CN103219638B - 一种超连续谱光源及相干反斯托克斯拉曼散射成像系统 - Google Patents

Abstract

本发明适用于光电技术领域，提供了一种超连续谱光源及相干反斯托克斯拉曼散射成像系统，所述超连续谱光源包括用以产生激光脉冲的激光器，由所述激光脉冲泵浦全正色散光子晶体光纤产生超连续谱。本发明由激光脉冲泵浦全正色散光子晶体光纤产生超连续谱，在时域保持单个脉冲，在频域有着较好的平坦性和连续性，且具有较高的光谱功率密度。同时，不同频率的光谱成分间的相对时间延迟较小，时谱一致性佳，且光谱范围宽。因而，由本超连续谱光源产生的超连续谱应用广泛。

Description

一种超连续谱光源及相干反斯托克斯拉曼散射成像系统

技术领域

本发明属于光电技术领域，尤其涉及一种超连续谱光源及相干反斯托克斯拉曼散射成像系统。

背景技术

高功率的超短脉冲通过具有非线性效应的光学介质时，在介质中的各种非线性效应的作用下，传输脉冲的光谱中会产生许多新的频率成份，使得输出脉冲光谱宽度远大于激光脉冲，即获得超连续谱。

光脉冲在非线性光纤中的传输方程可以用非线性薛定谔方程来描述：

$\frac{\∂A}{\∂z}+\frac{1}{2}(\mathrm{\α}\left({\mathrm{\ω}}_0\right)+i{\mathrm{\α}}_1\frac{\∂}{\∂t})A+\underset{n\≥1}{\mathrm{\Σ}}{\mathrm{\β}}_n\frac{i^{n-1}}{n!}\frac{{\∂}^n}{\∂t^n}=i(\mathrm{\γ}\left({\mathrm{\ω}}_0\right)+i{\mathrm{\γ}}_1\frac{\∂}{\∂t})\left(A(z,t)\underset{0}{\overset{\∞}{\∫}}R\left(t^{\′}\right){\left|A(z,t-t^{\′})\right|}^{2}d{t}^{\′}\right)$

目前，衡量超连续谱光源质量主要有三个重要指标：光谱范围、光谱平坦度和时谱一致性。然而，现有超连续谱光源时谱一致性差，进而影响光谱范围和光谱平坦度。

另外，在单频CARS（CoherentAnti-StokesRamanScattering）显微成像系统中，需要两束超短激光脉冲分别作为泵浦光和斯托克斯光，当二者的频差与分子某一化学键的振动频率一致时，分子的固有振动得到共振增强产生相干反斯托克斯信号。当使用单频CARS技术获得待测样品完整的CARS光谱信息，以准确识别不同的组成成份时，必须调节两束激光光束其中之一的中心波长，使两束激光的频率差与分子各个振动模式的振动频率相一致，这种系统复杂而且检测耗时。

发明内容

本发明实施例的目的在于提供一种超连续谱光源，旨在解决现有超连续谱光源时谱一致性差的问题。

本发明实施例是这样实现的，一种超连续谱光源，包括用以产生激光脉冲的激光器，由所述激光脉冲泵浦全正色散光子晶体光纤产生超连续谱。

本发明实施例的另一目的在于提供一种相干反斯托克斯拉曼散射成像系统，所述系统包括：

飞秒激光器，用于生成超短激光脉冲；

分光装置，用于使所述超短激光脉冲产生第一超短激光脉冲和第二超短激光脉冲；

转化装置，用于将所述第一超短激光脉冲转化为超连续谱，其中将所述超连续谱同时作为作用于样品、以产生相干声子的泵浦光和斯托克斯光；

延迟装置，用于调节所述第二超短激光脉冲到达样品的时间，其中将延迟后的第二超短激光脉冲作为探测光；

共线聚焦装置，用于使所述探测光与超连续谱共线聚焦于样品，其中由所述泵浦光和斯托克斯光同时作用于样品产生的相干声子与延迟到达的探测光光子相互作用产生反斯托克斯信号；

成像装置，用于获取所述反斯托克斯信号并进行显微成像。

本发明实施例由激光脉冲泵浦全正色散光子晶体光纤产生超连续谱，在时域保持单个脉冲，在频域有着较好的平坦性和连续性，且具有较高的光谱功率密度。同时，不同频率的光谱成分间的相对时间延迟较小，时谱一致性佳，且光谱范围宽。因而，由本超连续谱光源产生的超连续谱应用广泛。

