CN108007571B - 基于光纤耦合的cars光束空间稳定性测试控制系统和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于光纤耦合的CARS光束空间稳定性测试控制装置和方法，该系统由CARS显微激发源(100)、光束空间稳定性检测装置(200)和光束反馈控制系统(300)三部分组成，由所述CARS显微激发源(100)输出的空间光束，经所述光束空间稳定性检测装置(200)实时监控空间状态，通过所述光束反馈控制系统(300)对空间光束进行调整，最终，由CARS显微激发源100输出光束空间稳定性的测试和控制。与现有技术相比，本发明使泵浦光束的空间状态在可调空间光延时线改变时保持稳定；避免了CARS显微成像系统中需要频繁调节空间光路以确保泵浦光和斯托克斯光空间重叠的问题，简化了操作流程，提高了探测效率。
Description
技术领域
本发明涉及空间光学及光纤光学领域，特别是涉及一种基于光纤耦合的CARS显微成像系统光束空间状态的稳定性检测和调节控制。
背景技术
相干反斯托克斯拉曼散射(CoherentAnti-Stokes Raman Scattering，CARS)技术是一种利用物质中分子的共振能级进行探测的非接触式显微成像技术，其本质是四波混频的三阶非线性过程。通常，CARS显微成像技术利用泵浦光和斯托克斯光同时聚焦至待测样品，当泵浦光和斯托克斯光的频率差等于样品中目标化学键的振动频率，且三者满足相位匹配条件时，将激发出待测样品的反斯托克斯信号，即CARS信号。1965年，Ford Motor公司的Maker和Terhune首次提出了CARS技术，并对其进行了系统的论证；1982年，美国海军实验室的M.D.Duncan等人通过将两台染料激光器输出的连续激光聚焦在待测样品中激发CARS光谱信号，首次成功地实现了CARS显微成像技术；1999年，美国华盛顿州西北太平洋国家实验室的X.Sunney Xie等人使用共线紧聚焦方案满足CARS激发中相位匹配条件，同时使用近红外光替换可见光激发CARS信号削弱非共振背景噪声，克服了早期限制CARS显微成像技术的关键瓶颈，促使CARS显微成像技术进入高速发展的时期。CARS显微成像技术具有高空间分辨能力、高探测灵敏度、无需外源标记以及固有的三维层析能力等优点，避免了自发拉曼散射显微成像过程中无法快速成像的缺点，同时避免了荧光显微成像技术中外源性标记对生物分子自身性质的影响，以及荧光标记的光致漂白和光毒性等问题。因此，CARS显微成像技术在生物学、医药学、生命科学、物理化学以材料学等领域引起越来越多的关注。
CARS显微成像系统中，由泵浦光脉冲和斯托克斯光脉冲同时聚焦入射至待测样品以产生CARS信号，因此需要两束脉冲在入射至聚焦物镜前实现空间和时间的重叠，故高精度可调空间光延时系统在CARS显微成像系统中是必不可少的，用以调节泵浦光脉冲(或斯托克斯光脉冲)的相对延时，以实现两束光脉冲的时间重叠，之后通过合束器将两束脉冲合束实现两束光脉冲的空间重叠，最后经高数值孔径物镜聚焦入射至待测样品，两束高能超短光脉冲与样品由四波混频效应产生CARS信号。然而，由于空间光路调节过程中的各种不完善(例如可调空间光延时系统入射光束并非完全的水平入射、入射角度不等于45度等)，当可调空间光延时系统的延时量改变时，其输出光束的空间状态也会变化，在CARS显微成像系统中，由于需要使用高数值孔径物镜将合束后的光束聚焦至样品，因此样品待测位置处光斑非常小(通常小于1μm)，故光束位置的改变会引起泵浦光脉冲和斯托克斯光脉冲空间重叠的改变，降低CARS信号激发效率，严重影响显微成像质量。
发明内容
本发明目的是本发明涉及一种基于光纤耦合的CARS光束空间稳定性测试控制系统和方法，对于CARS显微成像系统中空间光束稳定性的检测和调节控制，实现了优化和简便的空间光束的调节装置和方法。
