo with stimulated Raman scattering. Science. 2010;330:1368-70

    3.Ji M, Lewis S, Camelo-Piragua S, Ramkissoon SH, Snuderl M, Venneti S. et al. Detection of human brain tumor infiltration with quantitative stimulated Raman scattering microscopy. Sci Transl Med. 2015;7:309ra163

    4.Ji M, Arbel M, Zhang L, Freudiger CW, Hou SS, Lin D. et al. Label-free imaging of amyloid plaques in Alzheimer''s disease with stimulated Raman scattering microscopy. Sci Adv. 2018;4:eaat7715

    5.Cheng JX, Xie XS. Vibrational spectroscopic imaging of living systems: An emerging platform for biology and medicine. Science. 2015;350:aaa8870

    6.Ao JP, Feng YQ, Wu SM, Wang T, Ling JW, Zhang LW. et al. Rapid, 3D Chemical Profiling of Individual Atmospheric Aerosols with Stimulated Raman Scattering Microscopy. Small Methods. 2020;4:1900600

    7.Hu F, Shi L, Min W. Biological imaging of chemical bonds by stimulated Raman scattering microscopy. Nat Methods. 2019;16:830-42

    8.Fu D, Zhou J, Zhu WS, Manley PW, Wang YK, Hood T. et al. Imaging the intracellular distribution of tyrosine kinase inhibitors in living cells with quantitative hyperspectral stimulated Raman scattering. Nat Chem. 2014;6:614-22

    9.Shen Y, Zhao Z, Zhang L, Shi L, Shahriar S, Chan RB. et al. Metabolic activity induces membrane phase separation in endoplasmic reticulum. Proc Natl Acad Sci U S A. 2017;114:13394-9

    10.Bae K, Zheng W, Ma Y, Huang Z. Real-time monitoring of pharmacokinetics of antibiotics in biofilms with Raman-tagged hyperspectral stimulated Raman scattering microscopy. Theranostics. 2019;9:1348-57

    11.Shin KS, Laohajaratsang M, Men S, Figueroa B, Dintzis SM, Fu D. Quantitative chemical imaging of breast calcifications in association with neoplastic processes. Theranostics. 2020;10:5865-78

    12.Ji M, Orringer DA, Freudiger CW, Ramkissoon S, Liu X, Lau D. et al. Rapid, label-free detection of brain tumors with stimulated Raman scattering microscopy. Sci Transl Med. 2013;5:201ra119

    13.Orringer DA, Pandian B, Niknafs YS, Hollon TC, Boyle J, Lewis S. et al. Rapid intraoperative histology of unprocessed surgical specimens via fibre-laser-based stimulated Raman scattering microscopy. Nat Biomed Eng. 2017;1:0027

    14.He R, Liu Z, Xu Y, Huang W, Ma H, Ji M. Stimulated Raman scattering microscopy and spectroscopy with a rapid scanning optical delay line. Opt Lett. 2017;42:659-62

    15.Li B, Singer NG, Yeni YN, Haggins DG, Barnboym E, Oravec D. et al. A point-of-care Raman spectroscopy-based device for the diagnosis of gout and peudogout: comparison with the clinical standard microscopy. Arthritis Rheum. 2016;68:1751-7

    16.Zhang B, Xu H, Chen J, Zhu X, Xue Y, Yang Y, Ao J, Hua Y, Ji M. Highly specific and label-free histological identification of microcrystals in fresh human gout tissues with stimulated Raman scattering. Theranostics 2021; 11(7):3074-3088

    17.Streets AM, Li A, Chen T, Huang Y. Imaging without fluorescence: nonlinear optical microscopy for quantitative cellular imaging. Anal Chem. 2014;86:8506-13

    18.Freudiger, W.; Min, W.; Saar, B. G.; Lu, S.; Holtom, G. R.; He, C.; Tsai, J. C.; Kang, J. X.; Xie, X. S., Label-Free Biomedical Imaging with High Sensitivity by Stimulated Raman Scattering Microscopy. Science 2008, 322 (5909), 1857-1861.

    19.Hill, H.; Fu, D., Cellular Imaging Using Stimulated Raman Scattering Microscopy. Anal. Chem. 2019, 91 (15), 9333-9342.

    20.Figueroa, ; Hu, R.; Rayner, S. G.; Zheng, Y.; Fu, D., Real-Time Microscale Temperature Imaging by Stimulated Raman Scattering. The Journal of Physical Chemistry Letters 2020, 11 (17), 7083-7089.


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锁相放大器用于生物样品双通道和多仪器模式SRS显微技术的研究

锁相放大器用于生物样品双通道和多仪器模式SRS显微技术的研究


一.简介 

拉曼散射光谱为生物分子的特异性检测和分析提供了化学键的固有振动指纹。那么什么是受激拉曼散射显微镜?受激拉曼散射(SRS)显微技术是一种相对较新的显微技术,是一种相干拉曼散射过程,允许使用光谱和空间信息进行化学成像[18],由于相干受激发射过程[1]能产生约103-105倍的增强拉曼信号,可以实现高达视频速率(约25帧/s)[2]的高速成像。SRS显微镜继承了自发拉曼光谱的优点, 是一种能够快速开发、label-free的成像技术,同时具有高灵敏度和化学特异性[3-6], 在许多生物医学研究的分支显示出应用潜力,包括细胞生物学、脂质代谢、微生物学、肿瘤检测、蛋白质错误折叠和制药[7-11]。特别的是,SRS在对新鲜手术组织和术中诊断的快速组织病理学方面表现出色,与传统的H&E染色几乎完全一致[12,13]。此外,SRS能够根据每个物种的光谱信息,对多种组分的混合物进行定量化学分析[6,7,14]。


尽管在之前的研究[17]中已经研究了痛风中MSU的自发拉曼光谱,但微弱的信号强度阻碍了其用于快速组织学的应用。因此,复旦大学附属华山医院华英汇教授 和复旦大学物理学系季敏标教授团队将受激拉曼散射显微技术用于人体痛风组织病理成像[15]。研究人员应用SRS和二次谐波(SHG)显微镜同时表征了晶型和非晶型MSU。在普通光镜下,MSU晶体呈典型的针状。这些晶体在拉曼峰630 cm-1的SRS上很容易成像,当SRS频率稍微偏离振动共振时,表现出了高化学特异性的非共振行为,SRS信号消失。已知SHG对非中心对称结构敏感,包括MSU晶体和[17]组织中的胶原纤维。然而,由于拉曼极化率张量和二阶光学磁化率对晶体对称性[16]的依赖,研究者们发现线偏振光光束在晶体取向上倾向于产生SRS和SHG的强各向异性信号。因此,研究者们对泵浦光束和斯托克斯光束都应用了圆偏振,以消除MSU晶体和胶原纤维的定向效应。


Moku:Pro 的锁相放大器 (LIA) 为受激拉曼散射 (SRS) 显微镜实验中的自外差信号检测提供了一种直观、精确且稳健的解决方案。高质量的 LIA 是 SRS 显微镜实验中具有调制传输检测方案的关键硬件组件。在此更新的案例研究中,我们提供了有关双 LIA 应用程序的更多详细信息和描述。


由于SRS 是一种相干拉曼散射过程,允许使用光谱和空间信息进行化学成像[18]。它使用两个同步脉冲激光器,即泵浦和斯托克斯(图 1)相干地激发分子的振动。当入射到样品上的两束激光的频率差与目标分子的振动频率相匹配时,就会发生 SRS 过程。振动激发的结果是泵浦光束将失去光子,而斯托克斯光束将获得光子。当检测到泵浦光束的损失时,这称为受激拉曼损失 (SRL) 检测。强度损失 ΔIₚ/Iₚ 通常约为 10 -7 -10 -4,远小于典型的激光强度波动。为了克服这一挑战,需要一种高频调制和相敏检测方案来从嘈杂的背景中提取 SRS 信号[19]。在 SRL 检测方案中,斯托克斯光束以固定频率调制,由此产生的调制传输到泵浦光束由 LIA 检测。


