超分辨显微成像技术经过了几十年的发展,已经提出了相当多的方法与手段。但是在生物显微成像领域,主流的超分辨方法,例如电子显微镜、近场显微镜或荧光显微成像方法等,都具有明显的缺陷,难以同时满足高分辨、无标记、无毒无损伤等多个条件。相干反斯托克斯拉曼散射（Coherent Anti-Stokes Raman Scattering,CARS）技术作为一种探测分子振动状态的非线性方法,能够同时得到聚焦元内多种物质的信息,并且无需外源标记,是一种非常适合于活体样品检测的方法。在近几年中,出现了许多种基于CARS的超衍射极限成像理论,但是能够通过实验验证的却并不多。在本论文中,在CARS的基础上对超分辨显微成像方法进行了一定的探索,首先,对附加探测光声子耗尽技术（Additional Probe-beam-induced Phonon Depletion,APIPD）进行了相关实验验证,设计并进行了声子的耗尽实验和竞争实验,基于试验结果,对该方法的可行性进行了讨论;然后,在文章中首次提出了一种用于提高轴向分辨率的方法——基于双螺旋函数改造的CARS轴向超分辨技术（CARS using Double-helix point Engineering,CARS-DH）,并在此基础上进行了模拟和光学系统设计等相关工作。具体的研究工作如下:1.为了验证APIPD的可行性,我们首先搭建了三色CARS探测系统。系统使用中心波长1064nm的光纤激光器,泵浦光子晶体光纤和非线性晶体作为激发光源,然后编写了相关的Lab View自动控制程序。最终,结合时间延迟的方法,获得了苯甲腈溶液的无背景CARS信号,以及CARS信号与探测光的光功率之间的关系。2.在理论上,两种中心波长不同的探测光产生不同的CARS信号,由于在时序上存在先后顺序,会产生信号竞争和耗尽的现象,因此在三色CARS系统的基础上,设计并增加了产生附加探测光的光路,完成了四色CARS系统的搭建。其中,附加的探测光是利用PPLN晶体的非线性效应产生的中心波长808nm的脉冲,基于全自动的Labview控制程序完成对脉冲时序的控制,进行了一系列的验证性试验,讨论了APIPD理论的可能性。3.提出了基于双螺旋点扩展函数改造（Double-helix Point Spread Function,DH-PSF）的轴向超分辨CARS理论,并完成了前期的模拟工作,包括相位板的设计、单分子的CARS-DH信号、以及z轴的标定。此外,在文中提出了两种基于CARS-DH的系统设计,分别是基于光学参量振荡器的频率扫描的宽带CARS信号探测光路,以及使用光纤束作为探测器的探测光路,后者能够同时完成宽带光谱测量、横向和轴向的高分辨率、以及高速探测的三个目的。本论文工作的创新点:1.在已提出的APIPD的理论基础上,搭建了三色和四色CARS竞争系统,先后进行了信号饱和、信号竞争与伪竞争等相关的验证性试验,基于实验数据对于APIPD的方法进行了探讨。2.首次提出了一种基于点扩展函数改造工程的CARS轴向超分辨方法CARS-DH,这种方法不仅拥有CARS技术本身所具有的优点,还能够获得轴向的超分辨信息。我们根据该方法进行了初步的模拟,并提出了两种基于CARS-DH的显微成像系统。