相干拉曼散射技术可以克服自发拉曼的局限性，它利用一系列光脉冲来建立和检测激光聚焦内分子系综内的振动相干性。CRS利用两个脉冲的组合，泵浦(ωp)和红移斯托克斯(ωS)，在焦点诱导集体分子振荡。当泵浦频率与斯托克斯频率之差匹配一个特征振动频率，所有分子都被共振激发并同步振动。相对于非相干SR过程，这种振动相干增强了许多数量级的拉曼响应。此外CRS信号以相干光束发射，沿满足CRS过程相位匹配条件的方向传播，且易于被探测器采集。
单频CARS与SRS显微系统
单频CARS/SRS显微镜最具挑战性的部分是激发源，它必须产生两个同步的激光脉冲---泵浦和斯托克斯，需具有以下几点特征：
1. 频率失谐在500和
之间连续变化，以覆盖所有相关的振动跃迁。这意味着至少有一个泵浦/斯托克斯脉冲是广泛可调的。例如，假设一个固定的泵浦波长为800纳米，斯托克斯必须在835
和1110 nm 
。
2. 脉冲持续时间为1 - 2 ps，对应于变换限制脉冲的带宽为
以这种方式匹配压缩相中振动跃迁的典型线宽。这种选择优化了峰值功率和光谱分辨率之间的权衡。最佳脉冲持续时间也可以取决于实验条件，因为已经表明，在某些情况下，
响应是一个与时间相关的函数，因此信号可以对调制光束强度具有非线性依赖关系。
3. 近红外波长，从700到1200 nm，最大限度地减少光损伤，这通常是由于多光子吸收，增加了组织穿透。
4. 高脉冲重复率，10 - 100 MHz量级，最大限度地提高采集速度，同时最小化像素停留时间。
5. 光功率大于每支100 mw，用于补偿传输路程中的损耗，同时达到生物样品允许的最大平均功率水平，即700 nm时10 - 20 mw, 1000 nm时可达100 mw。
上述特征的组合使得CRS显微镜在技术上比其他非线性显微镜技术要求更高，如双光子激发荧光和二次谐波产生(SHG)显微镜，需要一个单一的激发光束。早期大多数CARS显微镜使用了两个独立的电子同步皮秒Ti:sapphire振荡器，导致系统非常庞大和复杂。这很快就被目前单频CRS显微镜中的“金标准”所取代，该标准由皮秒Nd:YVO4振荡器同步泵浦光学参数振荡器(OPO)组成，这种激光系统的复杂性促使人们进行了密集的研究，旨在大幅减少占地面积和价格，同时提高可靠性，其主要是通过光纤格式架构。一类系统是基于飞秒Er:光纤振荡器在1550 nm，播种一对掺铒光纤放大器，其中一个是高度非线性光纤。通过对厚SHG晶体中的两个脉冲序列进行频率倍增和频谱压缩，可以合成775 nm的皮秒固定频率泵浦脉冲和850-1080 nm范围内的可调谐皮秒斯托克斯脉冲。该配置最近已经升级，通过Yb:fiber或Tm:fiber放大来增强Stokes臂的功率。替代方案依赖于皮秒Yb:光纤振荡器与基于光纤的三阶光参量放大器(OPA)或OPO的组合，或直接泵送OPA的高功率飞秒Yb振荡器。
图1
单频CARS和SRS在概念上非常相似，从一种技术切换到另一种技术只需要对光激发路径和检测链进行微小的修改。然而，SRS技术对激光源的额外要求是高频低强度噪声，这是检测小差分信号所必需的。图1显示了用于传输检测的CARS/SRS显微镜的实验设置，通常用于细胞或薄组织切片;对于后向检测，用于厚组织，只使用一个物镜，通过分束器检测信号。泵浦脉冲和斯托克斯脉冲由延迟线同步，由二色镜共线组合，通过扫描单元后由显微镜物镜聚焦在样品上，透射光由一个相似的物镜收集。对于CARS，一系列短通和缺口滤波器选择反斯托克斯光，这是用光电倍增管测量。对于SRS，将高频调制器插入到泵浦光束(用于SRG检测)或斯托克斯光束(用于SRL检测)上，并将由长通(短通)和陷波滤波器序列选择的斯托克斯(泵浦)发送到光电二极管和锁相放大器，后者同步解调并测量SRG (SRL)。原则上考虑到结构的相似性，CARS和SRS信号可以在同一个实验装置上检测到，甚至可以同时检测到。
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