图 1:受激拉曼损耗检测方案。检测到由于 SRS 引起的 Stokes 到泵浦光束的调幅传输。演示的泵浦光束具有 80 MHz 的重复率,Stokes 光束具有相同的 80 MHz 重复率,但也以 20 MHz 进行调制。Δpump 是 LIA 在此检测方案中提取的内容

二.实验装置


使用的激光系统能够输出两个 80 MHz 的激光脉冲序列:斯托克斯光束在 1030 nm,泵浦光束在 790 nm。激光输出也用于同步调制:80 MHz 参考被发送到分频器以生成 20 MHz TTL 输出。这些 20 MHz 输出被使用两次:一次作为电光调制器调制斯托克斯光束的驱动频率,另一次作为外部锁相环的 LIA 输入通道 2(B 中)的参考。泵浦光束由硅光电二极管检测,然后被发送到 LIA 的输入通道 1(In A)。来自输出通道 1(Out A)的信号被发送到数据采集卡以进行图像采集。来自输出通道 2 (Out B) 的信号被最小化(通过调整相移)。

 

2.1 单通道锁相放大器配置



图 2:典型的锁定放大器配置设置


图 2 演示了用于 SRS 显微镜实验的 LIA 的初始设置。在初始设置时,必须重新获取锁相环。输入均配置为 AC:50 欧姆。通过调整相位度数优化相移 (Df),直到 Out A zui大化(正值)并且 Out B zui小化(接近零)。探针A显示对应于 DMSO zui高信号峰 (2913 cm-1 ) 的 SRS 信号,并zui大化输出 A 的 103.3 mV。探针B表示正交输出,最小化为零。一旦 LIA 针对校准溶剂进行了优化,样品就可以进行成像了。




图 3:2930 cm -1拉曼跃迁处的 SRS HeLa 细胞图像


图 3 是使用 Moku:Pro 锁相放大器拍摄的 HeLa 细胞图像。显示的图像是从 SRS 图像生成的,拉曼位移为 2930cm-1,对应于蛋白质峰。低通滤波器设置为 40 kHz,对应于 约4µs 的时间常数。可以根据SRS信号大小增加或减少增益。


2.2 双通道成像


Moku:Pro 的 LIA 也适用于实时双色 SRS 成像。这是通过在 SRS 成像中应用正交调制并检测LIA的X和Y输出来执行的。在这种情况下,斯托克斯调制有两个部分:一个 20 MHz 脉冲序列生成SRS信号,另一个 20 MHz 脉冲序列具有90°相移,生成另一个针对不同拉曼波段的SRS信号[3]。由于90°相移,两个通道(Out A和Out B)彼此正交,可以同时获取两个SRS图像而不会受到干扰。


 4:使用正交调制和输出在两个不同的拉曼跃迁下同时获得鼠脑样本的双通道 SRS 图像


图 4 是利用双通道X&Y输出同时在2930 cm -1和 2850 cm -1处生成两个 SRS 图像的代表性图像。


2.3 多仪器模式应用


 在大多数 SRS 显微镜实验中,由于激光器总带宽的限制,光谱范围被限制在大约 300 cm -1左右。绕过这一技术障碍的一种方法是使用可调谐激光器扫描波长。然而,波长调谐速度很慢,而且对于时间敏感的实验(如活细胞成像)来说往往不够。应对这一挑战的另一种解决方案是引入第三束激光束来扫描不同的拉曼过渡区域。这种能力对于两个光谱区域的同时成像特别有吸引力:一个在指纹区域(例如 约1600 cm-1用于酰胺振动)和一个在CH区域(例如 约2900 cm -1蛋白质)。在 SRL 成像方法中,实验装置由一个斯托克斯光束和两个不同波长的泵浦光束组成。此设置的常用检测方法需要单独的检测器和单独的 LIA。然而,Moku:Pro 的多仪器模式允许部署多个LIA,因此可以在不需要任何额外硬件妥协的情况下实施第二个LIA。


图 5:Moku:Pro 多仪器锁相放大器配置


图 5 演示了LIA 的多仪器模式设置,用于同步 SRS 显微镜实验。对于Slot 1,In 1是di一个光电二极管的检测信号,In 2是参考信号,Out 1是发送到数据采集卡的信号,Out 3被丢弃。对于 Slot 2,In 3 是第二个光电二极管的检测信号,In 2 再次作为参考,Out 2 是发送到数据采集卡的信号,Out 4 被丢弃。此配置仅使用 4 个 Moku 插槽中的 2 个。插槽 3 和 4 未分配,因此可用于进一步的 LIA 或任何其他 Moku 仪器。输入全部配置为 AC:50 欧姆。每个 LIA 插槽(1 和 2)都遵循与单通道 LIA 配置相同的设置。


在三个激光器的情况下,Moku:Pro 的多仪器模式可以配置两个锁定放大器,将系统简化为一个设备,而不会有任何妥协。这使得研究人员可以同时拍摄两张波数差较大的 SRS 图像,利用一个 Moku:Pro 来处理两个光电二极管检测器信号。


图 6:HeLa 细胞 SRS 图像使用多仪器设置在间隔较远的拉曼跃迁处拍摄


图 6 是利用一个Moku:Pro处理两个光电二极管检测器信号同时拍摄两个大波数差的 SRS 图像的代表性图像。


三.结论


 Moku:Pro 的 LIA 为大量 SRS 显微镜实验提供了出色的解决方案。在本文档中,讨论了典型的单通道 SRS 成像、双通道成像和多仪器成像。用户界面允许对提取低强度 SRS 信号进行直观和强大的控制。重要的是 Moku:Pro 的多仪器工具功能允许在多仪器同用的紧凑型系统上进行复杂的成像实验。


图 7:Moku:Pro 在多乐器模式下的使用图像。In 1 和 In 3 分别是插槽 1 和插槽 2 中 LIA 的信号输入。2 中是两个 LIA 插槽的参考。在所示的配置中,Out 1 和 Out 3 是记录的信号,Out 2 和 Out 4 是插槽 1 和 2 的转储信号


参考文献:

1.Freudiger CW, Min W, Saar BG, Lu S, Holtom GR, He C. et al. Label-free biomedical imaging with high sensitivity by stimulated Raman scattering microscopy. Science. 2008;322:1857-61

2.Saar BG, Freudiger CW, Reichman J, Stanley CM, Holtom GR, Xie XS. Video-rate molecular imaging in vivo with stimulated Raman scattering. Science. 2010;330:1368-70

3.Ji M, Lewis S, Camelo-Piragua S, Ramkissoon SH, Snuderl M, Venneti S. et al. Detection of human brain tumor infiltration with quantitative stimulated Raman scattering microscopy. Sci Transl Med. 2015;7:309ra163

4.Ji M, Arbel M, Zhang L, Freudiger CW, Hou SS, Lin D. et al. Label-free imaging of amyloid plaques in Alzheimer''s disease with stimulated Raman scattering microscopy. Sci Adv. 2018;4:eaat7715

5.Cheng JX, Xie XS. Vibrational spectroscopic imaging of living systems: An emerging platform for biology and medicine. Science. 2015;350:aaa8870

6.Ao JP, Feng YQ, Wu SM, Wang T, Ling JW, Zhang LW. et al. Rapid, 3D Chemical Profiling of Individual Atmospheric Aerosols with Stimulated Raman Scattering Microscopy. Small Methods. 2020;4:1900600

7.Hu F, Shi L, Min W. Biological imaging of chemical bonds by stimulated Raman scattering microscopy. Nat Methods. 2019;16:830-42

8.Fu D, Zhou J, Zhu WS, Manley PW, Wang YK, Hood T. et al. Imaging the intracellular distribution of tyrosine kinase inhibitors in living cells with quantitative hyperspectral stimulated Raman scattering. Nat Chem. 2014;6:614-22

9.Shen Y, Zhao Z, Zhang L, Shi L, Shahriar S, Chan RB. et al. Metabolic activity induces membrane phase separation in endoplasmic reticulum. Proc Natl Acad Sci U S A. 2017;114:13394-9

