CN103592804B - 一种便携高分辨率光纤cars显微激发源装置及实现方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种便携高分辨率光纤CARS显微激发源装置，该装置按照输入到输出依序包括飞秒光纤激光光源（1）、分束器（2）、电控相位延迟器（3）、检偏器（4）、光子晶体光纤（5）、多模光纤（6）、单模光纤（7）、电控延迟线（8）、合束器（9）、输出端口（11）以及控制模块（10）。本发明的优点为：1、采用光纤结构，环境抗干扰性强，便携，具有与商业化的显微镜快速连接实现CARS成像功能的能力；2、利用组合光纤的结构形式进行脉冲光的啁啾处理，实现稳定、可靠的光谱压缩，提高光谱分辨率。

Description

一种便携高分辨率光纤CARS显微激发源装置及实现方法
技术领域
本发明属于非线性光学成像领域，尤其涉及用于CARS显微成像的一种便携高分辨率光纤激发源，可以用于生物和化学领域的物质成分检测。
背景技术
相干反斯托克斯拉曼散射技术（CARS）利用四波混频来探测分子振动，当泵浦光和斯托克斯光的频差等于与待检测分子振动频率，分子固有振动得到共振增强，探测光与之作用时，会产生很强的反斯托克斯散射信号。CARS信号是在相干过程中产生，信号的方向性强，容易收集。CARS信号是反斯托克斯光，相对激发光蓝移，容易滤除荧光背景的干扰。CARS基于三阶非线性效应，只在焦点处很小的体积内产生，因此本质上具有三维层析能力，无需共焦系统。因此CARS显微成像技术在近年来引起广泛关注，发展十分迅速。CARS已经成功地用于活体细胞、蛋白质结构、脂质膜等的非侵入式成像。CARS显微成像技术的核心是用于产生非线性效应的CARS激发源。目前CARS显微和光谱系统主要采用两个具有反馈控制的Ti：Sapphire激光器或同一泵浦源泵浦的两个光学参量振荡器作为激发源，泵浦光和斯托克斯光同步调节困难，波长调谐采用机械装置，调谐速度慢，重复性差，从而使得整个系统庞大复杂，需要专职技术人员维护和调整系统，严重阻碍了CARS的广泛应用。为了使多个领域研究人员或者医药领域人员能够把CARS当成一个日常使用的技术工具来使用，研发出易用、结构紧凑、低成本和可靠的激发源非常关键。
发明内容
为了克服现有技术存在的问题，本发明提供了一种便携高分辨率光纤CARS显微激发源装置及实现方法，实现了基于单个飞秒光纤激光器的新型便携式CARS激发源。
本发明提供的一种便携高分辨率光纤CARS显微激发源装置，该装置按照输入到输出依序包括飞秒光纤激光光源1、分束器2、电控相位延迟器3、检偏器4、光子晶体光纤5、多模光纤6、单模光纤7、电控延迟线8、合束器9、输出端口11以及控制模块10，其中：
飞秒光纤激光光源1用于提供飞秒激光脉冲；
分束器2，用于将飞秒光纤激光光源产生的脉冲光束分成两束，功率较小的一束作为泵浦光，较大的一束用于产生斯托克斯光，其中功率较小的光束功率占总功率的比例为0.1～0.4；
电控相位延迟器3，用于改变相位延迟从而改变输入光的偏振态，配合检偏器，实现对光功率的电控调节；
检偏器4，用于透过一偏振态的光，结合电控相位延迟器进行入射到光子晶体光纤的光功率控制；
光子晶体光纤5，用于产生光孤子，并且利用一阶孤子频移效应，产生可调谐的斯托克斯脉冲；
多模光纤6，配合单模光纤进行光脉冲啁啾处理；
单模光纤7，配合多模光纤进行光脉冲啁啾处理；
电控延迟线8，调节泵浦光的延时来达到两路脉冲光的时间同步；
合束器9，将两束光合并成一束，传送到输出端口；
输出端口11，用于与外部的接口；
控制模块10，用于控制电控延迟线的延迟特性和电控相位延迟器的相位延迟。
所述多模光纤6采用阶跃型多模光纤，纤芯为50～100μm。
