CN107589613B - 基于多孤子同步扫描的多点输出cars激发源装置及产生方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于多孤子同步扫描的多点输出CARS激发源装置及产生方法，由光纤激光器产生飞秒脉冲，经液晶延迟器和偏振分束棱镜后实现功率可调并分束，一束经光子晶体光纤产生多个光孤子，再依次GI‑MMF与SMF进行啁啾谱压缩，压缩后的各个光孤子通过环行器与光纤光栅被依次滤出；另一束飞秒脉冲作为泵浦光，耦合进GI‑MMF与SMF中进行啁啾谱压缩后经光纤分束器分束，形成多个泵浦光，再电控调节多个光纤延迟线同时实现泵浦光与各个光孤子的脉冲同步，最后分别合束输出，构成多点输出的CARS激发源。该发明能够实现了多孤子的同步扫描，可同时探测多个CARS信号，大大提高了CARS信号探测的效率，且结构紧凑、环境抗干扰性强，可服务于CARS显微成像领域。

Description

基于多孤子同步扫描的多点输出CARS激发源装置及产生方法

技术领域

本发明涉及非线性光学领域，特别是涉及一种多点输出CARS激发源装置及方法。

背景技术

相干反斯托克斯拉曼散射(Coherent anti-Stokes Raman scattering，CARS)技术在利用非线性光学四波混频来探测分子的拉曼振动谱时，通常利用泵浦和斯托克斯两束光来激发样品。当泵浦光和斯托克斯光的频差等于样品的化学键振动频率、且满足相位匹配条件时，将激发出反斯托克斯光，这就是CARS显微成像技术所需要探测的CARS信号。但作为传统的CARS信号的基于固体激光器的空间光学型CARS激发源装置，其体积庞大、稳定性差、价格昂贵且需要专人维护，这些存在的问题限制了推广应用。

另一种CARS信号即光纤型CARS激发源则具有稳定可靠、免调整且易集成的特性，很好地解决了上述问题，成为近年来CARS激发源的研究热点。研究者们利用脉冲在光纤中产生的非线性效应，向光子晶体光纤(PCF)中注入超短脉冲进行频率转换，以得到合适的斯托克斯光。这些频率转换机制包括孤子自频移、超连续谱以及四波混频。其中，基于孤子自频移的光纤CARS激发源技术在CARS显微成像领域应用广泛。但随着输入光功率的增大，会产生多阶光孤子。这些光孤子一起入射到样品上，会影响CARS信号的产生，并且降低成像质量，所以在现有的CARS激发源系统中，通常只用基阶孤子作为斯托克斯光脉冲，而将其余各阶光孤子滤掉，这样只能实时探测到一个CARS信号，使得实时探测范围有限，且功率损耗大，忽视了其余各阶光孤子的作用。

发明内容

本发明提出了基于多孤子同步扫描的多点输出CARS激发源生成装置及产生方法，实现了3个不同CARS信号的同步探测；而且由液晶延迟器、偏振分束棱镜以及电控系统组成了功率调谐部分，使得输入到PCF中的功率可调，从而使得光孤子波长可调，实现了各个孤子的光谱扫描。

本发明的一种基于多孤子同步扫描的多点输出CARS激发源生成装置，该装置包括飞秒光纤激光器(1)、液晶延迟器(2)、偏振分光棱镜(3)、第一、第二耦合镜(41)(42)、光子晶体光纤(5)、第一、第二折射率渐变多模光纤(61)(62)、第一、第二单模光纤(71)(72)、滤波部分、光纤1×3分束器(11)、第一、第二、第三光纤延迟线(121)(122)(123)、第一、第二、第三合束器(131)(132)(133)、电控系统(14)和第一、第二、第三输出端口(151)(152)(153)；所述滤波部分由第一、第二光纤环行器(81)(82)、第一、第二啁啾光纤光栅(91)(92)以及长周期光纤光栅(10)构成，其中：