附图说明

图1是本发明第一实施例提供的超连续谱光源的结构示意图；

图2是从全正色散光子晶体光纤出射的超连续谱的时谱结构图；

图3是超连续谱经棱镜对色散补偿后的时谱结构图；

图4是超连续谱经空间光调制器脉冲整形后的时谱结构图；

图5是本发明第二实施例提供的相干反斯托克斯拉曼散射成像系统架构图；

图6是本发明第二实施例提供的宽带CARS能级图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明实施例由激光脉冲泵浦全正色散光子晶体光纤产生超连续谱，在时域保持单个脉冲，在频域有着较好的平坦性和连续性，且具有较高的光谱功率密度。同时，不同频率的光谱成分间的相对时间延迟较小，时谱一致性佳，且光谱范围宽。

以下结合具体实施例对本发明的实现进行详细描述。

实施例一

如图1所示，本发明实施例提供的超连续谱光源包括用以产生激光脉冲的激光器1，由所述激光脉冲泵浦全正色散光子晶体光纤2产生超连续谱。其中，所述激光器一般采用飞秒激光器，则所述激光脉冲为飞秒脉冲。这样产生的超连续谱在时域保持单个脉冲，在频域有着较好的平坦性和连续性，且具有较高的光谱功率密度。同时，不同频率的光谱成分间的相对时间延迟较小，时谱一致性佳，且光谱范围宽。

通常，所述超连续谱光源还包括沿激光脉冲传播方向依序设置的连续可变衰减器、扩束器3及耦合物镜；其中，所述连续可变衰减器可使激光脉冲连续衰减，以获得恰当的光功率；所述扩束器3用于扩大激光脉冲的直径，使其光斑填充耦合物镜的80%，以提高能量利用率；所述耦合物镜将激光脉冲耦入全正色散光子晶体光纤2。另外，所述连续可变衰减器由半波片4和格兰棱镜5构成，所述扩束器3为放大倍率连续可调（即可连续变焦）的扩束器。

本发明实施例中从所述全正色散光子晶体光纤2出射的超连续谱经显微物镜6收集后，以平行光出射。此处将从所述全正色散光子晶体光纤2出射的超连续谱作为点光源，并使所述全正色散光子晶体光纤2末端位于显微物镜6的焦点处，以获得平行出射的超连续谱。另外，所述全正色散光子晶体光纤2末端固定于五维微米位移台7，前端固定于五维纳米位移台8；所述耦合物镜固定于二维微米位移台9。其中，图2示出了从全正色散光子晶体光纤出射的超连续谱的时谱结构。

为对超连续谱的低阶色散进行补偿，于本超连续谱光源增设棱镜对或光栅对，此处增设棱镜对11，图3示出了超连续谱经棱镜对色散补偿后的时谱结构。优选地，本超连续谱光源进一步包括对超连续谱的高价色散进行补偿并对其脉宽进行压缩的空间光调制器14，如此可将超连续谱压缩至十几个飞秒甚至几个飞秒内，图4示出了超连续谱经空间光调制器脉冲整形后的时谱结构。具体地，所述空间光调制器14与分位于其两侧的第一反射光栅12、第一透镜13和第二透镜15、第二反射光栅16构成4f系统；所述超连续谱经棱镜对11低阶色散补偿后，被反射回去并投射至所述第一反射光栅12。

具体地，产生的超连续谱先经过棱镜对11进行低阶色散补偿，并被第一反射镜17反射回去，调节第一反射镜17可使入射光与出射光具有不同的高度，最后被第二反射镜18反射到第一反射光栅12上，不同频率的光在光栅的分光作用下相互分离，经过第一透镜13后以平行光投射至空间光调制器14，通过控制空间光调制器14，进行高阶色散补偿，最后经第二透镜15会聚并被第二反射光栅16反射出去。其中，第一透镜13的后焦面和第二透镜15的前焦面重合，第一反射光栅12位于第一透镜13的前焦面，第二反射光栅16位于第二透镜15的后焦面，空间光调制器位于第一透镜13的后焦面（即第二透镜15的前焦面）。此处先利用棱镜对11对产生的超连续谱进行低阶色散补偿后，不同光谱成分间的最大时间延迟约为1皮秒。再利用空间光调制器14对超连续谱的高阶色散进行补偿，脉冲可被压缩至十几个飞秒甚至更短。

