受激拉曼散射(stimulated Raman scattering,SRS)显微成像技术是一种新兴的无标记显微成像技术,其成像衬度来源于分子振动特性,因而具有优异的化学选择性和化学特异性。除此之外,由于SRS显微成像具有高分辨率、高灵敏度和无侵入性等特点,在不到十年的时间里已经发展成为生命科学领域研究中的一项重要工具。基于高光谱SRS和多元SRS的受激拉曼光谱显微成像更是在每一个像素点都拥有一段光谱,因此其不仅可以区分拥有重叠拉曼谱带的不同分子,还能提供更加丰富的化学信息,成为最近两三年来研究的前沿和热点。然而受发展时间限制,目前受激拉曼光谱显微成像的研究还有很多方面需要完善,其应用仍然需要开拓。鉴于此,本文利用光谱聚焦以及非线性光谱压缩和脉冲整形相结合的方法开展了高分辨受激拉曼光谱成像技术以及其在膜电位检测和木质素化学成分分析中的应用研究。理论上,本文首先利用非线性耦合波方程对SRS信号的产生过程进行了推导,给出了SRS信号的表达式。分析并比较了不同非共振背景下的SRS和CARS光谱线型的差异。研究了入射激光偏振对不同退偏比拉曼振动模SRS信号强度的影响,揭示了偏振调制SRS成像的基本原理。详细讨论了SRS成像中的噪声、信噪比以及背景等问题,指出在理想情况下SRS显微成像系统应具有散粒噪声极限探测能力。分析了光谱聚焦方法实现高光谱相干拉曼散射显微成像的机理,并利用玻璃棒引入线性啁啾建立了一套基于光谱聚焦方法的高光谱SRS显微成像系统,针对该方法中存在的拉曼频移校准和信号强度校准问题,给出了具体的解决方案。同时在应用研究方面,首次探讨了利用SRS信号无标记探测细胞膜电位的可行性。以红细胞血影为模型,完成了单个自然细胞膜的振动光谱成像,证实了高光谱SRS显微成像探测单个细胞膜的灵敏度。通过操控细胞膜内外离子成分改变跨膜电位,同时利用受激拉曼光谱成像观察不同电势下的细胞膜,发现SRS光谱线型随膜电位改变发生显著变化,结果表明SRS成像有望用于细胞膜电位的无标记测量。考虑光谱聚焦方法光谱分辨率较差,难以满足指纹区的成像应用,而脉冲整形技术又不能有效利用激励激光功率,通过理论分析非线性光谱压缩机理和总结已报导的实验方案,开发了一套灵活、紧凑的非线性光谱压缩装置,该装置可将宽带飞秒激光线宽压缩至几个波数,同时维持一半以上的激光功率,利用搭建的非线性光谱压缩装置所提供的高功率斯托克斯激励光源,分别在指纹区和静默区建立了两套光谱分辨率优于10 cm-1的高光谱SRS显微成像系统,同时在静默区系统中改进了光谱扫描装置,设计了一种基于检流计振镜的新型脉冲内部光谱扫描器。针对当前高光谱SRS成像主要用于动物细胞、组织和模型生物研究的现状,利用分子指纹振动,开展了高光谱SRS显微成像用于分析描绘木质素化学成分分布的研究。以拟南芥作为模型,运用高光谱SRS显微成像观察对比转基因拟南芥与野生型拟南芥,确立了高光谱SRS显微成像定量区分木质素中不同化学组份并实时监测木质素化学成分变化的能力。将研究进一步拓展至长狗尾草和玉米秸秆,利用高光谱SRS显微成像观察维管束内纤维细胞,结合多元曲线分辨(multivariate curve resolution,MCR)分析,首次揭示了木质素中醇和醛两种不同组份在植物细胞壁内的渐变分布。最后,针对目前多元SRS成像光谱探测范围较窄的问题,提出了一种利用反向啁啾脉冲实现多元SRS显微成像的新方法,利用玻璃棒和光栅对分别对泵浦光和斯托克斯光引入正、负啁啾,建立了一套基于反向啁啾脉冲的多元SRS显微成像系统,同时通过对DMSO样品进行成像观察,验证了该方法的可行性。本文的研究成果推动了受激拉曼光谱显微成像技术的进步,丰富并拓展了其成像应用研究,对SRS显微成像的进一步发展具有重要的科学意义。