本发明提出的一种基于光纤耦合的CARS光束空间稳定性测试控制系统，该系统由CARS显微激发源100、光束空间稳定性检测装置200和光束反馈控制系统300三部分组成，由所述CARS显微激发源100输出的空间光束，经所述光束空间稳定性检测装置200实时监控空间状态，通过所述光束反馈控制系统300对空间光束进行调整，由此实现所述CARS显微激发源100输出光束空间稳定性的测试和控制；其中：
所述CARS显微激发源100包括飞秒激光器1、电控液晶延迟器2、偏振分束棱镜3、光纤耦合镜4、光子晶体光纤5、光纤准直扩束器6、电控光学调整架7、一维电控位移台8、由两块直角反射棱镜9、10和一维高精度电控位移台11组成的可调空间光延时系统、反射镜12和合束器13；
所述光束空间稳定性检测装置200包括光纤耦合镜14、普通单模光纤15和光功率计16；
所述光束反馈控制系统300包括电控光学调整架7、一维电控位移台8、驱动控制器17及计算机18；
在CARS显微激发源100中，飞秒激光器1输出的百飞秒量级脉宽、线偏振的飞秒脉冲光，经电控液晶延迟器2和偏振分束棱镜3后分为功率可调的两束光；其中，一束飞秒脉冲经光纤耦合镜4耦合至光子晶体光纤5，使飞秒脉冲的中心波长位于光子晶体光纤5的反常色散区，产生光孤子；光子晶体光纤5输出的光孤子经光纤准直扩束器6入射至合束器13，作为CARS显微成像系统的斯托克斯光；另一束飞秒脉冲经电控光学调整架7和一维电控位移台8，改变光束空间状态，使之入射至由两块直角反射棱镜9、10和一维高精度电控位移台11组成的可调空间光延时系统中，直角反射棱镜10固定于一维高精度电控位移台11，调节两块直角反射棱镜9、10之间的相对距离以实现光脉冲的时间延迟，可调空间光延时系统的输出光经反射镜12入射至合束器13，作为CARS显微成像系统的泵浦光；
在光束空间稳定性检测装置200中，通过CARS显微激发源100中的合束器13输出的两束光经光纤耦合镜14耦合至普通单模光纤15，使CARS显微激发源100输出的空间光束恰好充满光纤耦合镜14的接收面，使光纤耦合镜14的镜面竖直放置；普通单模光纤15输出端接光功率计16；
在光束反馈控制系统300中，计算机18用于实时采集光功率计16的读数、同时驱动控制器17控制电控光学调整架7和一维电控位移台8。
本发明的一种基于光纤耦合的CARS光束空间稳定性测试控制方法，该方法包括以下步骤：
利用CARS显微激发源100实现以下处理：
将飞秒激光器1输出百飞秒量级脉宽、线偏振的飞秒脉冲光经电控液晶延迟器2和偏振分束棱镜3后，分为功率可调的两束光；
将其中一束飞秒脉冲经光纤耦合镜4耦合至光子晶体光纤5，使飞秒脉冲的中心波长位于光子晶体光纤5的反常色散区，通过孤子自频移效应，产生光孤子；调节入射至光子晶体光纤5功率的大小，输出的光孤子波长随之发生变化，实现光子晶体光纤5输出光孤子波长的扫描；将光子晶体光纤5输出的光孤子经光纤准直扩束器6入射至合束器13，用作CARS显微成像系统的斯托克斯光；
将另一束飞秒脉冲经电控光学调整架7和一维电控位移台8改变光束空间状态，使之入射至由两块直角反射棱镜9、10和一维高精度电控位移台11组成的可调空间光延时系统中；
调节两块直角反射棱镜9、10之间的相对距离以实现光脉冲的时间延迟，可调空间光延时系统的输出光经反射镜12入射至合束器13，形成CARS显微成像系统的泵浦光；
利用光束空间稳定性检测装置200实现以下处理：
将CARS显微激发源100中的合束器13输出的两束光经光纤耦合镜14耦合至普通单模光纤15，使CARS显微激发源100输出的空间光束恰好充满光纤耦合镜14的接收面；
同时调节光纤耦合镜14的空间状态，使光纤耦合镜14的镜面竖直；
利用光功率计16实时测量输出光功率大小；
当入射至光纤耦合镜14的光束空间状态发生位移或旋转时，耦合至普通单模光纤15的光功率减小，用光功率计16读数的变化表征当可调空间光延时系统的延时量变化时空间光束的稳定性的变化；
利用光束反馈控制系统300实现以下处理：