飞秒光纤激光器(1)产生的飞秒脉冲，经液晶延迟器(2)和偏振分束棱镜(3)后实现功率可调被分束；一束所述飞秒脉冲由第一耦合镜(41)耦合到光子晶体光纤(5)中传输，在光子晶体光纤(5)中产生3个光孤子即基阶孤子、二阶孤子以及三阶孤子，所述基阶孤子、二阶孤子以及三阶孤子依次经第一折射率渐变多模光纤(61)和第一单模光纤(71)进行啁啾谱压缩，压缩后的各个光孤子通过滤波部被透射滤出，均作为斯托克斯光脉冲；另一束所述飞秒脉冲经第二耦合镜(42)耦合到第二折射率渐变多模光纤(62)与第二单模光纤(72)中进行啁啾谱压缩，再经光纤1×3分束器(11)分束成3个光路，作为泵浦光脉冲；残余泵浦光脉冲与3个光孤子从第一光纤环行器(81)的入射端输入，其中基阶孤子被第一啁啾光纤光栅(91)反射到输出端，从而被第一光纤环行器(81)的输出端输出；残余泵浦光脉冲与第二、第三阶孤子从第二光纤环行器(82)的入射端输入，其中二阶孤子被第二啁啾光纤光栅(92)反射到第二光纤环行器(82)的输出端；剩下的三阶孤子与残余泵浦光脉冲，经长周期光纤光栅(10)反射滤掉残余泵浦光脉冲，透射滤出三阶孤子；

第一、第二、第三光纤延迟线(121)(122)(123)分别设置于泵浦光脉冲经光纤1×3分数器11输出的每个光路上，调控泵浦光脉冲与光孤子时间同步；电控系统(14)同时调控第一、第二、第三光纤延迟线(121)(122)(123)的延迟量，滤出的基阶孤子、二阶孤子和三阶孤子与三束泵浦光脉冲分别在第一、第二、第三合束器(131)(132)(133)处合束，并且分别由第一、第二、第三输出端(151)、(152)、(153)输出，实现多孤子多点输出。

所述液晶延迟器(2)上的外加电压V发生改变；随着液晶延迟器(2)外加电压V的改变，飞秒脉冲的相位延迟发生改变，其偏振态变成随外加电压变化的椭圆偏振态，再经过偏振分光棱镜(3)后，飞秒脉冲的偏振态变为线偏振态。

所述电控系统(14)通过调控液晶延迟器的外加电压V来调节飞秒脉冲进入到光子晶体光纤(5)中的功率；飞秒脉冲进入到光子晶体光纤(5)中的功率变化会导致各阶光孤子中心波长λ₁、λ₂和λ₃的移动，从而实现多孤子的光谱同步扫描。

所述功率可调是调节飞秒脉冲进入到光子晶体光纤中的功率；飞秒脉冲进入到光子晶体光纤中的功率变化会导致各阶光孤子中心波长λ₁、λ₂和λ₃的移动，从而实现多孤子的光谱同步扫描。

本发明的一种基于多孤子同步扫描的多点输出CARS激发源产生方法，该方法包括以下步骤：

由飞秒光纤激光器产生飞秒脉冲，经液晶延迟器和偏振分光棱镜后实现功率可调并分束；其中，一束飞秒脉冲经光子晶体光纤产生多个光孤子，再依次经第一折射率渐变多模光纤和第一单模光纤进行啁啾谱压缩，压缩后的各个光孤子通过滤波部分依次滤出；另一束飞秒脉冲作为泵浦光，耦合进第二折射率渐变多模光纤与第二单模光纤中进行啁啾谱压缩后经光纤分束器分束，形成多个泵浦光，再电控调节多个光纤延迟线同时实现泵浦光与各个光孤子的脉冲同步，最后分别合束输出，构成多点输出的CARS激发源。