10.Bae K, Zheng W, Ma Y, Huang Z. Real-time monitoring of pharmacokinetics of antibiotics in biofilms with Raman-tagged hyperspectral stimulated Raman scattering microscopy. Theranostics. 2019;9:1348-57

11.Shin KS, Laohajaratsang M, Men S, Figueroa B, Dintzis SM, Fu D. Quantitative chemical imaging of breast calcifications in association with neoplastic processes. Theranostics. 2020;10:5865-78

12.Ji M, Orringer DA, Freudiger CW, Ramkissoon S, Liu X, Lau D. et al. Rapid, label-free detection of brain tumors with stimulated Raman scattering microscopy. Sci Transl Med. 2013;5:201ra119

13.Orringer DA, Pandian B, Niknafs YS, Hollon TC, Boyle J, Lewis S. et al. Rapid intraoperative histology of unprocessed surgical specimens via fibre-laser-based stimulated Raman scattering microscopy. Nat Biomed Eng. 2017;1:0027

14.He R, Liu Z, Xu Y, Huang W, Ma H, Ji M. Stimulated Raman scattering microscopy and spectroscopy with a rapid scanning optical delay line. Opt Lett. 2017;42:659-62

15.Li B, Singer NG, Yeni YN, Haggins DG, Barnboym E, Oravec D. et al. A point-of-care Raman spectroscopy-based device for the diagnosis of gout and peudogout: comparison with the clinical standard microscopy. Arthritis Rheum. 2016;68:1751-7

16.Zhang B, Xu H, Chen J, Zhu X, Xue Y, Yang Y, Ao J, Hua Y, Ji M. Highly specific and label-free histological identification of microcrystals in fresh human gout tissues with stimulated Raman scattering. Theranostics 2021; 11(7):3074-3088

17.Streets AM, Li A, Chen T, Huang Y. Imaging without fluorescence: nonlinear optical microscopy for quantitative cellular imaging. Anal Chem. 2014;86:8506-13

18.Freudiger, W.; Min, W.; Saar, B. G.; Lu, S.; Holtom, G. R.; He, C.; Tsai, J. C.; Kang, J. X.; Xie, X. S., Label-Free Biomedical Imaging with High Sensitivity by Stimulated Raman Scattering Microscopy. Science 2008, 322 (5909), 1857-1861.

19.Hill, H.; Fu, D., Cellular Imaging Using Stimulated Raman Scattering Microscopy. Anal. Chem. 2019, 91 (15), 9333-9342.

20.Figueroa, ; Hu, R.; Rayner, S. G.; Zheng, Y.; Fu, D., Real-Time Microscale Temperature Imaging by Stimulated Raman Scattering. The Journal of Physical Chemistry Letters 2020, 11 (17), 7083-7089.


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2023-06-05 16:41:32 97 0
HF2LI双通道数字锁相放大器用于受激拉曼散射显微成像

相干拉曼散射显微术(Coherent Raman Scattering Microscopy)是一类植根于拉曼散射的光学显微成像方法,主要包含相干反斯托克斯拉曼散射(Coherent Anti-StokesRaman Scattering, CARS)和受激拉曼散射(Stimulated Raman Scattering, SRS)两种方法。CARS/SRS 显微术通过探测目标分子特定的振动来提供成像所需的衬度,通过非线性光学过程大大提高了检测的灵敏度,同时本征地具备三维成像能力。CARS 和 SRS 显微术可以对脂类等不易被标记的物质成像,还可以很好地通过选择振动光谱, 对生物体内特定小分子物质如药物等以及生物大分子如核酸、蛋白质等进行无需标记的成像,因此成为极有潜力的活体(in vivo)成像手段。

拉曼散射是发生在光和分子振动能级间的相互作用。在不满足电子能级共振条件的情况下,分子吸收光子的能量不能完成向电子激发态的跃迁,但是可以到达一个中间态,即虚态。处在虚态的分子会迅速向低能态跃迁,同时发射出一个光子,这就是散射过程,发射出的光子就是散射光。如果散射光子和原来的光子频率相同,称之为瑞利散射(Rayleigh Scattering)。如果分子从虚态向下跃迁时,到达比原来能量高的态,散射光的频率将降低,称之为斯托克斯散射(Stokes Scattering);相反,如果终态的能量比初态低,那么散射光的频率将升高,称之为反斯托克斯散射(anti-Stokes Scattering)。斯托克斯与反斯托克斯散射统称为拉曼散射(Raman Scattering)。显然,拉曼散射是光的非弹性散射。拉曼散射的截面(cross section)很小,因此自发拉曼散射的信号强度通常很低。能量在分子振动能级和光子之间发生交换,其大小对应振动能级间距,散射光的频率移动(拉曼位移)也因此与分子振动的频率相同。斯托克斯线与反斯托克斯线在光谱上则相对于入射光的频率对称分布。



受激拉曼散射显微镜的工作原理


自发拉曼散射是分子对光子的一种非弹性散射现象,在这个现象中,散射光子的频率较入射光子相比发生了改变,改变量对应分子内部振动模式的频率,这个现象在1928年由印度物理学家Raman C V发现的。激光出现后,在激光器的激发下,使某些介质的散射过程具有受激性质,这就是受激拉曼散射(SRS)。
如下图所示,采用两束满足共振条件的激光,即泵浦光和斯托克斯光进行激发,SRS过程可在生物组织样品中发生。当泵浦光和斯托克斯光的频率差,与特定分子化学键的振动频率(Ωvib)相等而发生共振耦合时,分子就会从基态跃迁到它的振动激发态。光和分子之间发生能量交换,一个泵浦光子借助分子振动能级的跃迁而转化为了斯托克斯光子。泵浦光发生了受激拉曼损失(stimulated Raman loss, SRL),导致强度降低,同时斯托克斯光发生了受激拉曼增益(stimulated Raman gain, SRG),强度升高。通过一定的技术手段来检测SRL或SRG,即可作为成像的衬度来源。



对泵浦光和探测光都进行电光调制或者声光调制,可以在同一个受激拉曼散射实验装置中,实现相干拉曼散射成像(CARS)和受激拉曼散射成像(SRS)以及通过微弱的调整可实现的双光子吸收光谱(TPA)。如下图则是采用双调制获得拉曼成像的实验装置及成像结果[1]。


[1] Jessica C. Mansfield, George R. Littlejohn, Julian Moger, etc. Label-free Chemically Specific Imaging in Planta with Stimulated Raman Scattering Microscopy, Anal. Chem. 2013, 85: 5055-5063


2019-08-19 17:21:45 473 0
Moku:Lab锁相放大器lock-in用于微弱信号的测量

随着对准确度和精度越来越高的要求,微弱信号检测技术已经在很多领域变得至关重要,特别是在雷达、声纳、通信、工业测量、机械系统的故障分析等领域。一些具体的例子包括材料分析中荧光强度的测量,天文学中卫星信号的接收,以及地震学中地震波形和波速的测量。然而,检测微弱信号是相当具有挑战性的,因为它通常淹没在来自系统本身或来自外部环境的噪声中。在本文中,我们将探讨如何运用Moku锁相放大器从大量背景噪声中恢复弱小信号。

 

锁相放大器通常用于提取非常小的振荡信号,隔离出信号并滤除系统中的大部分不需要的噪声。

 

以下通过简单的位移测量演示锁相放大器如何有效应用于弱信号检测,实验设置如图1所示。激光信号经过调幅后(以10MHz作为调制频率)被物体反射并被光电探测器探测到。物体位移的变化可以通过测量调幅信号的相位来确定。

 

MokuLab同时用于生成调制信号(输出2)和测量光电探测器上检测到的信号(输入1)。

 

1示例实验的光学设置。

 

我们将使用锁相放大器来处理信号,并通过测量从物体反射的调幅信号的相位,进而可以确定其位移。我们通过两个实验来展示锁相放大器的性能,一个检测强信号,另一个检测弱信号。

 

强信号测量

 

首先要了解我们期望从这样的系统测量什么信号,我们首先使用高反射率物体建立一个系统。在这种情况下,我们使用镜子。

 