利用计算机18实时采集光功率计16的读数，同时驱动控制器17来控制电控光学调整架7和一维电控位移台8，实现对入射至可调空间光延时系统的光束空间状态的反馈调节；
通过反馈控制实现：当可调空间光延时系统的延时量改变时，保持光功率计16的读数最高，从而保持光束空间状态稳定；
最终，由此实现CARS显微激发源100输出光束空间稳定性的测试和控制结果。
与现有技术相比，本发明达到的技术效果如下：
由于激发源输出泵浦光的空间状态受光路中可调空间光延时线的影响，光束空间稳定性检测装置则用于检测泵浦光空间状态的变化，为光束反馈控制系统提供调节参数，同时光束反馈控制系统通过一维电控位移台和电控光学调整架实现泵浦光束的反馈控制，使泵浦光束的空间状态在可调空间光延时线改变时保持稳定；
该系统避免了CARS显微成像系统中需要频繁调节空间光路以确保泵浦光和斯托克斯光空间重叠的问题，简化了操作流程，提高了探测效率。
附图说明
图1为基于光纤耦合的CARS光束空间稳定性测试控制系统的结构示意图，
图2为光束空间稳定性检测的原理示意图。
附图标记说明如下：
100、CARS显微激发源，200、光束空间稳定性检测装置，300、光束反馈控制系统；
1、飞秒激光器，2、电控液晶波片，3、偏振分束棱镜，4、光纤耦合镜，5、光子晶体光纤，6、光纤准直扩束器，7、电控光学调整架，8、一维电控位移台，9、10、直角反射棱镜，11、一维高精度电控位移台，12、反射镜，13、合束器，14、光纤耦合镜，15、普通单模光纤，16、光功率计，17、驱动控制器，18、计算机。
具体实施方式
本发明最终实现：当CARS显微激发源连续工作时，可调空间光延时系统的延时量的改变不会引起CARS显微激发源输出光束空间状态的变化，即保持了输出光束空间状态的稳定性。
下面将结合附图对本发明的技术方案作进一步的详细描述。
本发明的基于光纤耦合的CARS显微成像系统中光束空间稳定性测试控制系统，整个系统由三部分组成：CARS显微激发源100、光束空间稳定性检测装置200和光束反馈控制系统300；其中，CARS显微激发源100包括飞秒激光器1、电控液晶延迟器2、偏振分束棱镜3、光纤耦合镜4、光子晶体光纤5、光纤准直扩束器6、电控光学调整架7、一维电控位移台8、可调空间光延时系统包括两块直角反射棱镜9、10和一维高精度电控位移台11、反射镜12、合束器13；光束空间稳定性检测装置200包括光纤耦合镜14、普通单模光纤15和光功率计16；光束反馈控制系统300包括电控光学调整架7、一维电控位移台8、驱动控制器17及计算机18。
在CARS显微激发源100中：飞秒激光器1输出百飞秒量级脉宽、线偏振的飞秒脉冲光，经电控液晶延迟器2和偏振分束棱镜3后分为功率可调的两束光。其中，一束飞秒脉冲经光纤耦合镜4耦合至光子晶体光纤5，由于所使用的光子晶体光纤5具有双零色散波长、高非线性等特点，使飞秒脉冲的中心波长位于光子晶体光纤5的反常色散区，通过孤子自频移效应，产生光孤子，调节入射至光子晶体光纤5功率的大小，输出的光孤子波长随之发生变化，因此通过光功率的调节即可实现光子晶体光纤5输出光孤子波长的扫描。光子晶体光纤5输出的光孤子经光纤准直扩束器6入射至合束器13，用作CARS显微成像系统的斯托克斯光。另一束飞秒脉冲经电控光学调整架7和一维电控位移台8，改变光束空间状态(包括方向、高度、位置)，使之入射至由两块直角反射棱镜9、10和一维高精度电控位移台11组成的可调空间光延时系统中，可调空间光延时系统中的一块直角反射棱镜10固定于一维高精度电控位移台11，可以调节两块直角反射棱镜9、10之间的相对距离以实现光脉冲的时间延迟，可调空间光延时系统的输出光经反射镜12入射至合束器13，用作CARS显微成像系统的泵浦光。