所述多模光纤6与所述单模光纤7使用光纤熔接机融合，控制损耗在0.5dB以内；调节多模光纤与单模光纤的长度比值与参数配置，实现脉冲啁啾处理，进行不同的压缩谱宽调节。
本发明还提出了一种便携高分辨率光纤CARS显微激发源实现方法，该方法包括以下步骤：
飞秒激光脉冲由飞秒光纤激光器产生，经过分束器，产生两束飞秒脉冲光，分别作为泵浦光和斯托克斯光。控制模块控制电控相位延迟器使斯托克斯光改变偏振态，然后结合检偏器进行脉冲激光的功率调制，在光子晶体光纤中，不同功率的飞秒脉冲光产生不同的光孤子频移，实现快速宽调谐，然后经过多模光纤跟单模光纤的串接方式，实现对斯托克斯光脉冲的啁啾处理，压缩脉冲的谱宽；控制模块控制电控延迟线，使另一束泵浦光经过电控延迟线调节后，与斯托克斯光在光纤输出端口达到时间上的同步，多模光纤跟单模光纤串接进行啁啾处理，压缩脉冲的谱宽，实现高分辨率；最后经过合束器将两束光合并且耦合进同一根光纤，到达输出端口，产生CARS光源光信号。
所述多模光纤跟单模光纤串接进行啁啾处理的步骤，还包括调节多模光纤与单模光纤的长度比值与参数配置，实现脉冲啁啾处理，进行不同的压缩谱宽调节的处理。
与现有技术相比，本发明的优点和积极效果：
（1）采用光纤结构，环境抗干扰性强，便携，具有与商业化的显微镜快速连接实现CARS成像功能的能力；
（2）利用组合光纤的结构形式进行脉冲光的啁啾处理，实现稳定、可靠的光谱压缩，提高光谱分辨率。
附图说明
图1是一种便携高分辨率光纤CARS显微激发源系统结构图；
附图标记说明如下：
1、飞秒光纤激光器；2、分束器；3、电控相位延迟器；4、检偏器；5、光子晶体光纤；6、多模光纤；7、单模光纤；8、电控延迟线；9、合束器；10、控制系统；11、输出端口。
图2是经过光孤子频移后产生斯托克斯光中心波长随入射光峰值功率的关系曲线图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，进一步详细说明本发明的具体实施方式。
实施例1：便携高分辨率光纤CARS显微激发源装置
一种便携高分辨率光纤CARS显微激发源装置及方法，具体实施实例如下：整个装置组成包括：飞秒光纤激光光源1、分束器2、电控相位延迟器3、检偏器4、光子晶体光纤5、多模光纤6、单模光纤7、电控延迟线8、合束器9、输出端口11，在具体实施中，光源1为飞秒光纤激光光源，脉宽为100fs，中心波长为600nm～980nm，调制频率为100MHz内。
飞秒光纤激光光源所提供的飞秒激光脉冲，其脉宽为60～150fs，中心波长为600nm～1060nm，重复频率为50～200MHz，平均功率80mW～200mW；
电控相位延迟器，采用采用铌酸锂晶体电光效应比较强的晶体来构建，通过电光效应，改变相位延迟从而改变输入光的偏振态，配合检偏器，实现对光功率的快速电控调节；
光子晶体光纤5，采用全反射型实心光子晶体光纤，利用非线性效应实现产生光孤子；并且利用一阶孤子频移效应，产生可调谐的斯托克斯脉冲；
电控相位延迟器3采用铌酸锂晶体电光效应比较强的晶体来构建；
检偏器4采用偏振棱镜，通过两者配合，实现电控功率可调；
光子晶体光纤5采用非线性效应强的全反射型细纤芯实心光纤；
多模光纤6与单模光纤7串接，使用光纤熔接机融合，控制损耗在0.5dB以内。调节多模光纤与单模光纤的长度比值与参数配置，实现脉冲啁啾处理，进行不同的压缩谱宽调节；
多模光纤6采用阶跃型多模光纤，纤芯为50～100μm；
控制模块10采用PC104或DSP构建。
实施例2：便携高分辨率光纤CARS显微激发源产生方法