所述功率可调是调节飞秒脉冲进入到光子晶体光纤中的功率；飞秒脉冲进入到光子晶体光纤中的功率变化会导致各阶光孤子中心波长λ₁、λ₂和λ₃的移动，从而实现多孤子的光谱同步扫描。

与现有技术相比，本发明具有以下效果：

1、能够实现了多孤子的同步扫描，可同时探测多个CARS信号，大大提高了CARS信号探测的效率；

2、结构紧凑、环境抗干扰性强；

3、可服务于CARS显微成像领域，以实现多种物质CARS信号的同步探测。

附图说明

图1为本发明的基于多孤子同步扫描的多点输出CARS激发源装置示意图；

图2为本发明的多孤子光谱扫描装置示意图。

附图标记：1、飞秒光纤激光器，2、液晶延迟器，3、偏振分光棱镜(PBS)，41、第一耦合镜，42、第二耦合镜，5、光子晶体光纤PCF，61、折射率渐变多模光纤，62、折射率渐变多模光纤，71、第一单模光纤SMF，72、第二单模光纤SMF，82、第一光纤环形器，82、第二光纤环形器，91、第一啁啾光纤光栅，92、第二啁啾光纤光栅，10、长周期光纤光栅，11、光纤1×3分束器，121、第一光纤延迟线，122、第二光纤延迟线，123、第三光纤延迟线，131、第一合束器，132、第二合束器，133、第三合束器，14、电控系统，151、第一输出端口，152、第二输出端口，153、第三输出端口。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的实施方式作进一步的详细描述。

实施例1：基于多孤子同步扫描的多点输出CARS激发源装置：

如图1所示，本发明中基于多孤子同步扫描的多点输出CARS激发源装置，包括飞秒光纤激光器1，液晶延迟器2，偏振分光棱镜3，第一、第二耦合镜41、42，光子晶体光纤5，第一、第二折射率渐变多模光纤61、62，第一、第二单模光纤71、72，第一、第二光纤环行器81、82，第一、第二啁啾光纤光栅91、92，长周期光纤光栅10，光纤1×3分束器11，第一、第二、第三光纤延迟线121、122、123，第一、第二、第三合束器131、132、133，电控系统14，第一、第二、第三输出端口151、152、153。

飞秒光纤激光器1产生的飞秒脉冲，经液晶延迟器2和偏振分束棱镜3后实现功率可调被分束；一束所述飞秒脉冲由第一耦合镜41耦合到光子晶体光纤5中传输，在光子晶体光纤5中产生3个光孤子即基阶孤子、二阶孤子以及三阶孤子，所述基阶孤子、二阶孤子以及三阶孤子依次经第一折射率渐变多模光纤61和第一单模光纤71进行啁啾谱压缩，压缩后的各个光孤子通过滤波部被透射滤出，均作为斯托克斯光脉冲；另一束所述飞秒脉冲经第二耦合镜42耦合到第二折射率渐变多模光纤62与第二单模光纤72中进行啁啾谱压缩，再经光纤1×3分束器11分束成3个光路，作为泵浦光脉冲；残余泵浦光脉冲与3个光孤子从第一光纤环行器81的入射端输入，其中基阶孤子被第一啁啾光纤光栅91反射到输出端，从而被反射滤出；残余泵浦光脉冲与第二、第三阶孤子从第二光纤环行器82的入射端输入，其中二阶孤子被第二啁啾光纤光栅92反射到输出端，从而被反射滤出；剩下的三阶孤子与残余泵浦光脉冲，用长周期光纤光栅10反射滤掉残余泵浦光脉冲，透射滤出三阶孤子。光纤1×3分束器11输出的三束泵浦光脉冲分别经第一、第二、第三光纤延迟线121、122、123调节各自的时延后在第一、第二、第三合束器131、132、133处分别与基阶孤子、二阶孤子和三阶孤子合束，然后输出至第一、第二、第三输出端口151、152、153。使用电控系统14同时调控第一、第二、第三光纤延迟线121、122、123的延迟量，使第一、第二、第三合束器131、132、133处的泵浦光脉冲和基阶孤子、二阶孤子、三阶孤子时间重叠，从而实现多孤子同步输出。