光束空间稳定性检测装置200中：通过CARS显微激发源100中的合束器13输出的两束光经光纤耦合镜14耦合至普通单模光纤15，使CARS显微激发源100输出的空间光束恰好充满光纤耦合镜14的接收面，同时调节光纤耦合镜14的空间状态，使光纤耦合镜14的镜面竖直放置。普通单模光纤15输出端接光功率计16，实时测量输出光功率大小。当入射至光纤耦合镜14的光束空间状态发生位移或旋转时，耦合至普通单模光纤15的光功率会减小，即可用光功率计16读数的变化表征当可调空间光延时系统的延时量变化时空间光束的稳定性的变化。
光束反馈控制系统300中：计算机18实时采集光功率计16的读数，同时计算机18通过驱动控制器17控制电控光学调整架7和一维电控位移台8，实现对入射至可调空间光延时系统的光束空间状态的反馈调节，通过反馈控制程序可以实现当可调空间光延时系统的延时量改变时，保持光功率计16的读数最高，从而实现保持光束空间状态稳定的效果。
具体实施中，飞秒激光器产生的飞秒脉冲脉宽为100fs～150fs，中心波长为760nm～800nm，平均功率为0.1W～1W，重复频率为1MHz～100MHz，偏振态为水平线偏振。
电控液晶延迟器使用全波向列型液晶延迟器，液晶池厚度为2mm～5mm、通光口径为5mm～15mm、工作波长为650～1050nm、透射率>95％。
偏振分束棱镜工作波长为620～1000nm，材料为N-SF1，透射率>90％，反射率>99.5％。
光纤耦合镜焦距7.5mm，工作波长600～1050nm，束腰直径1.62mm。
光子晶体光纤使用双零色散高非线性光子晶体光纤，短波长的零色散点在750nm处，长波长的零色散点在1260nm处，在波长780nm处的非线性系数为90W-1km-1～100W-1km-1，纤芯直径为2μm～5μm。
光纤准直扩束器焦距15.29mm，工作波长650nm-1050nm，发散角<0.15°，光束直径3.33mm。
一维电控位移台>10mm，轴向定位精度<100μm，负载>3kg，支持编程控制。
电控光学调整架光学调整架和步进电机驱动器组合而成，可实现光束爬高、360°旋转、±4°的俯仰和偏转调节等功能。
可调空间光延时系统由直角反射棱镜(两个)和一维高精度电控位移台组成：直角反射棱镜材料为N-BK7，直角面镀增透膜，工作波长为650nm-1050nm；直流伺服电机行程>50mm，分辨率≤500nm，支持编程控制。
反射镜采用宽带介质膜反射镜，工作波长750nm-1100nm，在0°到45°入射角下，入射光的反射率大于99％。
合束器采用长通二向色分束器，截止波长900nm，透射波长范围932nm～1300nm，绝对透射率>85％，反射波长范围400nm～872nm，绝对反射率>90％。
普通单模光纤采用780HP光纤，包层直径125μm，纤芯直径4.4μm，数值孔径0.13，工作波长780nm～970nm。
光功率计采用数字光功率计，搭配积分球光电二极管功率探头，工作波长800nm～1700nm，功率测量范围1μW～3W，分辨率≤20nW，支持编程控制。
Claims (2)
1.一种基于光纤耦合的CARS光束空间稳定性测试控制系统，其特征在于，该系统由CARS显微激发源(100)、光束空间稳定性检测装置(200)和光束反馈控制系统(300)三部分组成，由所述CARS显微激发源(100)输出的空间光束，经所述光束空间稳定性检测装置(200)实时监控空间状态，通过所述光束反馈控制系统(300)对空间光束进行调整，由此实现所述CARS显微激发源(100)输出光束空间稳定性的测试和控制；其中：
所述CARS显微激发源(100)包括飞秒激光器(1)、电控液晶延迟器(2)、偏振分束棱镜光纤耦合镜(4)、光子晶体光纤(5)、光纤准直扩束器(6)、电控光学调整架(7)、一维电控位移台(8)、由两块直角反射棱镜(9)、(10)和一维高精度电控位移台(11)组成的可调空间光延时系统、反射镜(12)和合束器(13)；
所述光束空间稳定性检测装置(200)包括光纤耦合镜(14)、普通单模光纤(15)和光功率计(16)；
所述光束反馈控制系统(300)包括电控光学调整架(7)、一维电控位移台(8)、驱动控制器(17)及计算机(18)；