这样从飞秒激光器1输出的飞秒脉冲，先经过半波片4与格兰棱镜5组成的连续可变衰减器，接着经过一个放大倍率连续可调的扩束器3，然后经耦合物镜耦入全正色散光子晶体光纤2。此处将耦合物镜固定在二维微米位移台9上，全正色散光子晶体光纤2的前端固定在五维纳米位移台8上，从而实现光脉冲的完美耦合。全正色散光子晶体光纤2的末端固定在五维微米位移台7上，以使从全正色散光子晶体光纤2末端出射的光脉冲耦入固定在其后的物镜，从而获得平行出射的超连续谱。

具体地，所述飞秒激光器1输出的光脉冲几乎为线偏光，经过半波片4后，使得线偏光的偏振方向发生改变，然后垂直入射到格兰棱镜5上，由于垂直于晶体光轴方向的光将被反射，只有平行于光轴方向的光能够出射，将入射到格兰棱镜5上的线偏光分解为垂直于光轴方向和平行于光轴方向。同时，旋转半波片4使其快轴方向发生变化，如此改变入射到格兰棱镜5上的线偏光的偏振方向。因此，半波片4与格兰棱镜5配合可使入射至扩束器3的激光脉冲连续衰减。其中，放大倍率连续可调的扩束器3实现对光束的扩束，使投射至耦合物镜上的光斑填充耦合物镜80%以上，以提高能量利用率。

此处将耦合物镜固定在二维微米位移台9上，二维微米位移台9要求精度在1微米以上，实现光束与物镜的对准，使光斑打在物镜的正中心。另外，所述耦合物镜的数值孔径要略小于全正色散光子晶体光纤2的数值孔径，同时其放大倍率也不宜过大，一般约为40～60倍。全正色散光子晶体光纤2的前端固定在五维纳米位移台8上，其空间三维调整精度为0.1微米，空间角度调节精度为1个弧秒，以实现激光脉冲垂直入到全正色散光子晶体光纤2的纤芯。全正色散光子晶体光纤2末端固定在五维微米位移台7上，其空间调节精度为1微米，空间角度调节精度为5个弧秒。

实施例二

图5示出了本发明实施例提供的相干反斯托克斯拉曼散射成像系统架构，详述如下。该系统包括飞秒激光器1、分光装置21、转化装置22、延迟装置23、共线聚焦装置25和成像装置24。其中，所述飞秒激光器1用于生成超短激光脉冲。所述分光装置21用于使所述超短激光脉冲产生第一超短激光脉冲和第二超短激光脉冲。所述转化装置22用于将所述第一超短激光脉冲转化为超连续谱，其中将所述超连续谱同时作为作用于样品、以产生相干声子的泵浦光和斯托克斯光。所述延迟装置23用于调节所述第二超短激光脉冲到达样品的时间，其中将延迟后的第二超短激光脉冲作为探测光。所述共线聚焦装置25用于使所述探测光与超连续谱共线聚焦于样品，其中由所述泵浦光和斯托克斯光同时作用于样品产生的相干声子与延迟到达的探测光光子相互作用产生反斯托克斯信号。所述成像装置24用于获取所述反斯托克斯信号并进行显微成像。

本发明实施例由所述第一超短激光脉冲泵浦全正色散光子晶体光纤2产生超连续谱，该第一超短激光脉冲为飞秒脉冲。如实施例一所述，这样产生的超连续谱在时域保持单个脉冲，在频域有着较好的平坦性和连续性，且具有较高的光谱功率密度。同时，不同频率的光谱成分间的相对时间延迟较小，时谱一致性佳，且光谱范围宽。

通常，本相干反斯托克斯拉曼散射成像系统还包括沿第一超短激光脉冲传播方向依序设置的连续可变衰减器、扩束器3及耦合物镜；其中，所述连续可变衰减器可使激光脉冲连续衰减，以获得恰当的光功率；所述扩束器3用于扩大激光脉冲的直径，使其光斑填充耦合物镜的80%，以提高能量利用率；所述耦合物镜将激光脉冲耦入全正色散光子晶体光纤2。另外，所述连续可变衰减器由半波片4和格兰棱镜5构成，所述扩束器3为放大倍率连续可调（即可连续变焦）的扩束器。