其中：

飞秒光纤激光器1的输出飞秒脉冲中心波长为780nm，平均功率为100mW，重复频率为100MHz；

液晶延迟器2使用全波向列型液晶延迟器，液晶池厚度为3mm、通光口径为10mm、工作波长为650～1050nm、透射率>95％；

偏振分光棱镜3使用材料为N-SF1，工作波长为620～1000nm，透射率>90％，反射率>99.5％；

第一、第二耦合镜41、42的焦距7.5mm，工作波长600～1050nm，束腰直径1.62mm；

光子晶体光纤5短波长的零色散点在750～760nm，在波长780nm处的非线性系数为95W-1km-1，纤芯直径为1.8μm；

第一、第二折射率渐变多模光纤61、62采用包层直径为125μm，纤芯直径为62.5μm，纤芯折射率为抛物线渐变型分布的多模光纤；

第一、第二单模光纤71、72采用包层直径为125μm，纤芯直径为4.4μm的780HP型单模光纤；

第一、第二光纤环行器81、82串接带宽为40nm的第一、第二啁啾光纤光栅91、92；

长周期光纤光栅10的带宽为15nm；

光纤1×3分束器11使用780HP型单模光纤制作，一个输入端，3个同等的输出端；

第一、第二、第三光纤延迟线121、122、123的可调延时范围为167ps，调节精度为1.378fs；

第一、第二、第三合束器131、132、133具有两端输入，一端输出：其中，一个输入端工作波长为760～790nm，另一个输入端工作波长为810～1000nm，准直输出，光斑直径2mm，发散角<0.7mrad；

电控系统14使用同一台计算机对液晶延迟器的电压控制器和光纤延迟线的电机进行自动控制；

第一、第二、第三输出端口151、152、153使用FC型光纤接口。

实施例2：基于多孤子同步扫描的多点输出CARS激发源实现方法

利用上述实施例1的基于多孤子同步扫描的多点输出CARS激发源装置产生CARS激发光源的过程如下：

飞秒光纤激光器1产生飞秒脉冲，经过液晶延迟器2和偏振分束棱镜3后被分成垂直的两束光脉冲，一束光脉冲通过第一耦合镜41耦合进入光子晶体光纤5中传输，产生基阶孤子、二阶孤子以及三阶孤子，均作为斯托克斯光脉冲，另一束光脉冲保持中心波长不变，作为泵浦光脉冲。

如图2所示，为本发明的多孤子光谱扫描装置示意图。该装置包括飞秒光纤激光器1、液晶延迟器2、偏振分光棱镜3、第一耦合镜41、光子晶体光纤5、第一折射率渐变多模光纤61、第一单模光纤71、第一、第二光纤环行器81、82、第一、第二啁啾光纤光栅91、92、长周期光纤光栅10、电控系统14、第一、第二、第三输出端口151、152、153；

飞秒光纤激光器1产生的飞秒脉冲为线偏振态，当通过液晶延迟器2以后，随着液晶延迟器2外加电压V的改变，飞秒脉冲的相位延迟发生改变，其偏振态变成随外加电压变化的椭圆偏振态，再经过偏振分光棱镜3后，由于PBS的检偏作用，飞秒脉冲的偏振态又会变为线偏振。不同的椭圆偏振态在该线偏振方向上的分量不同，这就导致了飞秒脉冲在通过偏振分光棱镜后，功率会随着椭圆偏振态的改变而改变，而椭圆偏振态的变化受液晶延迟器外加电压V的控制，因此通过电控系统14来调控液晶延迟器的外加电压V就能调节飞秒脉冲进入到光子晶体光纤5中的功率。飞秒脉冲进入到光子晶体光纤5中的功率变化会导致各阶光孤子中心波长(λ₁、λ₂以及λ₃)的移动，从而实现多孤子的光谱同步扫描。