为了模拟运动物体,将镜子安装在机械平台上,使其与激光器的距离以2Hz的频率正弦移动并且位移为1cm

 

光从镜子反射并在光电探测器上检测到。

 

为了获取强信号产生的强度(以及跟弱信号进行对比),我们可以首先在Moku:示波器上观察10 MHz调制信号。

Moku示波器上测量的强10 MHz信号。

 

2显示了从光电探测器接收到的强烈、易观测的信号。由于信号强且可观察,因此可以直接简单地测量该信号的相位,并推断出镜子的位移变化。以上过程我们也可以通过使用锁相放大器来直接提取相位实现。

 

3为测量强信号Moku锁相放大器设置。

 

3显示了Moku锁相放大器的设置。在这种情况下,调制信号取自内部本机振荡器。然后,本机振荡器将用于解调输入信号以获得输出1上的相位信号。

 

4 Moku锁相放大器测量的相位信号

 

4显示了使用锁相放大器直接测量到的相位变化。正如预期的那样,相位呈现大约2 Hz频率的正弦变化(用于驱动镜子的信号),由此可以看出系统对镜子位移的敏感性。

 

弱信号测量

 

在大多数情况下,物体反射如此大量光线非常罕见。更常见的情况是,光将会在物体上朝许多方向上发生非常扩散的漫反射,导致在光电探测器处接收的光很弱。在这些弱信号系统中,信号的检测不那么明显,需要使用更先进的信号处理技术。

 

为了证明这一点,我们再次设置实验来检测物体位移的变化。然而,这一次,我们使用扩散纸。与镜子不同,从纸张反射的光在朝多方向散射,因而在光电探测器上检测到的微弱光被系统的电子噪声覆盖。该纸再次以2Hz的正弦驱动,并作为模拟信号。

5 Moku示波器测量的10 MHz弱信号

 

我们再次使用Moku:示波器来查看光电探测器检测到的10 MHz调制信号。图5显示了从光电探测器接收的漫反射信号。与镜子的强反射不同,示波器上检测到的信号与噪声无法区分。

 

但是,信号仍然存在,可以使用锁相放大器进行恢复。首先,我们调整输入端增益。在这种情况下,我们在前端选择+48 dB的数字增益。该增益利用数字信号处理的方法增加了信号的强度。在此阶段,信号和噪声都增加,导致无SNR(信噪比)变化。

 

为测量弱信号Moku锁相放大器设置

 

现在该信号已经被调整到了锁相放大器的动态范围内,从而我们可以进一步消除噪声。这个可以通过调整锁相放大器中的低通滤波器参数来完成。在这种情况下,将滤波器调整为7 Hz - 刚好高于2 Hz注入信号。这将从测量中消除尽可能多的噪声。图6显示了Moku锁相放大器参数的设置。结果如图7所示。

7 Moku锁相放大器测量的相位信号。

 

我们看到,该信号可以在测量中被清楚地观察到。对于测量中仍然存在的一些噪声,并且可以通过降低低通滤波器截止频率来进一步优化,从而消除更多噪声。总之,该实验表明通过调整Moku锁相放大器的一些关键参数,我们能够检测出扩散物体的位移。


 Moku:Lab 锁相放大器规格参数

 


概要



Moku:Lab数字锁相放大器支持双相解调(XY/RØ)频率范围DC-200MHz,动态储备高达100 dB。同时集成来双通道示波器和数据记录器,可以高达500 MSa/s采样率实时观测信号,并可以高达1MSa/s速率记录数据。

 

主要特点

 

·     优于80 dB动态储备

·     直观的数字信号处理示意框图

·     内置探测点用于信号监测和数据记录

·     支持内部和外部解调模式,包括PLL(锁相环)

·     双相解调

·     可切换矩形(X/Y)或极坐标(R/ θ

·     内置PID控制器

 

典型参数

 

·     解调频率范围:1 mHz 200 MHz

·     频率分辨率:3.55 μHz

·     相移精度:0.001°

·     输入增益:-20 dB / 0 dB / + 24 dB / + 48 dB

·     输入阻抗:50 Ω / 1 MΩ

·     可调时间常数:40 ns 0.6 s

·     滤波器滚降斜率:6 dB/12 dB 倍频程

·     输出增益范围:± 80 dB

·     本机振荡器输出频率高达200 MHz,可调振幅

·     超快数据采集:快照模式高达500 MS/s,连续采集高达1MS/s

 

除了锁相放大器,Moku:Lab还免费集成了示波器、频谱分析仪、波形发生器、相位表、数据记录器、激光锁频/稳频、PID控制器、波特分析仪、数字滤波器、任意波形发生器、FIR滤波器生成器十二个专业仪器功能于一台设备。凭借功能强大的iPad APPLabVIEWPythonMATLAB等软件,您随时可以在iPad平板或PC电脑端随意的控制和使用这12个专业测量仪器。


2019-08-19 17:23:48 574 0
Moku:Lab锁相放大器lock-in用于微弱信号的测量

随着对准确度和精度越来越高的要求,微弱信号检测技术已经在很多领域变得至关重要,特别是在雷达、声纳、通信、工业测量、机械系统的故障分析等领域。一些具体的例子包括材料分析中荧光强度的测量,天文学中卫星信号的接收,以及地震学中地震波形和波速的测量。然而,检测微弱信号是相当具有挑战性的,因为它通常淹没在来自系统本身或来自外部环境的噪声中。在本文中,我们将探讨如何运用Moku锁相放大器从大量背景噪声中恢复弱小信号。

 

锁相放大器通常用于提取非常小的振荡信号,隔离出信号并滤除系统中的大部分不需要的噪声。

 

以下通过简单的位移测量演示锁相放大器如何有效应用于弱信号检测,实验设置如图1所示。激光信号经过调幅后(以10MHz作为调制频率)被物体反射并被光电探测器探测到。物体位移的变化可以通过测量调幅信号的相位来确定。

 

MokuLab同时用于生成调制信号(输出2)和测量光电探测器上检测到的信号(输入1)。

 

1示例实验的光学设置。

 

我们将使用锁相放大器来处理信号,并通过测量从物体反射的调幅信号的相位,进而可以确定其位移。我们通过两个实验来展示锁相放大器的性能,一个检测强信号,另一个检测弱信号。

 

强信号测量

 

首先要了解我们期望从这样的系统测量什么信号,我们首先使用高反射率物体建立一个系统。在这种情况下,我们使用镜子。

 

为了模拟运动物体,将镜子安装在机械平台上,使其与激光器的距离以2Hz的频率正弦移动并且位移为1cm

 

光从镜子反射并在光电探测器上检测到。

 

为了获取强信号产生的强度(以及跟弱信号进行对比),我们可以首先在Moku:示波器上观察10 MHz调制信号。

Moku示波器上测量的强10 MHz信号。

 

2显示了从光电探测器接收到的强烈、易观测的信号。由于信号强且可观察,因此可以直接简单地测量该信号的相位,并推断出镜子的位移变化。以上过程我们也可以通过使用锁相放大器来直接提取相位实现。

 

3为测量强信号Moku锁相放大器设置。

 

3显示了Moku锁相放大器的设置。在这种情况下,调制信号取自内部本机振荡器。然后,本机振荡器将用于解调输入信号以获得输出1上的相位信号。

 

4 Moku锁相放大器测量的相位信号

 

4显示了使用锁相放大器直接测量到的相位变化。正如预期的那样,相位呈现大约2 Hz频率的正弦变化(用于驱动镜子的信号),由此可以看出系统对镜子位移的敏感性。

 

弱信号测量

 

在大多数情况下,物体反射如此大量光线非常罕见。更常见的情况是,光将会在物体上朝许多方向上发生非常扩散的漫反射,导致在光电探测器处接收的光很弱。在这些弱信号系统中,信号的检测不那么明显,需要使用更先进的信号处理技术。

 

为了证明这一点,我们再次设置实验来检测物体位移的变化。然而,这一次,我们使用扩散纸。与镜子不同,从纸张反射的光在朝多方向散射,因而在光电探测器上检测到的微弱光被系统的电子噪声覆盖。该纸再次以2Hz的正弦驱动,并作为模拟信号。