本发明实施例中从所述全正色散光子晶体光纤2出射的超连续谱经显微物镜6收集后，以平行光出射。此处将从所述全正色散光子晶体光纤2出射的超连续谱作为点光源，并使所述全正色散光子晶体光纤2末端位于显微物镜6的焦点处，以获得平行出射的超连续谱。

请参阅图1，为对超连续谱的低阶色散进行补偿，于前述转化装置22增设棱镜对11或光栅对。优选地，所述转化装置22进一步包括对超连续谱的高阶色散进行补偿的空间光调制器14，如此可将超连续谱压缩至十几个飞秒甚至几个飞秒内。具体地，所述空间光调制器14与分位于其两侧的第一反射光栅12、第一透镜13和第二透镜15、第二反射光栅16构成4f系统；所述超连续谱经棱镜对11低阶色散补偿后，被反射回去并投射至所述第一反射光栅12。此处产生的超连续谱先经过棱镜对11进行低阶色散补偿，并被第一反射镜17反射回去，调节第一反射镜17可使入射光与出射光具有不同的高度，最后被第二反射镜18反射到第一反射光栅12上，不同频率的光在光栅的分光作用下相互分离，经过第一透镜13后以平行光投射至空间光调制器14，通过控制空间光调制器14，进行高阶色散补偿，最后经第二透镜15会聚并被第二反射光栅16反射出去。其中，第一透镜13的后焦面和第二透镜15的前焦面重合，第一反射光栅12位于第一透镜13的前焦面，第二反射光栅16位于第二透镜15的后焦面，空间光调制器14位于第一透镜13的后焦面（即第二透镜15的前焦面）。

在此先利用棱镜对11对产生的超连续谱进行低阶色散补偿后，不同光谱成分间的最大时间延迟约为1皮秒。再利用空间光调制器14对超连续谱的高阶色散进行补偿，脉冲可被压缩至十几个飞秒甚至更短。

这样从飞秒激光器1输出的飞秒脉冲先经所述分光装置21分为第一超短激光脉冲和第二超短激光脉冲，所述第一超短激光脉冲经过半波片4与格兰棱镜5组成的连续可变衰减器，接着经过一个放大倍率连续可调的扩束器3，然后经耦合物镜耦入全正色散光子晶体光纤2。所述第一超短脉冲激光从所述全正色散光子晶体光纤2出射后产生超连续谱，该超连续谱经由棱镜对11和空间光调制器14脉冲整形后产生本相干反斯托克斯拉曼散射成像系统所需的超连续谱，该超连续谱可以同时作为作用于样品、以产生相干声子的泵浦光和斯托克斯光。而所述第二超短激光脉冲经延迟装置23调整后与经脉冲整形后的超连续谱由共线聚焦装置聚焦于样品产生反斯托克斯信号，最后由成像装置24获取反斯托克斯信号进行显微成像。所述超连续谱中只要任意两个光谱成分的频差等于分子振动频率，就可以产生相应的反斯托克斯信号。不同于单频CARS系统仅限于对分子的单一化学键成像，只要所采用的超连续谱具有足够宽的光谱范围及良好的时间结构，就可以在宽谱覆盖范围内同时获取分子完整特征谱的相干反斯托克斯信号，即本相干反斯托克斯拉曼散射成像系统可以对整个分子进行成像，图6示出了宽带CARS能级。

换言之，在本宽带时间分辨CARS显微成像系统中，采用飞秒激光脉冲泵浦全正色散光子晶体光纤2获得超连续谱，以其同时作为泵浦光和斯托克斯光。超连续谱中只要任意两个光谱成分的频差等于分子化学键的振动频率并且能够同时到达样品分子，就可以产生相应的反斯托克斯信号。如果所采用的超连续谱光源具有较宽的带宽以及良好的时间一致性，超连续谱中的不同光谱成分产生的频差就可以同时匹配样品分子中所有化学键的振动频率，这些反映分子不同化学键信息的相干声子与经过一定时间延时后到达的探测光光子相互作用，将同时产生对应分子不同振动谱的反斯托克斯信号并有效消除非共振背景。因此，本宽带时间分辨CARS显微成像系统能够一次获取样品分子完整振动谱信息，可以更准确地识别分子并简化系统降低成本。