飞秒激光脉冲由飞秒光纤激光器产生，经过分束器，产生两束飞秒脉冲光，分别作为泵浦光和斯托克斯光。斯托克斯光经过电控相位延迟器后改变偏振态，然后结合检偏器进行脉冲激光的功率调制，在光子晶体光纤中，不同功率的飞秒脉冲光产生不同的光孤子频移，实现快速宽调谐，然后经过多模光纤跟单模光纤的串接方式，实现对斯托克斯光脉冲的啁啾处理压缩谱宽；另一束泵浦光经过电控延迟线的调节，使其与斯托克斯光在光纤输出端口达到时间上的同步，多模光纤跟单模光纤串接进行啁啾脉冲宽度压缩谱宽，实现高分辨率。最后经过合束器将两束光合并且耦合进同一根光纤，到达输出端口，产生CARS光源光信号。
在实现斯托克斯脉冲光调谐技术时，通过调整入射脉冲光的峰值功率，利用一阶光孤子的频移特性，经过调谐后泵浦功率与孤子频移的关系曲线图如图2所示。

Claims (5)

1.一种便携高分辨率光纤CARS显微激发源装置，其特征在于，该装置按照输入到输出依序包括飞秒光纤激光光源（1）、分束器（2）、电控相位延迟器（3）、检偏器（4）、光子晶体光纤（5）、多模光纤（6）、单模光纤（7）、电控延迟线（8）、合束器（9）、输出端口（11）以及控制模块（10），其中：
飞秒光纤激光光源（1）用于提供飞秒激光脉冲；
分束器（2），用于将飞秒光纤激光光源产生的脉冲光束分成两束，功率较小的一束作为泵浦光，较大的一束用于产生斯托克斯光，其中功率较小的光束功率占总功率的比例为0.1～0.4；
电控相位延迟器（3），用于改变相位延迟从而改变输入光的偏振态，配合检偏器，实现对光功率的电控调节；
检偏器（4），用于透过一偏振态的光，结合电控相位延迟器进行入射到光子晶体光纤的光功率控制；
光子晶体光纤（5），用于产生光孤子，并且利用一阶孤子频移效应，产生可调谐的斯托克斯脉冲；
多模光纤（6），配合单模光纤进行光脉冲啁啾处理；
单模光纤（7），配合多模光纤进行光脉冲啁啾处理；
电控延迟线（8），调节泵浦光的延时来达到两路脉冲光的时间同步；
合束器（9），将两束光合并成一束，传送到输出端口；
输出端口（11），用于与外部的接口；
控制模块（10），用于控制电控延迟线的延迟特性和电控相位延迟器的相位延迟。
2.如权利要求1所述的一种便携高分辨率光纤CARS显微激发源装置，其特征在于，所述多模光纤（6）采用阶跃型多模光纤，纤芯为50～100μm。
3.如权利要求2所述的一种便携高分辨率光纤CARS显微激发源装置，其特征在于，所述多模光纤（6）与所述单模光纤（7）使用光纤熔接机融合，控制损耗在0.5dB以内；调节多模光纤与单模光纤的长度比值与参数配置，实现脉冲啁啾处理，进行不同的压缩谱宽调节。
4.一种便携高分辨率光纤CARS显微激发源实现方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
飞秒激光脉冲由飞秒光纤激光器产生，经过分束器，产生两束飞秒脉冲光，分别作为泵浦光和斯托克斯光；控制模块控制电控相位延迟器使斯托克斯光改变偏振态，然后结合检偏器进行脉冲激光的功率调制，在光子晶体光纤中，不同功率的飞秒脉冲光产生不同的光孤子频移，实现快速宽调谐，然后经过多模光纤跟单模光纤的串接，实现对斯托克斯光脉冲的啁啾处理，压缩脉冲的谱宽；控制模块控制电控延迟线，使另一束泵浦光经过电控延迟线调节后，与斯托克斯光在光纤输出端口达到时间上的同步，多模光纤跟单模光纤串接进行啁啾处理，压缩脉冲的谱宽，实现高分辨率；最后经过合束器将两束光合并且耦合进同一根光纤，到达输出端口，产生CARS光源光信号。
5.如权利要求4所述的一种便携高分辨率光纤CARS显微激发源实现方法，其特征在于，所述多模光纤跟单模光纤串接进行啁啾处理的步骤，还包括调节多模光纤与单模光纤的长度比值与参数配置，实现脉冲啁啾处理，进行不同的压缩谱宽调节的处理。
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