5 Moku示波器测量的10 MHz弱信号

 

我们再次使用Moku:示波器来查看光电探测器检测到的10 MHz调制信号。图5显示了从光电探测器接收的漫反射信号。与镜子的强反射不同,示波器上检测到的信号与噪声无法区分。

 

但是,信号仍然存在,可以使用锁相放大器进行恢复。首先,我们调整输入端增益。在这种情况下,我们在前端选择+48 dB的数字增益。该增益利用数字信号处理的方法增加了信号的强度。在此阶段,信号和噪声都增加,导致无SNR(信噪比)变化。

 

为测量弱信号Moku锁相放大器设置

 

现在该信号已经被调整到了锁相放大器的动态范围内,从而我们可以进一步消除噪声。这个可以通过调整锁相放大器中的低通滤波器参数来完成。在这种情况下,将滤波器调整为7 Hz - 刚好高于2 Hz注入信号。这将从测量中消除尽可能多的噪声。图6显示了Moku锁相放大器参数的设置。结果如图7所示。

7 Moku锁相放大器测量的相位信号。

 

我们看到,该信号可以在测量中被清楚地观察到。对于测量中仍然存在的一些噪声,并且可以通过降低低通滤波器截止频率来进一步优化,从而消除更多噪声。总之,该实验表明通过调整Moku锁相放大器的一些关键参数,我们能够检测出扩散物体的位移。


 Moku:Lab 锁相放大器规格参数

 


概要



Moku:Lab数字锁相放大器支持双相解调(XY/RØ)频率范围DC-200MHz,动态储备高达100 dB。同时集成来双通道示波器和数据记录器,可以高达500 MSa/s采样率实时观测信号,并可以高达1MSa/s速率记录数据。

 

主要特点

 

·     优于80 dB动态储备

·     直观的数字信号处理示意框图

·     内置探测点用于信号监测和数据记录

·     支持内部和外部解调模式,包括PLL(锁相环)

·     双相解调

·     可切换矩形(X/Y)或极坐标(R/ θ

·     内置PID控制器

 

典型参数

 

·     解调频率范围:1 mHz 200 MHz

·     频率分辨率:3.55 μHz

·     相移精度:0.001°

·     输入增益:-20 dB / 0 dB / + 24 dB / + 48 dB

·     输入阻抗:50 Ω / 1 MΩ

·     可调时间常数:40 ns 0.6 s

·     滤波器滚降斜率:6 dB/12 dB 倍频程

·     输出增益范围:± 80 dB

·     本机振荡器输出频率高达200 MHz,可调振幅

·     超快数据采集:快照模式高达500 MS/s,连续采集高达1MS/s

 

除了锁相放大器,Moku:Lab还免费集成了示波器、频谱分析仪、波形发生器、相位表、数据记录器、激光锁频/稳频、PID控制器、波特分析仪、数字滤波器、任意波形发生器、FIR滤波器生成器十二个专业仪器功能于一台设备。凭借功能强大的iPad APPLabVIEWPythonMATLAB等软件,您随时可以在iPad平板或PC电脑端随意的控制和使用这12个专业测量仪器。


2019-08-19 17:21:08 431 0
Moku:Lab测量仪中锁相放大器用于激光稳频的相位锁定实验

Moku:Lab可用于使用外差检测和主动反馈来稳定两个激光器的相对频率和相位。

 

考虑以下光学系统,其中主激光器发出的激光与从激光器发出的激光发生干涉,产生频差信号,该频差信号通过光电探测器后转换为差频的电压信号。该频差信号可使用称为偏移锁相技术锁定两个激光器的相对相位,该技术可以使用Moku:Lab多功能测量仪上的锁定放大器。

偏置锁定以一定的偏置频率稳定两个或更多个激光器的相对相位。在原理上类似于锁相环的操作,其主要功能是检测两个振荡器之间的相位误差并更新其中一个振荡器的相位,使得它们的瞬时相位误差为零。

 

Moku:Lab锁相放大器的双相解调器产生的信号与输入信号的相位成比例,该输入信号的相位是相对于偏移频率的参考振荡。误差信号可以路由到专用的PID控制器,以产生控制信号,从而驱动从激光器的频率(或相位)。在大多数情况下,激光的频率可以通过压电换能器(PZT)或电流来控制,也可以使用其他类型的致动器包括电、热和声光调制器,但这里不考虑这些技术。

 

Moku:Lab连接到光学系统

1、 将光电探测器的输出连接到Moku:LabIn 1

2、 Moku:LabOut 1连接到激光器的频率致动器PZT上。您可能希望在Moku:Lab测量仪和激光器之间添加一个低通滤波器,以YZ噪声或提供高于特定频率的额外积分。

 

配置Moku:Lab进行偏移相位锁定

1、 Moku:Lab测量仪的iPad应用程序上启动锁相放大器

2、 按界面右上角的高级设置图标,选择内部解调,将辅助输出设置为本地振荡器,将PID控制器设置为主输出。

3、 界面现在看起来是这样的:

4、 按程序框图左侧的“In 1”图标,配置系统的输入设置(例如,DC耦合,50Ω输入阻抗和0 dB输入增益)

Tip:增益设置用于Z大化输入信号的动态范围。如果输入信号介于60 mVpp1 Vpp之间,请选择0 dB增益。如果信号在5 mVpp60 mVpp之间,请选择+24 dB增益。

 

5、 将内部参考的解调频率设置为所需的偏移频率。Moku:Lab测量仪支持高达200 MHz的偏移频率,但是这个值可能会受到光电探测器带宽的限制。

6、 将低通滤波器截止频率设置为大约100 kHz。该值将根据反馈环路的闭环带宽而变化。

7、 通过点击滤波器下方的蓝色6 dB文本,将滤波器斜率设置为12 dB/octave

8、 将解调器设置为R/θ模式,然后点击蓝色“gate”将相位θ连接到输出output

9、 Z后,根据系统的特定要求配置PID控制器。

您选择的特定增益轮廓线将在很大程度上依赖于多个因素,包括:

(1)     致动器的带宽(例如,对于PZT,可以高达100s of kHz

(2)     致动器的响应速度(例如,对于PZT,可以是MHz/Volt的量级)

(3)     反馈环路中的外部滤波器(例如,Moku:Lab测量仪的DAC输出和致动器输入之间的低通滤波器)

(4)     通过系统的总传播延迟

 

通过测量系统中不同元件的传递函数可以简化调节控制器的增益,对于某些组件(例如滤波器),尽管可以从数据表中查看大多数信息例如以Hz/Volt为单位的致动器带宽和响应度,但是您可以使用Moku:Lab测量仪的伯德分析仪(Bode Analyzer)进行测量。

 

在光电探测器上产生拍频信号

 

为了抵消相位锁定的两个激光器,它们的频率必须首先足够接近,以便当在光电探测器上受到干涉时产生可见的拍频。这实际上可能难以实现,因为激光器通常对温度非常敏感,这意味着当在不同温度下操作时,两个相同的激光器的频率可以相差高达10s of GHz。幸运的是,大多数激光器都具有热致动器,可用于多个GHz的粗调频率控制。该特征可用于将两个激光器的频率调节到光电探测器的带宽内以产生可见的拍频信号。

 

检查两个激光器的频率是否在光电探测器范围内的一种方法是使用Moku:Lab测量仪的频谱分析仪,其允许您观察250 MHz范围内的拍频频率。

 

1、 首先,启动Moku:Lab测量仪上的Spectrum Analyzer仪器并检查光电探测器输出是否连接到Moku:Lab测量仪上的In 1

2、 配置系统的输入设置(例如,DC耦合、50Ω输入阻抗和0 dB输入增益)

3、 将频率跨度设置为250 MHz,将分辨率带宽设置为Min,将Window设置为Hanning。在此配置中,您将能够看到光电探测器带宽内出现的任何拍频信号(假设它小于250 MHz)。

