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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

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：

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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。

Moku：Lab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）。

图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。

图2 在Moku示波器上测量的强10 MHz信号。

图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。

图3为测量强信号Moku锁相放大器设置。

图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。

图4 Moku锁相放大器测量的相位信号

图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。

图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。

图6 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。

图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 到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 到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 APP、LabVIEW、Python、MATLAB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。

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。

Moku：Lab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）。

图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。

图2 在Moku示波器上测量的强10 MHz信号。

图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。

图3为测量强信号Moku锁相放大器设置。

图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。

图4 Moku锁相放大器测量的相位信号

图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。

图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。

图6 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。

图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 到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 到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 APP、LabVIEW、Python、MATLAB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。

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。

将Moku:Lab连接到光学系统

1、 将光电探测器的输出连接到Moku:Lab的In 1

2、 将Moku:Lab的Out 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、 从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 mVpp和1 Vpp之间，请选择0 dB增益。如果信号在5 mVpp和60 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°K的GHz，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。

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。

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近几年，随着微加工技术的不断发展，微电子器件的特征尺寸在不断减小，半导体加工向着微型化、集成化和智能化的方向发展，系统的集成度不断增加，运算速度也不断提高，这直接导致了在有限的空间和时间尺度内形成高热流密度。因此，空间微尺度和时间微尺度下的传热规律在当今为电子器件加工领域是主要的一个研究领域。

目前，薄膜材料广泛应用于微电子、光电子、航空航天以及信息技术等领域，从传热学角度来看，热导率、比热、热扩散率等热物性参数对薄膜材料的应用至关重要。在对薄膜材料进行热物性表征时，需要对不同的薄膜材料采用合适的表征手段。当前，对薄膜材料热物性的表征方法有交流量热法、3ω方法、瞬态热发射法、光声法、微桥法、悬膜法、静态法、直流加热法、闪光法、双桥法、光热偏转法等[1]。本文主要介绍利用MFLI数字锁相放大器结合3ω方法测量薄膜的热物性。 

3ω方法测量的原理

3ω法是一种利用测量金属条电压的三次谐波分量来表征薄膜热物性的测试方式。测量示意图如下图1所示，采用MEMS加工工艺将一根几何尺度为微米级别的金属条加工制作在一块体薄膜材料的表面，就形成了测试体材料热导率的基本测试结构，金属条的两端各加工四个焊盘分别作为传感器输出接口和驱动电流的输入接口并通过金丝与外部的测试电路相连接。所加工的金属丝在实验中测试中的作用是既当做加热器（Heater）用又当做温度传感器（Sensor）用，同时需要与待测样品表面保持良好的接触。实验原理主要利用金属条温度随频率变化来确定材料的导热系数。

 
图1 3ω法测量示意图 

对薄膜材料上面的金属条通上角频率为ω的交流电流，金属条会以2ω的频率加热薄膜样品。因为金属条的电阻率随温度的升高而增大，因此，金属条的温度变化会引起金属条阻值的温度变化，该阻值与金属条的温度以2ω的频率变化，该2ω变化的阻值变化与频率为1ω的电流共同作用产生频率为3ω的电压。该3ω的电压信号只与金属条的温度变化有关，用MFLI数字锁相放大器可将该3ω信号提取出来，通过建立合适的传热模型，求解传热方程可以得到该金属条的温度变化。如果改变通电电流频率ω，那么金属条的温度变化振幅也会发生变化，以温度波动振幅为纵坐标，ω为横坐标，则所得到的曲线的斜率与样品的热导率相对应。1ω和3ω谐波信号的变化过程如下图图2所示。

图2 3ω法测量过程中一阶谐波和三阶谐波信号的变化过程 

通过交流电流源向金属条加热器提供驱动电流I，加热电流的频率为ω，即，那么金属条加热器由于焦耳效应会产生加热功率P，其表达式为：

 由上可以看到，金属条加热器在频率为ω的驱动电流的作用下，会产生频率为2ω的热量并加热样品，从而导致金属条加热器的温度升高。同时，由于金属条的电阻会随着温度的升高而变大，从而金属加热器的电阻值也会以2ω频率开始震荡，即：

在已知电流和电阻表达式的情形下，由欧姆定律可以得到金属条加热器上电压的表达式：

由上可见，在频率为ω 的驱动电流和频率为2ω的震荡电阻共同的作用下，产生了频率为3ω的电压，而且3ω电压组分包含了热学信息：

上式中是初始电阻值，dR/dT是电阻随温度的变化率，是基波电压值。

3ω法测试结构的剖面图如下图所示。

假设衬底相对于金属条加热器而言是半无限大的固体，同时将金属条加热器看作理想的线热源，Carslaw和Jaeger[2]给出了r距离的温度波动的精确解，其表达式为，式中r=sqrt(x^2+y^2)，为零阶贝塞尔函数，是热作用深度或扩散热波波长，D是热扩散率，P是加热功率，l是金属条加热器的长度，k是热导率。

当时，得到△T(r)的近似解[3]为：

在实际测试样品的制备过程中，制作无限窄的线热源是不现实的，Cahill等根据半无限大固体表面上存在理想线热源时的温度波动近似解，给出了半无限大固体表面上存在有限宽度的热源时的温度波动近似解[3,4]：

上式中，P/l表示金属条加热膜单位长度的加热功率，k是待测材料的热导率，C是比热容，b是加热膜半宽度，η是常数且对于体态硅一般取值为1.05。从该公式中可以看到，温度波动与衬底热导率及加热频率之间的相互关系，通过测量电压的三次谐波信号来确定△T，然后分别依据上式中的实部和虚部对衬底热导率进行测量。虽然依据虚部可以直接得到衬底的热导率，但是在实际的测量实验中，对实部的测量会更加方便和准确，所以，研究人员通常都选择依据实部对于频率的斜率来间接测量待测薄膜的热导率。对上式的两边做关于ln(2ω)的求导可以得到：

