虽然振动光谱是具有化学特异性的光学对比的理想候选者，并提供了荧光标记和染料染色的无标记替代方案，基于红外吸收和自发拉曼散射的显微镜分别受到低空间分辨率和本质微弱信号的限制。相干反斯托克斯拉曼散射(CARS)可以通过提供弱自发拉曼散射信号的相干信号放大数个数量级来克服这些限制。而SRS可以进一步的避免CARS的局限性。
SRS相对于自发拉曼与CARS的优点
SRS是另一种相干拉曼散射(CRS)过程，其激发条件与共振CARS相同。与自发拉曼散射不同，在自发拉曼散射中，样品被一个激发场照亮，SRS中两个激发场在泵浦频率ωp和斯托克斯频率ωs处重合在样品上。如果激发束的差频Δω = ωp−ωs与焦点内分子的振动频率Ω相匹配，即分子跃迁由于分子跃迁的刺激激发，速率提高。分子居群从基态通过虚态转移到分子的振动激发态(图1A)。这与自发拉曼散射相反，自发拉曼散射从虚态到振动激发态的转变是自发的，导致信号弱得多。
图1.受激拉曼散射原理(A) SRS的能量图。泵浦和斯托克斯束的共同作用通过虚态有效地将样品中的分子从基态转移到第一振动激发态。被激发的振动状态可以通过调节泵和斯托克斯梁之间的频率差来选择。(B) SRS作为能量转移过程。由于分子振动的激励，一个泵浦光子被吸收，一个斯托克斯光子被产生，这分别导致了传输泵浦光束和斯托克斯光束的SRL和SRG。
由于分子振动的相干激发(图1B)，一个泵浦光子被样品吸收，产生一个斯托克斯光子。这导致传输泵浦和斯托克斯光束强度的损耗(受激拉曼损耗，SRL)和增益(受激拉曼增益，SRG)分别为ΔIp和ΔIS:
其中N为探针体积中的分子数σ拉曼为分子拉曼散射截面。
在SRS显微镜中，我们测量ΔIp (SRL)或ΔIS (SRG)作为样品位置的函数。因为ΔI∝N，即信号与目标物种的浓度c成正比，现在有可能生成样品的定量化学图。不同的化学物质可以根据不同的振动频率被靶向，如自发拉曼文献中记录的ΔI∝σ拉曼。
由于信号对激发强度的非线性依赖性，SRS允许与双光子显微镜类似的本征光学切片，消除了共聚焦针孔的需要。这对于厚组织样本的成像尤其有用。
表1.自发拉曼散射与相干拉曼散射的比较
| 自发拉曼散射 | SRS |
| 单光子过程 | 多光子过程 |
| 极慢成像(>20分钟/帧) | 快速成像，可达(30 fps) |
| 无固有z分辨率 | 光学切片 |
| 可见光/紫外光束激发增强散射 | 激发与近红外光束增强成像深度 |
| 易受背景荧光影响 | 对背景荧光免疫 |
| 全光谱 | 选定的光谱信息 |
表2. CARS和SRS的比较
| CARS | SRS |
| 参数化过程 | 能量传递过程 |
| 新光频信号 | 透射激励光束的强度增益和损耗 |
| 非特定的非共振背景 | 无非共振背景 |
| 扭曲的光谱 | 与自发拉曼光谱相同 |
| 相干图像伪影 | 信号是物体与点扩散函数的卷积 |
| 非线性浓度依赖性 | 线性浓度依赖性 |
CARS的产生条件与SRS相同，但检测方法不同。在SRS中，可以检测到激励束的强度增益和强度损失，而在CARS，反斯托克斯频率下的新辐射ωaS = 2ωp−ωS 。CARS是由被称为四波混合的光学参量过程产生的，在这个过程中能量在光场之间交换。这与SRS相反，SRS是光场和样品之间的能量传递过程。这解释了为什么如果Δω不匹配样品的振动频率，因此不受非共振背景的影响，SRS不能发生，因为样品没有吸收量子振动能量的本征态。
尽管与自发拉曼散射显微镜相比，CARS在成像速度上有很大的优势，但在生物医学研究中尚未被广泛接受。与其他显微镜技术相比，CARS由于样品的电子响应和相干信号相加引起的非共振背景信号的困难而不能直接解释图像。CARS显微镜的特定限制是：空间干扰造成的图像失真•光谱干扰造成的光谱失真•信号对目标物种浓度的非线性依赖•灵敏度有限(弱共振信号被埋在与非共振背景相关的激光噪声中。
综上所述，与自发拉曼散射相比，SRS具有相干拉曼散射技术的所有优点(见表1)，但克服了CARS显微镜的局限性(见表2)。
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