Tip:如果光电探测器的带宽为50 MHz,则应将跨度设置为100 MHz,起始频率为0 Hz,因为它不太可能出现在100 MHz以上。

4、 慢慢调节其中一个激光器的温度。重要的是你不要太快的改变激光器温度,因为热调谐系数超过每°KGHz,并且当你将激光器的频率转得太快,以至于当拍频信号在光电探测器的带宽范围内时,你无法观察到它。

5、 当两个激光器的频率在光电探测器的带宽范围内时,您应该会在频谱分析仪的显示屏上看到一个峰值移动。提高激光温度通常会降低激光频率,因此,如果您一直提高激光温度,那么当拍频信号可见时,应该会看到拍频频率降低。

 

当拍频频率达到0 Hz时,它会突然出现增加。这是因为频谱分析仪是单边的,意味着负拍频频率似乎是正的。

重要的是,拍频频率随温度的升高而降低(反之亦然),因为这表明频率差是正的。如果频率差是负的,则需要反转到PZT的反馈控制信号。

 

6、 当看到拍频信号时,等待激光器温度稳定(可能需要半个小时)才能尝试使用锁相放大器将激光器锁定在一起。

Note:如果没有专门的热控制,两个自由运转的激光器不可能在长时间内保持在彼此的范围内。虽然快速(PZT或电流)致动器会在短期内校正由温度漂移引起的任何频率误差,但它们固有地限制在一定范围内(通常Z好是几百MHz)并且无法校正因温度的随机波动而产生的较大的频率误差。


2019-08-19 17:21:08 457 0
锁相放大器的简单用途?那位高手介绍下。
 
2017-11-23 08:40:48 339 1
SR850锁相放大器代理商-西安安泰测试Agitek

概述

SR850 是一款基于创新 DSP(数字信号处理)架构的数字锁定放大器。相比,SR850 拥有许多显着的性能优势——更高的动态储备、更低的漂移、更低的失真和显着更高的相位分辨率。


信号通道

电压输入单端或差分
灵敏度2nV 至 1V
电流输入10 6或 10 8 V/A
输入阻抗
电压输入10 MΩ + 25 pF,交流或直流耦合
电流输入1 kΩ 到虚拟接地
获得准确度±1 % (±0.2 % 典型值)
噪音1 kHz 时为6 nV/√Hz 1 kHz 时
为 0.13 pA/√Hz (10 6 V/A)
100 Hz 时为 0.013 pA/√Hz (10 8 V/A)
线路过滤器50/60 赫兹和 100/120 赫兹 (Q=5)
CMRR10 kHz 时为 100 dB。
在 10 kHz 以上降低 6 dB/oct
动态储备>100 dB(无前置滤波器)

参考频道

频率范围0.001 Hz 至 102.4 kHz
参考输入TTL 或正弦波(最小 400 mVpp)
输入阻抗1 兆欧,25 pF
相位分辨率0.001°
绝对相位误差<1°
相对相位误差<0.001°
正交性90° ± 0.001°
相位噪声
诠释。参考1 kHz 时 <0.0001° rms
分机。参考1 kHz、100 ms、12 dB/oct 时为 0.005° rms
相位漂移<0.01°/°C,低于 10 kHz,
<0.1°/°C,10 kHz 至 100 kHz
谐波检测2F、3F、... nF 至 102.4 kHz
采集时间(2 个周期 + 5 毫秒)或 40 毫秒,以较大者为准

解调器

稳定
数字输出无漂移
模拟输出对于所有动态储量,<5 ppm/°C
谐波抑制-90 分贝
偏移/扩展±100 % 偏移,扩展至 256×
时间常数10 µs 至 30 ks(6、12、18、24 dB/oct 滚降)。
低于 200 Hz 的同步滤波可用。

内部振荡器

范围1 mHz 至 102.4 kHz
准确性25 ppm + 30 µHz
解析度0.01 % 或 0.1 mHz
(以较大者为准)
失真-80 dBc (f < 10 kHz)
-70 dBc (f > 10 kHz) 在 1 Vrms
振幅0.004 至 5 Vrms 至 10 kΩ
(2 mV 分辨率)
输出阻抗50Ω
幅度精度1%
幅度稳定性50 ppm/°C
输出正弦波和 TTL(都可以锁相到外部参考)
扫地线性和对数

保修一年零件和人工材料和工艺缺陷

输入和输出

接口IEEE-488.2、RS-232 和 Centronics 接口标准。所有仪器功能都可以通过接口进行控制和读取。
X、Y 输出±10 V,以 256 ksamples/s 更新
CH1输出X、R 或迹线 1 至 4 的 ±10 V 输出
CH2输出Y、Θ 或迹线 1 至 4 的 ±10 V 输出
辅助。A/D 输入4 个 BNC 输入,1 mV 分辨率,±10 V
辅助。数模输出4 个 BNC 输出,1 mV 分辨率,±10 V(固定或扫描幅度)
正弦输出内部振荡器模拟输出
TTL 输出内部振荡器 TTL 输出
触发输入TTL 信号启动内部振荡器扫描或触发仪器数据采集(速率为 512 Hz)。
远程前置放大器为可选的 SR550、SR552 和 SR554 前置放大器供电

显示器

屏幕格式单显示器或双显示器
显示数量每个显示屏显示一条迹线。轨迹定义为 A×B/C 或 A×B/C 2,其中 A、B、C 选自 X、Y、R、Θ、X 噪声、Y 噪声、R 噪声、辅助 1 到 4 或频率。
显示类型大型数字读数、条形图、极坐标图或条形图
数据缓冲区64k 数据点。缓冲器可以配置为具有 64k 点的单条迹线、每条 32k 点的 2 条迹线或每条 16k 点的 4 条迹线。
采样率0.0625 Hz 至 512 Hz,外部至 512 Hz

分析功能

平滑5、9、17、21、25 点。(萨维茨基-戈莱)
曲线拟合线性、指数或高斯
计算器算术、三角函数和对数计算
统计数据平均值和标准差

规格

硬拷贝屏幕转储到点阵或 LaserJet 打印机。绘图到 HP-GL 绘图仪(RS-232 或 GPIB)。
数据存储USB驱动器。存储数据和仪器设置(二进制或 ASCII)。屏幕可以保存为 PCX 文件。
功率60 瓦,100/120/220/240 伏交流电,50/60 赫兹
尺寸17" × 6.25" × 19.5" (WHL)
重量40 磅。
保修

以上内容由西安安泰测试分享,如在选型/测试过程中有任何问题咨询安泰测试,安泰测试国内测量仪器综合服务商http://www.agitek.com.cn/chanpin-s-162-2028.html

2022-11-28 20:26:25 107 0
什么是斩波器?跟锁相放大器有什么关系?
锁相放大器的国内的一些现状!比较急!谢谢了!... 锁相放大器的国内的一些现状! 比较急!谢谢了! 展开
2016-12-01 04:40:30 729 1
【新品发布】Moku:Go 仪器套件新增数字滤波器、FIR滤波器生成器、锁相放大器功能

【新品发布】Moku:Go 仪器套件新增数字滤波器、FIR滤波器生成器、锁相放大器功能


Moku:Go提供全面的便携式实验室解决方案,不仅集成了工程实验教学所需的仪器套件,还可满足工程师和学生测试设计、研发等项目。Liquid Instruments蕞新发布Moku:Go应用程序,新增数字滤波器、FIR滤波器生成器、锁相放大器三个仪器功能。用户现在可以使用数字滤波器来创建IIR滤波器,使用FIR滤波器生成器来设计FIR滤波器,使用锁相放大器从噪声环境中提取已知频率的信号。

这一更新使Moku:Go上集成的仪器总数达到了11种,将面向信号与系统等方向提供更完善的实验教学方案,不仅使电子信息工程、电气工程、自动化控制等学科教学进一步受益,并扩展到物理学、计算机科学等领域。


数字滤波器

数字滤波器作为设计和创建无限冲激响应(IIR)滤波器的常用工具,用户能够创建参数可调的高达8阶的低通、高通、带通和带阻IIR滤波器。这对噪声过滤、信号选择性放大等很有用。此外,Moku:Go的数字滤波器还集成示波器和数据记录器,有助于解整个信号处理链的参数变化,并轻松采集记录这些信号随时间的变化。 