实验中，金属条加热器可以通过采用高精度掩膜版并结合溅射或热蒸发技术来制备，以便确保图形标准而且与样品表面有良好的热接触，从而在后续的数据分析中忽略掉接触热阻，同时也不需要考虑边界热阻及自身热阻的影响。其次由于测试样品的尺寸较小，故可以忽略热辐射的影响。

3ω方法测试的MFLI数字锁相放大器连接示意图

由于3ω实验中待测量的电信号通常在几微伏到几百毫伏，使用锁相放大器可以很容易的精确测量出1ω、2ω、3ω谐波电压值。上述左图中，MFLI数字锁相放大器产生正弦输出电压，通过转换电路后变成电流，施加在金属条加热器上面。该输出电压信号同时作为差分输入信号的参考信号，以便MFLI数字锁相放大器提取1ω、2ω、3ω谐波电压信号。由于MFLI数字锁相放大器只能作为一个电压源使用，而实验需要一个电流源，所以，连接图中的转换电路的作用是把电压源转换为电流源。上述右图中，直流电源为金属条加热器提供恒定的较大电流值，而MFLI数字锁相放大器提供较小的输出电压信号，施加在大电流信号之上作为微扰信号，然后通过锁相放大器来测量1ω、2ω、3ω谐波电压信号。参考精密电阻用来准确判断驱动电流值。

MFLI数字锁相放大器结合MF-MD多体解调器选件，可以同时实现4个谐波信号的测量。在LabOne软件的Lock-in tab下面的Harm中，同时设置1阶、2阶和3阶谐波信号（如下图所示），可以在Plotter中同时观查到这些谐波信号随时间的变化规律。

使用3ω方法测量薄膜材料的热物性，一般需要以下两个前提条件：

（1）薄膜的宽度必须远大于薄膜厚度的同时远小于其热穿透深度，以便待测薄膜在法向上满足一维导热的近似条件，同时待测薄膜的导热系数远小于衬底的导热系数。

（2）薄膜的衬度材料必须满足半无限长的假设，即厚度须远大于通过加热器电流频率所对应的热穿透深度。对于导电薄膜或液体，需要在加热器与薄膜或液体之间添加一层绝缘层。

3ω方法的应用

3ω方法是一种瞬态测量方法，随着锁相放大技术的发展而被不断的拓展和完善。目前，该方法被广泛的应用于体态材料、薄膜材料如氮化硅薄膜、各向异性材料如超薄石墨面、单层纳米薄膜、单根纳米线如单根碳纤维、纳米管材料如碳纳米管、多层薄膜材料、气体、液体等的热物性测量。

结论

基于FPGA芯片的全数字锁相放大器MFLI500k/5M的测量带宽可从DC-500kHz或5MHz，采用差分输入测量的方式可以准确的提取1ω、2ω、3ω谐波信号值。测量的谐波信号可以在Plotter中以曲线的形式实时显示出来。此外，参数扫描工具Sweeper可以在不同的测量频率区间比如70 Hz-100 kHz内以linear形式一次性的测量出各个频率值下的1ω、2ω、3ω谐波信号值。LabOne API应用程序接口如LabVIEW、MATLAB、Python、.NET、C允许您在已有的操作软件界面上集成。

参考文献

[1]邱琳，基于独立型传感器3ω法的微纳材料热输运研究，ZG科学院研究生院（工程热物理研究所），2012:3-7.

[2]Carslaw H S, Jaeger J C, Conduction of heat in solids, Landon: Oxford University Press, 1959

[3]David G. Cahill, Thermal conductivity measuremenωt from 30 to 750K: the 3ω method, Review of Scientific Instruments, 1990, 61 (2): 802-808.

[4]Joseph P F, Scalable routes to efficient thermoelectric materials, Berkeley: University of California, 2010

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

Demodulator

Reference oscillator

Reference and Auxiliary oscillators

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

Signal output

Saving Data

Saving data

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

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。

【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

（1）医院真菌、妇科等常规荧光检测

推荐：MF52-N/MF31+普通显微镜相机MSX1/MC50-S/MS60/MD50等

Ø 数显LED荧光模块，可定制的单色或三色激发，推拉式切换，即开即用

Ø 高数值孔径荧光物镜，高清晰度与高荧光透过率

Ø 可拍摄数字图片，方便出具报告，可合成多色荧光图像

（2）高校、研究所等科研研究，医院癌症复核等高要求检测

推荐：MF53-N/MF43-N + MG100/MG120 + 高灵敏度相机MC50-S/MS23/MSH12

Ø 研究级荧光显微镜机身，具备更好的荧光效果和更强的扩展性能，应对各种需求

Ø 6孔转盘式荧光附件，可按需自主选择激发块，实现对多种荧光染料观测

Ø 可定制双通等特殊滤光片组，实现效率更高的FISH等观察应用需求

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Ø 高灵敏度相机，效率更高得实时反馈动态图像，搭配软件可实现FISH等应用

（4）四家品牌普通显微镜升级荧光观察

推荐：数显荧光模块，或批量定制荧光模块

Ø 可适配四、品牌大部分无限远光学显微镜，高性价比升级荧光观察

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Ø 内置LED荧光光源，可选单色或BGU等三色激发，可选电动切换或四色激发

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来源：https://www.mshot.com/article/1527.html