进一步地，飞秒激光脉冲通过光隔离器ISO后，又被分束镜分成两束。一束耦合进入全正色散光子晶体光纤2，由此获得超连续谱，经脉冲整形后，作为泵浦光和斯托克斯光；另一束通过窄带通滤光片BPF1作为探测光。同时，为了达到时间分辨测量，我们在探测光光路中加入了一套精密时间延迟装置23。泵浦光、斯托克斯光、探测光经后面的合束镜BC合束后送入显微物镜，并由显微物镜聚焦在样品26上，产生的CARS信号经一带能滤光片BPF2后被光纤光谱仪收集。其中，所述合束镜BC和显微物镜构成共线聚焦装置25，所述光纤光谱仪作为成像装置24。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种超连续谱光源，包括用以产生激光脉冲的激光器，其特征在于，由所述激光脉冲泵浦全正色散光子晶体光纤产生超连续谱；所述超连续谱光源还包括对超连续谱的低阶色散进行补偿的棱镜对或光栅对；所述超连续谱光源还包括对超连续谱的色散进行补偿并对其脉宽进行压缩的空间光调制器；所述空间光调制器与分位于其两侧的第一反射光栅、第一透镜和第二透镜、第二反射光栅构成4f系统；所述超连续谱经棱镜对低阶色散补偿后，被反射回去并投射至所述第一反射光栅；所述超连续谱光源进一步包括：

使所述激光脉冲的功率连续衰减的连续可变衰减器；

将所述激光脉冲耦入全正色散光子晶体光纤的耦合物镜；以及

用以扩大所述激光脉冲的光斑，使所述耦合物镜80％以上被该光斑所覆盖的扩束器；

其中，所述连续可变衰减器、扩束器及耦合物镜沿激光脉冲传播方向依序设置；

所述第一透镜的后焦面和第二透镜的前焦面重合，第一反射光栅位于第一透镜的前焦面，第二反射光栅位于第二透镜的后焦面，空间光调制器位于第一透镜的后焦面；

所述耦合物镜固定在二维微米位移台上，全正色散光子晶体光纤的前端固定在五维纳米位移台上，全正色散光子晶体光纤的末端固定在五维微米位移台上，以使从全正色散光子晶体光纤末端出射的光脉冲耦入固定在其后的物镜，从而获得平行出射的超连续谱。

2.一种相干反斯托克斯拉曼散射成像系统，其特征在于，所述系统包括：

飞秒激光器，用于生成超短激光脉冲；

分光装置，用于使所述超短激光脉冲产生第一超短激光脉冲和第二超短激光脉冲；

转化装置，用于将所述第一超短激光脉冲转化为超连续谱，其中将所述超连续谱同时作为作用于样品、以产生相干声子的泵浦光和斯托克斯光；

延迟装置，用于调节所述第二超短激光脉冲到达样品的时间，其中将延迟后的第二超短激光脉冲作为探测光；

共线聚焦装置，用于使所述探测光与超连续谱共线聚焦于样品，其中由所述泵浦光和斯托克斯光同时作用于样品产生的相干声子与延迟到达的探测光光子相互作用产生反斯托克斯信号；

成像装置，用于获取所述反斯托克斯信号并进行显微成像；由所述第一超短激光脉冲泵浦全正色散光子晶体光纤产生超连续谱；所述转化装置包括对超连续谱的低阶色散进行补偿的棱镜对或光栅对；所述转化装置还包括对超连续谱的色散进行补偿并对其脉宽进行压缩的空间光调制器；所述空间光调制器与分位于其两侧的第一反射光栅、第一透镜和第二透镜、第二反射光栅构成4f系统；所述超连续谱经棱镜对低阶色散补偿后，被反射回去并投射至所述第一反射光栅；

所述第一透镜的后焦面和第二透镜的前焦面重合，第一反射光栅位于第一透镜的前焦面，第二反射光栅位于第二透镜的后焦面，空间光调制器位于第一透镜的后焦面；

所述相干反斯托克斯拉曼散射成像系统还包括沿第一超短激光脉冲传播方向依序设置的连续可变衰减器、扩束器及耦合物镜；其中，所述连续可变衰减器使第一超短激光脉冲连续衰减，以获得恰当的光功率；所述扩束器用于扩大第一超短激光脉冲的直径；所述耦合物镜将第一超短激光脉冲耦入全正色散光子晶体光纤，获得超连续谱；所述耦合物镜固定在二维微米位移台上，全正色散光子晶体光纤的前端固定在五维纳米位移台上，全正色散光子晶体光纤的末端固定在五维微米位移台上，以使从全正色散光子晶体光纤末端出射的光脉冲耦入固定在其后的物镜，从而获得平行出射的超连续谱。