FIR滤波器生成器

利用Moku:Go的FIR滤波器生成器,用户可以创建和部署有限冲激响应(FIR)滤波器。使用直观的用户界面,在时域和频域上微调您的滤波器的响应。


锁相放大器

作为第yi个在教育平台上提供的全功能锁相放大器设备,Moku:Go的锁相放大器满足更高级实验教学,如激光频率稳定和软件定义的无线电(Software Defined Radio,SDR)等。作为Liquid Instruments的Moku:Lab和Moku:Pro的旗舰仪器,Moku:Go增加了锁相放大器,使学生在其职业生涯中与Moku产品一起成长。


其他更新和即将推出功能

在此次更新中,Moku:Go也新增了对LabVIEW应用接口的支持,确保用户易于集成到更复杂的现有实验装置中。

今年,Liquid Instruments计划进一步扩大软件定义的测试平台。届时,Moku:Go将在现有的逻辑分析仪仪器上增加协议分析,还将提供“多仪器并行模式”和“Moku云编译(Cloud Compile)”。多仪器模式允许同时部署多个仪器,以建立更复杂的测试配置,而Moku云编译使用户能够直接在Moku:Go的FPGA上开发和部署自定义数字信号处理。这些更新预计将在今年6月推出,将推动Moku:Go成为整个STEM教育课程的主测试和测量套件。

目前Moku:Go的用户已经可以通过更新他们的Moku桌面应用程序来访问数字滤波器、FIR滤波器生成器和锁相放大器仪器功能。您也可以联系我们免费下载Moku桌面应用程序体验Moku:Go仪器演示模式。

Liquid Instruments基于FPGA的平台的优势,将Moku:Lab和Moku:Pro上的仪器快速向下部署到Moku:Go上,并以可接受的成本提供一致的用户体验。如果您对Moku:Go 在数字信号处理、信号与系统、控制系统等教学方案感兴趣,请联系昊量光电进一步讨论您的应用需求。


更多详情请联系昊量光电/欢迎直接联系昊量光电

关于昊量光电:

上海昊量光电设备有限公司是国内知名光电产品专业代理商,代理品牌均处于相关领域的发展前沿;

产品包括各类激光器、光电调制器、光学测量设备、精密光学元件等,涉及应用领域涵盖了材料加工、光通讯、生物医疗、科学研究、国防及更细分的前沿市场如量子光学、生物显微、物联传感、精密加工、激光制造等;可为客户提供完整的设备安装,培训,硬件开发,软件开发,系统集成等优质服务。



2022-03-23 15:08:46 234 0
求斩波器和双相数字锁相放大器的海关编码 HS code,急,谢谢!
如题... 如题 展开
2013-09-26 05:37:19 471 2
【邀请函】锁相放大器工作原理及应用和Moku产品介绍网络研讨会

昊量光电邀您参加2022年01月19日锁相放大器工作原理及应用和Moku产品介绍网络研讨会。

由Liquid Instruments研发的Moku系列多功能综合测量仪器在量子光学、超快光学、冷原子、材料科学和纳米技术等领域都有着广泛

的应用,尤其是他的锁相放大器、PID控制器和相位表、激光器稳频功能,单一设备满足实验室多种测量、控制应用需求。在本次网络

研讨会中,您将了解到锁相放大器的基本原理及应用,并提供对应的信号的检测方案介绍。

主办方

上海昊量光电设备有限公司,Liquid Instruments


会议主题

锁相放大器工作原理及应用和Moku产品介绍


会议内容

1. 锁相放大器的基本原理

2. 锁相放大器在光学领域的重要应用方向-测量信号振幅(强度)以及相位

3. 如何设置锁相放大器的调制频率和时间常数

4. 应用介绍:超快光谱和锁相环/差频激光锁频

5. 如何通过锁相环来解决锁相放大器测相位时的局限性

6. 问题环节


主讲嘉宾

应用工程师:Fengyuan (Max) Deng, Ph.D.

简介:普渡大学化学博士学位,主要研究非线性光学显微成像方向。

应用工程师:Nandi Wuu, Ph.D.

简介:澳洲国立大学工程博士学位,主要研究钙钛矿太阳能电池。


直播活动

1.研讨会当天登记采购意向并在2022年第一季度内采购的客户,可获赠Moku:Go一台!其中采购Pro还可加赠云编译使用权限一年。                                                                                                                      2.扫码联系下方产品负责人,转发微信文章即可获得礼品一份。


直播时间:2022年01月19日

报名方式

扫码报名

报名成功!开播前一周您将收到一封确认电子邮件,会详细告知如何参加线上研讨会。


期待您的参与,研讨会见!

如有产品问题咨询,可联系许工131 2213 4000(微信同号)


2021-12-29 14:20:30 285 0
低场核磁技术用于橡胶老化研究

低场核磁技术用于橡胶老化研究

橡胶老化现象

由于橡胶制品的使用越来越频繁,橡胶产品在多数人的印象中是性能优异且各方面使用体验都很好,许多老客户也慢慢感觉到橡胶制品老化的现象,橡胶制品为什么会出现老化现象。

橡胶产品为什么会出现老化?

橡胶树脂的粘合性比许多橡胶都要高,但橡胶同其它橡胶一样,也会发生老化现象,由于内部分子链断裂,使橡胶的性能发生了很大的变化。对于橡塑制品来说,橡胶产品危害蕞大的就是紫外线,紫外线会直接导致橡胶分子链的断裂,这是因为橡胶制品可吸收光能使橡胶内产生自由分子。

 

橡胶产品老化的原因主要有以下三点:

1. 经常有高温或高温环境。高温度会加速橡胶材料的氧化环境,从而导致老化。

2. 化学因素。归根结底,橡胶材料是一种化学物质,有些化学因素会加速其老化。

3. 臭氧。硅材料很怕臭氧,会使橡胶制品的性能迅速下降,老化得很快。

橡胶老化的试验方法:

橡胶老化是橡胶性能受损的主要原因之一。由于产品的配方和使用条件各异,老化历程快慢不一,所以,需要通过检测技术对橡胶样品进行测试,以评定橡胶老化的程度及其对性能的影响。低场核磁技术可用于橡胶老化检测。

低场核磁技术研究橡胶老化基本原理:

纽迈VTMR系列低场核磁共振分析仪

低场核磁共振技术是通过测定恒定磁场强度下样品中1H的弛豫时间,从而获得分子结构动态信息的方法。其基本原理是通过施加射频脉冲给予处于恒定磁场中的样品,使氢质子发生共振,质子所吸收的射频波能量以非辐射的方式释放后返回到基态,此过程被称为弛豫过程。弛豫又可分为横向弛豫和纵向弛豫,样品内部氢质子所处物理化学环境及存在状态决定了弛豫时间的长短。从物理机制上,核磁弛豫过程是自旋氢原子核与环境之间通过相互作用进行能量交换的过程。核磁共振是自旋不为零的原子在静磁场中被磁化后,与特定射频场产生共振吸收现象,吸收射频脉冲能量后自旋核与周围物质相互作用,释放能量,并恢复初始状态过程。

橡胶老化是交联体系发生变化的综合过程,核磁共振的弛豫机制对这种变化具有高敏感性,其主要表现为横向弛豫时间T2随反应时间延长的规律性变化。因此通过研究老化过程中橡胶样品的弛豫时间变化规律及其与老化性能的关系,就可以间接评估橡胶老化的特性。

2023-01-11 16:28:57 155 0
显微技术的应用
 
2018-11-11 09:15:23 316 0
Moku:Lab多功能测量仪之锁相放大器(Lock-in Amplifier)介绍

Moku:Lab多功能测量仪之200MHz锁相放大器可用于探测被噪声掩埋的微弱电压信号。直观的用户界面允许用户使用整个框图中的探针点(probe points)精确配置系统并监控其性能。



主要特色
1、数字信号处理的方框图视图,内置探针点(probe points),用于信号的监测。
2、解调信号的频率高达200 MHz
3、测量被噪声淹没的信号,动态储备超过80 dB。