第一折射率渐变多模光纤61和第一单模光纤71串联构成了飞秒脉冲光谱压缩部分。第一折射率渐变多模光纤61为脉冲提供负啁啾参量，第一单模光纤71的零色散点在1550～1560nm，能使脉冲在其正常色散区传输，在自相位调制的影响下，带负啁啾参量的脉冲在正常色散区传输时将发生光谱压缩。如图1所示，这一光谱压缩部分分别用于了斯托克斯光路和泵浦光路，使得各阶光孤子和泵浦光脉冲的光谱谱宽均得到了压缩，从而提高了CARS显微成像的光谱分辨率。

当残余泵浦光脉冲与3个光孤子从第一光纤环行器81的一端输入时，其中基阶孤子将被第一啁啾光纤光栅91反射到另一个输出端，从而被滤出，残余泵浦光脉冲与剩下的其他光孤子将透射至第二光纤环形器82。飞秒脉冲在光子晶体光纤5中传输时，由于脉冲内拉曼散射效应以及光纤色散效应的相互作用，形成光孤子并且发生孤子自频移现象，即光子晶体光纤5输出光孤子的中心波长随进入光子晶体光纤5的飞秒脉冲光功率的增加而向长波长方向移动，当进入光子晶体光纤5的飞秒脉冲光功率超过基阶孤子的功率阈值时会同时产生基阶孤子和二阶孤子，同理，当进入光子晶体光纤5的飞秒脉冲光功率超过二阶孤子的功率阈值时会同时产生基阶孤子、二阶孤子和三阶孤子。通过第一光纤环形器81和第一啁啾光纤光栅91的组合可以在第一光纤环形器81的输出端得到基阶孤子，而残余泵浦光脉冲和二阶孤子、三阶孤子则继续入射至第二光纤环形器82；

重复上述过程，滤出二阶孤子。此时只剩下三阶孤子与残余泵浦光脉冲，用长周期光纤光栅10反射滤掉残余泵浦光脉冲，从而透射滤出三阶孤子。上述整个滤波部分可以依次将各个光孤子全部滤出，并同时作为斯托克斯光脉冲输出，实现了多孤子的多点输出。

图1中在泵浦光路上采用光纤1×3分束器11将泵浦光脉冲分为了3个光路，分别为基阶孤子、二阶孤子、三阶孤子提供了泵浦光脉冲，并且三束泵浦光脉冲分别由第一、第二、第三光纤延迟线121、122、123控制各自的延时量，使三束泵浦光脉冲分别与基阶孤子、二阶孤子、三阶孤子时间重叠，之后分别经由第一、第二、第三合束器131、132、133合束，并输出至第一、第二、第三输出端151、152、153。

Claims (5)

1.一种基于多孤子同步扫描的多点输出CARS激发源生成装置，其特征在于，该装置包括飞秒光纤激光器(1)、液晶延迟器(2)、偏振分光棱镜(3)、第一、第二耦合镜(41)(42)、光子晶体光纤(5)、第一、第二折射率渐变多模光纤(61)(62)、第一、第二单模光纤(71)(72)、滤波部分、光纤1×3分束器(11)、第一、第二、第三光纤延迟线(121)(122)(123)、第一、第二、第三合束器(131)(132)(133)、电控系统(14)和第一、第二、第三输出端口(151)(152)(153)；所述滤波部分由第一、第二光纤环行器(81)(82)、第一、第二啁啾光纤光栅(91)(92)以及长周期光纤光栅(10)构成，其中：