在CARS显微激发源(100)中，飞秒激光器(1)输出的百飞秒量级脉宽、线偏振的飞秒脉冲光，经电控液晶延迟器(2)和偏振分束棱镜(3)后分为功率可调的两束光；其中，一束飞秒脉冲经光纤耦合镜(4)耦合至光子晶体光纤(5)，使飞秒脉冲的中心波长位于光子晶体光纤(5)的反常色散区，产生光孤子；光子晶体光纤(5)输出的光孤子经光纤准直扩束器(6)入射至合束器(13)，作为CARS显微成像系统的斯托克斯光；另一束飞秒脉冲经电控光学调整架(7)和一维电控位移台(8)，改变光束空间状态，使之入射至由两块直角反射棱镜(9)、(10)和一维高精度电控位移台(11)组成的可调空间光延时系统中，直角反射棱镜(10)固定于一维高精度电控位移台(11)，调节两块直角反射棱镜(9)、(10)之间的相对距离以实现光脉冲的时间延迟，可调空间光延时系统的输出光经反射镜(12)入射至合束器(13)，作为CARS显微成像系统的泵浦光；
在光束空间稳定性检测装置(200)中，通过CARS显微激发源(100)中的合束器(13)输出的两束光经光纤耦合镜(14)耦合至普通单模光纤(15)，使CARS显微激发源(100)输出的空间光束恰好充满光纤耦合镜(14)的接收面，使光纤耦合镜(14)的镜面竖直放置；普通单模光纤(15)输出端接光功率计(16)；
在光束反馈控制系统(300)中，计算机(18)用于实时采集光功率计(16)的读数、同时驱动控制器(17)控制电控光学调整架(7)和一维电控位移台(8)。
2.一种基于光纤耦合的CARS光束空间稳定性测试控制方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
利用CARS显微激发源(100)实现以下处理：
将飞秒激光器(1)输出百飞秒量级脉宽、线偏振的飞秒脉冲光经电控液晶延迟器(2)和偏振分束棱镜(3)后，分为功率可调的两束光；
将其中一束飞秒脉冲经光纤耦合镜(4)耦合至光子晶体光纤(5)，使飞秒脉冲的中心波长位于光子晶体光纤(5)的反常色散区，通过孤子自频移效应，产生光孤子；调节入射至光子晶体光纤(5)功率的大小，输出的光孤子波长随之发生变化，实现光子晶体光纤(5)输出光孤子波长的扫描；将光子晶体光纤(5)输出的光孤子经光纤准直扩束器(6)入射至合束器(13)，用作CARS显微成像系统的斯托克斯光；
将另一束飞秒脉冲经电控光学调整架(7)和一维电控位移台(8)改变光束空间状态，使之入射至由两块直角反射棱镜(9)、(10)和一维高精度电控位移台(11)组成的可调空间光延时系统中；
调节两块直角反射棱镜(9)、(10)之间的相对距离以实现光脉冲的时间延迟，可调空间光延时系统的输出光经反射镜(12)入射至合束器(13)，形成CARS显微成像系统的泵浦光；
利用光束空间稳定性检测装置(200)实现以下处理：
将CARS显微激发源(100)中的合束器(13)输出的两束光经光纤耦合镜(14)耦合至普通单模光纤(15)，使CARS显微激发源(100)输出的空间光束恰好充满光纤耦合镜(14)的接收面；
同时调节光纤耦合镜(14)的空间状态，使光纤耦合镜(14)的镜面竖直；
利用光功率计(16)实时测量输出光功率大小；
当入射至光纤耦合镜(14)的光束空间状态发生位移或旋转时，耦合至普通单模光纤(15)的光功率减小，用光功率计(16)读数的变化表征当可调空间光延时系统的延时量变化时空间光束的稳定性的变化；
利用光束反馈控制系统(300)实现以下处理：
利用计算机(18)实时采集光功率计(16)的读数，同时驱动控制器(17)来控制电控光学调整架(7)和一维电控位移台(8)，实现对入射至可调空间光延时系统的光束空间状态的反馈调节；
通过反馈控制实现：当可调空间光延时系统的延时量改变时，保持光功率计(16)的读数最高，从而保持光束空间状态稳定；
最终，由此实现CARS显微激发源(100)输出光束空间稳定性的测试和控制结果。
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