Moku:Lab多功能测量仪之200MHz锁相放大器视频展示

Moku:Lab多功能测量仪之锁相放大器的应用案例



Moku:Lab多功能测量仪之锁相放大器的规格参数

Signal channel

Input characteristics

Input frequency range

1kHz - 200MHz

Input voltage range

±0.5 V into 50Ω

Input impedance

50Ω/1MΩ

Input coupling

AC/DC

Demodulator

Sources

Internal Reference oscillator,   Internal Auxiliary oscillator, External direct, External with phase-locked   loop

Types

Internal, External with PLL: Sine   (In-phase)/Cosine (Quadrature)

External direct: Sine (In-phase)

Input gain2

-20 dB/0 dB/+24 dB/+48 dB

Filter mode

Low-pass filter

Filter cut-off frequency range

237 mHz - 3.98 MHz

Filter time-constant

251 ns - 4.219 s

Filter slope

6 dB or 12 dB per octave

Phase shift precision

0.001°

Gain accuracy

±1%

Dynamic reserve

Better than 80 dB

PLL frequency range

2 MHz - 200 MHz

PLL bandwidth

10 kHz


Reference oscillator

Reference and Auxiliary oscillators

Waveform

Sine

Frequency range

1 mHz - 200 MHz

Frequency resolution

3.55μHz

Distortion

<-70 dBc for frequencies lower than   10 kHz

<-60 dBc for frequencies greater   than 10 kHz

2+24 dB and +48 dB input gains are applied digitally and can be used to maximise the Lock-In Amplifier’s dynamic range for weak input signals.

 

Signal output

Output routing

Output sources

X, Y (cartesian mode); R,Θ(polar   mode); Auxiliary Oscillator

Output processing

Direct, PID3

Number of output channels

2

Polar-mode

0.8 V per cycle

Gain profiles

Proportional (P), integral (I),   differential (D), integral saturation (IS), differential saturation (DS)

Controller frequency range

100 mHz - 10 MHz

Proportional gain

±60 dB

Integrator crossover frequency

1.00 Hz to 100 kHz

Differentiator crossover frequency

10 Hz to 1 MHz

Signal output

Output voltage range (peak AC + DC)

±0.5 mV to ±1 V into 50Ω

Gain range

-80 dB to +80 dB


Saving Data

Saving data

File formats

Plain text: records data using a   standard CSV format

Binary: records data using a   proprietary LI format for high-speed data logging.

Note: data saved using the LI format must   be converted to plain text using the LI file converter available here:

https://github.com/liquidinstruments/lireader

Maximum sampling rate

1 MSa/s into RAM (format: *.li binary)   (single channel)

500 kSa/s into RAM (format: *.li   binary) (two channels)

100 kSa/s into SD card (format: *.li   binary)

20 kSa/s into RAM/SD card (format:   *.csv)

Note: data saved to the Moku:Lab’s   on-board RAM will be lost when the device is rebooted.

Export modes

SD Card, Dropbox, E-mail and iCloud,   My Files (iOS 11)

Delayed log start time

Up to 240 hours

Log duration

1 second up to 240 hours

3Only one output may have a PID controller routing at a time


2019-08-19 17:24:22 671 0
生物样品预处理,提取次数Z多 多少次
 
2018-11-24 02:57:07 328 0
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2017-02-19 10:21:03 413 1
低场核磁技术用于橡胶抗老化研究

低场核磁技术用于橡胶抗老化研究

橡胶老化现象

由于橡胶制品的使用越来越频繁,橡胶产品在多数人的印象中是性能优异且各方面使用体验都很好,许多老客户也慢慢感觉到橡胶制品老化的现象,橡胶制品为什么会出现老化现象。

橡胶产品为什么会出现老化?

橡胶树脂的粘合性比许多橡胶都要高,但橡胶同其它橡胶一样,也会发生老化现象,由于内部分子链断裂,使橡胶的性能发生了很大的变化。对于橡塑制品来说,橡胶产品危害zui大的就是紫外线,紫外线会直接导致橡胶分子链的断裂,这是因为橡胶制品可吸收光能使橡胶内产生自由分子。

 

橡胶产品老化的原因主要有以下三点:

1. 经常有高温或高温环境。高温度会加速橡胶材料的氧化环境,从而导致老化。

2. 化学因素。归根结底,橡胶材料是一种化学物质,有些化学因素会加速其老化。

3. 臭氧。硅材料很怕臭氧,会使橡胶制品的性能迅速下降,老化得很快。

橡胶老化的试验方法:

橡胶老化是橡胶性能受损的主要原因之一。由于产品的配方和使用条件各异,老化历程快慢不一,所以,需要通过检测技术对橡胶样品进行测试,以评定橡胶老化的程度及其对性能的影响。低场核磁技术可用于橡胶老化检测。

低场核磁技术研究橡胶抗老化基本原理:

纽迈VTMR系列低场核磁共振分析仪

低场核磁共振技术是通过测定恒定磁场强度下样品中1H的弛豫时间,从而获得分子结构动态信息的方法。其基本原理是通过施加射频脉冲给予处于恒定磁场中的样品,使氢质子发生共振,质子所吸收的射频波能量以非辐射的方式释放后返回到基态,此过程被称为弛豫过程。弛豫又可分为横向弛豫和纵向弛豫,样品内部氢质子所处物理化学环境及存在状态决定了弛豫时间的长短。从物理机制上,核磁弛豫过程是自旋氢原子核与环境之间通过相互作用进行能量交换的过程。核磁共振是自旋不为零的原子在静磁场中被磁化后,与特定射频场产生共振吸收现象,吸收射频脉冲能量后自旋核与周围物质相互作用,释放能量,并恢复初始状态过程。

橡胶老化是交联体系发生变化的综合过程,核磁共振的弛豫机制对这种变化具有高敏感性,其主要表现为横向弛豫时间T2随反应时间延长的规律性变化。因此通过研究老化过程中橡胶样品的弛豫时间变化规律及其与老化性能的关系,就可以间接评估橡胶老化的特性。

2023-02-22 15:26:37 133 0
低场核磁技术用于涂料相容性研究

低场核磁技术用于涂料相容性研究

相容性的定义:

相容性是指共混物各组分彼此相互容纳,形成宏观均匀材料的能力。大量的实际研究结果表明,不同聚合物对之间相互容纳的能力,是有着很悬殊的差别的。某些聚合物对之间,可以具有及好的相容性;而另一些聚合物对之间则只有有限的相容性;还有一些聚合物对之间几乎没有相容性。由此,可按相容的程度划分为完荃相容、部分相容和不相容。相应的聚合物对,可分别称为完荃相容体系、部分相容体系和不相容体系。

化工领域相容性

相容性好,是指添加剂(如溶剂、增塑剂等)能长期、稳定、均匀地存在于系统中。相容性不好,液态树脂会出现分层现象。塑料制品的析出物若为固体,称为“喷霜”,若为液体,称为“出汗”,均影响产品质量和外观。

聚合物的相容性

聚合物对之间的相容性,可以通过聚合物共混物的形态反映出来。完荃相容的聚合物共混体系,其共混物可形成均相体系。因而,形成均相体系的判据亦可作为聚合物对完荃相容的判据。

纽迈PQ001系列低场核磁共振分析仪

低场核磁技术用于涂料相容性研究基本原理:

低场核磁法的主要检测对象是氢核(1H),由于聚合物中不同链段上的H所处的周围环境不一致,H的自旋磁矩(核自旋)存在差异。施加射频脉冲后,自旋系统在恢复热平衡状态的过程中表现出来的弛豫行为不同,通过弛豫时间的差异可以体系聚合物的分子动力学信息。而分子分子动力学信息直接与聚合物的交联密度、老化、填充剂相关。

在聚合物种,当两种聚合相互接触,聚合物链彼此相容的情况下,物理交换在T2弛豫过程的时间尺度上通常是缓慢的。由于物理吸附,聚合物链大部分固定化。分子流动性也受到很大限制。通过T2弛豫的变化能非常灵敏的检测到聚合物是否相容。

2023-01-29 21:00:20 156 0

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