相干反斯托克斯拉曼散射（CARS）显微成像在快速病理学分析、药代动力学等领域展现了极大的应用潜力，然而在成像时产生的非共振背景噪声信号会影响CARS信号的探测。通过调谐波长，可实现在拉曼共振、非共振噪声共存处产生信号，也可实现在仅有非共振噪声处产生信号，两信号相消可以在一定程度上消除非共振背景噪声的影响。文章搭建了基于分离脉冲放大及晶体倍频的波长可调谐掺铒光纤激光系统，通过控制两级放大器的泵浦功率实现了779.1~784.5 nm，777.5~786.1 nm，784.5~790.5 nm的波长调谐，获得了110.8 mW，136 fs的脉冲输出。通过与掺镱激光系统被动同步，可用于CARS成像。

由于塑料工业的发展, 微塑料成为一种主要的环境污染物。 它在自然界中不易降解, 对人类的生存环境及健康都存在不可忽视的潜在危险。 因此, 环境中微塑料的检测和分析, 成为了近年来研究的热点问题。 目前人们大多数采用浮选法、 密度分离法、 离心法等方法提取微塑料, 然后放在显微镜下进行目视观察, 并结合拉曼光谱分析、 傅里叶红外光谱分析、 高光谱成像等方法进行分析鉴别, 这些方法需要较长时间的等待或预处理, 且易受主观因素的影响。 因此提出一种快速、 准确鉴别环境中是否含有微塑料的技术是必要的。 相干反斯托克斯拉曼散射(CARS)光谱成像技术是一种基于化学键振动的非侵入性、 非破坏性且无需特殊标记的实时成像方法, 由此提出使用多通道图像采集(含有白光通道成像及CARS光谱成像)的方法快速、 准确鉴别环境中微塑料的分布。 将直径为10 μm的聚苯乙烯微球掺入到收集的海水及沙子中, 模拟被微塑料污染的海水及沙子, 在不作任何处理的情况下对海水及沙子进行多通道图像采集。 通过多通道图像采集可以快速直观地检测到海水中聚苯乙烯微球的分布。 在对沙子中的聚苯乙烯微球进行多通道图像采集的同时, 采用拉曼光谱检测与之对照。 在拉曼光谱检测中, 聚苯乙烯微球的信号易受沙子荧光信号干扰, 且只有在激光聚焦在聚苯乙烯存在的位置时, 才能检测到微弱的信号。 在多通道图像采集检测中, 可以看到沙子中存在的聚苯乙烯微球, 且采用形态学分析中先腐蚀后膨胀的开运算算法同时结合中值滤波的算法后, 可以实现突出显示聚苯乙烯信号的目的。 多通道图像采集可以在无任何预处理的情况下检测出海水及沙子中的微塑料, 具有快速简便的优势, 对实现环境中微塑料的检测具有一定的潜在应用价值。

相干反斯托克斯拉曼散射(CARS)是一种受激拉曼现象，在显微成像时，存在非共振背景，会导致光谱产生峰位偏移和谱线变形。本文利用飞秒激光作为光源，通过光栅滤波系统产生窄带泵浦光，飞秒激光激发光子晶体光纤产生超连续谱作为斯托克斯光，两束光被调制为圆偏振光后同时激发样品产生CARS光谱。通过模拟计算说明圆偏振光可以有效去除各向异性材料CARS光谱中的非共振背景，从而使CARS光谱具有和自发拉曼相似的谱线形状。聚苯乙烯微球和液晶样品的CARS光谱实验结果与模拟计算基本相符，说明圆偏振是一种有效去除CARS光谱非共振背景的方法。

相干拉曼散射以其无标记、高灵敏、化学特异性等优势，被广泛应用于生物、医学、物理和化学的光谱与成像应用。通过对光场各项参数的调控，从时域、频域、相位、偏振等特性入手，可以解决光谱与成像应用中的实际问题。本文以光场调控原理为主线，综述了相干拉曼散射光谱与成像应用的研究进展。

通过设计实验与分析模型, 研究相干反斯托克斯拉曼散射成像对于样品尺寸小于系统点扩展函数尺寸的情况, 分析相干反斯托克斯拉曼散射图像周围的depth的形成原因。 分析过程首次引入轴向传输动态位移光线(此光线由相干体积元内轴心光线抽象出)对球形或柱形样品直径小于系统点扩展函数横向与轴向尺寸进行建模解析, 对于所建模型定量分析结果表明, 对于样品尺寸小于系统点扩展函数尺寸样品折射率调制了有效作用深度。 Gouy相移只是其表观现象, 是一个伴随性特征, 因为物理学中存在的另一个极端, 当样品尺寸足够小且具有相当的折射率, Gouy相移的作用近似为0, 此时, 样品周围的depth主要与样品的折射率及系统相干层析体积元内有效作用长度有关, 相干反斯托克斯拉曼散射参量信号, 具有自身的波矢匹配条件, 不仅有大小, 有方向, 而且还受到样品自身材料折射率的影响比较明显。 也就是对于参量过程波矢匹配条件是因, Gouy相移是伴随性特征。 自此, 通过相干反斯托克斯拉曼散射间接说明所用的紧聚焦参量信号成像过程, 正是因为波矢匹配条件的存在使二次信号继承了激发光的紧聚焦特性, 而拥有了继承性的Gouy相移, 结合实验结果采用物理学的极端假设表明, Gouy相移不是产生depth的主要原因, 主要原因是样品及周围的环境的折射率与系统相干层析体积元内有效作用长度之间共同作用的结果。 而实验结果与模型定量分析的结果相吻合, 此实验帮我们找到了影响CARS图像样品周围depth的成因机制, 对于其他小尺寸样品的参量成像结果的分析具有一定的借鉴意义。 通过设计实验, 结合定量模型分析, 首次明确造成小尺寸样品CARS图像周围的depth的真正原因, 此抽象模型的拓展性对纳观参量过程的分析具有得天独厚的优势。 抽象出的主能量光线动态位移模型成功分析纳观成像结果表明, 相干作用长度之内有效作用长度及其行进路径的过程论的主因分析方法是研究纳观作用机制的最佳方法。

将超连续谱光纤激光器引入到相干反斯托克斯拉曼散射成像系统，以解决当前相干反斯托克斯拉曼散射成像系统造价昂贵、体积庞大的问题。首先分析了基于超连续谱光源的相干反斯托克斯拉曼散射成像理论及其影响因素；接着搭建了一套基于超连续谱光源的相干反斯托克斯拉曼散射成像系统，并进行了成像性能测试。在物镜、功率、浓度等不同影响因素的情况下，系统测试的实验结果与数值仿真结果具有高度一致性，验证了基于超连续谱光源的相干反斯托克斯拉曼散射成像理论与实验的可行性。