飞秒光纤激光器(1)产生的飞秒脉冲，经液晶延迟器(2)和偏振分束棱镜(3)后被分束为功率可调的两束飞秒脉冲；其中，一束所述飞秒脉冲由第一耦合镜(41)耦合到光子晶体光纤(5)中传输，在光子晶体光纤(5)中产生3个光孤子即基阶孤子、二阶孤子以及三阶孤子，所述基阶孤子、二阶孤子以及三阶孤子依次经第一折射率渐变多模光纤(61)和第一单模光纤(71)进行啁啾谱压缩，压缩后的各个光孤子通过滤波部分被透射滤出，均作为斯托克斯光脉冲；另一束所述飞秒脉冲经第二耦合镜(42)耦合到第二折射率渐变多模光纤(62)与第二单模光纤(72)中进行啁啾谱压缩，再经光纤1×3分束器(11)分束成3个光路，作为泵浦光脉冲；残余泵浦光脉冲与3个光孤子从第一光纤环行器(81)的入射端输入，其中基阶孤子被第一啁啾光纤光栅(91)反射到第一光纤环行器(81)的输出端；残余泵浦光脉冲与二阶孤子、三阶孤子从第二光纤环行器(82)的入射端输入，其中二阶孤子被第二啁啾光纤光栅(92)反射到第二光纤环行器(82)的输出端；剩下的三阶孤子与残余泵浦光脉冲，用长周期光纤光栅(10)反射滤掉残余泵浦光脉冲，透射滤出三阶孤子；

第一、第二、第三光纤延迟线(121)(122)(123)分别设置于泵浦光脉冲经光纤1×3分数器11输出的每个光路上，调控泵浦光脉冲与光孤子时间同步；电控系统(14)同时调控第一、第二、第三光纤延迟线(121)(122)(123)的延迟量，滤出的基阶孤子、二阶孤子和三阶孤子与三束泵浦光脉冲分别在第一、第二、第三合束器(131)(132)(133)处合束，并且分别由第一、第二、第三输出端(151)、(152)、(153)输出，实现多孤子多点输出。

2.如权利要求1所述的一种基于多孤子同步扫描的多点输出CARS激发源装置，其特征在于，所述液晶延迟器(2)上的外加电压V发生改变；随着液晶延迟器(2)外加电压V的改变，飞秒脉冲的相位延迟发生改变，其偏振态变成随外加电压变化的椭圆偏振态，再经过偏振分光棱镜(3)后，飞秒脉冲的偏振态变为线偏振态。

3.如权利要求1所述的一种基于多孤子同步扫描的多点输出CARS激发源装置，其特征在于，所述电控系统(14)通过调控液晶延迟器的外加电压V来调节飞秒脉冲进入到光子晶体光纤(5)中的功率；飞秒脉冲进入到光子晶体光纤(5)中的功率变化会导致各阶光孤子中心波长λ₁、λ₂和λ₃的移动，从而实现多孤子的光谱同步扫描。

4.如权利要求1所述的一种基于多孤子同步扫描的多点输出CARS激发源装置，其特征在于，所述功率可调是调节飞秒脉冲进入到光子晶体光纤中的功率；飞秒脉冲进入到光子晶体光纤中的功率变化会导致各阶光孤子中心波长λ₁、λ₂和λ₃的移动，从而实现多孤子的光谱同步扫描。

5.一种基于多孤子同步扫描的多点输出CARS激发源产生方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

由光纤激光器产生飞秒脉冲，经液晶延迟器和偏振分光棱镜后实现功率可调并分束，一束经光子晶体光纤产生多个光孤子，再依次经第一折射率渐变多模光纤和第一单模光纤进行啁啾谱压缩，压缩后的各个光孤子通过滤波部分被依次滤出；另一束飞秒脉冲作为泵浦光，耦合进第二折射率渐变多模光纤与第二单模光纤中进行啁啾谱压缩后经光纤分束器分束，形成多个泵浦光，再电控调节多个光纤延迟线同时实现泵浦光与各个光孤子的脉冲同步，最后分别合束输出，构成多点输出的CARS激发源。

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