CN108362676B - 基于光子晶体光纤探针激发的cars显微成像装置和方法 - Google Patents

基于光子晶体光纤探针激发的cars显微成像装置和方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于光子晶体光纤探针激发的CARS显微成像装置和方法，该装置包括飞秒激光器输入光源、泵浦光脉冲光路和斯托克斯光脉冲光路、高非线性保偏光子晶体光纤、待测样品、集光物镜和信号检测及数据处理系统，高非线性保偏光子晶体光纤即用作CARS显微成像系统中斯托克斯光脉冲的产生器件，又用作系统中泵浦光脉冲的导光器件，使高非线性保偏光子晶体光纤输出的泵浦光和斯托克斯光直接入射至待测样品表面，分析反斯托克斯拉曼散射信号的强弱及空间分布，重构待测样品中特定化学键的空间分布。与现有技术相比，本发明简化系统结构，简便系统操作，降低系统成本，提高了系统可集成度，有助于将CARS显微成像系统从科学研究推向实际应用。

Description

基于光子晶体光纤探针激发的CARS显微成像装置和方法
技术领域
本发明属于非线性光学和显微成像领域，涉及一种基于光子晶体光纤导光和探针激发的CARS显微成像方法和装置。
背景技术
普通光学显微镜由于受到光波衍射效应的影响，其往往在空间分辨率存在理论极限，且不能进行化学选择性成像。因此人们提出了通过增加物象与背景的反差来改善成像质量、提高图像清晰度、以及增加化学选择性等。
相干反斯托克斯拉曼散射（Coherent Anti-Stokes Raman Scattering，CARS）成像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。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。传统的CARS显微成像系统存在着体积庞大、调节繁琐、维护困难等缺点，导致其只能在实验室中进行科学研究使用。本发明涉及一种基于光子晶体光纤导光和探针激发的CARS显微成像方法和装置，简化了传统CARS显微成像系统中的激发光束准直、扩束、聚焦部分，该方法充分利用高非线性保偏光子晶体光纤芯径细小的优点，使高非线性保偏光子晶体光纤输出的泵浦光和斯托克斯光直接入射至待测样品表面，具有结构简单、调节方便、易于集成等优点，对于CARS显微成像技术的实际应用具有重要意义。
发明内容
本发明提出一种基于光子晶体光纤探针激发的CARS显微成像装置和方法，高非线性保偏光子晶体光纤即用作CARS显微成像系统中斯托克斯光脉冲的产生器件，又用作系统中泵浦光脉冲的导光器件，同时根据其芯径细小的特点，将其直接用于系统中的激发器件，使高非线性保偏光子晶体光纤输出的泵浦光和斯托克斯光直接入射至待测样品表面，来实现CARS显微成像。
本发明的一种基于光子晶体光纤探针激发的CARS显微成像装置，该装置包括飞秒激光器输入光源、泵浦光脉冲光路和斯托克斯光脉冲光路、高非线性保偏光子晶体光纤、待测样品、集光物镜和信号检测及数据处理系统，具体结构如下：
飞秒激光器1输出脉宽为百飞秒量级、水平线偏振的飞秒脉冲，经第一二分之一波片2后入射至偏振分束棱镜3，偏振分束棱镜3将入射光脉冲分为一路水平偏振光和一路竖直偏振光；
所述斯托克斯光脉冲光路的构成：由所述水平偏振光经第一可调空间衰减器4后入射至合束器11，合束器11透射输出的光脉冲经光纤耦合镜12耦合至高非线性保偏光子晶体光纤13；
所述泵浦光脉冲光路的构成：由所述竖直偏振光经窄带滤光片5、第一反射镜6后入射至可调空间光延时线7，可调空间光延时线7由两个直角反射棱镜71、72和一个高精度电控位移台73组成，第一直角反射棱镜71将入射光脉冲反射至固定于高精度电控位移台的第二直角反射棱镜72，同时将第二直角反射棱镜72反射回来的光脉冲通过其另一直角边反射输出，高精度电控位移台73用于改变泵浦光路的时间延迟，确保泵浦光脉冲和斯托克斯光脉冲的时间重叠；可调空间光延时线7输出的光脉冲依次经第二反射镜8、第二二分之一波片9、第二可调空间光衰减器10后入射至合束器11，合束器11反射输出的光脉冲经光纤耦合镜12进入高非线性保偏光子晶体光纤13，
所述高非线性保偏光子晶体光纤13输出的时间重叠的泵浦光脉冲和斯托克斯光脉冲直接入射至置于三维电控载物台14上的待测样品，激发待测样品在不同空间位置处的反斯托克斯拉曼散射信号；
高数值孔径的集光物镜15用于将样品产生的反斯托克斯拉曼散射信号收集并经短通滤光片16滤除残余泵浦光和斯托克斯光以及其他杂散光后入射至信号检测及数据处理系统17，分析反斯托克斯拉曼散射信号的强弱及空间分布，重构待测样品中特定化学键的空间分布。
本发明的一种基于光子晶体光纤探针激发的CARS显微成像方法，该方法包括以下步骤：
步骤1、将飞秒脉冲激光器输出的水平线偏振的飞秒脉冲偏振方向旋转45°，将偏振方向旋转后的飞秒脉冲分为功率相等的水平偏振光脉冲和竖直偏振光脉冲；
步骤2、其中一束水平偏振光脉冲依次经光功率调节、合束反射，耦合进高非线性保偏光子晶体光纤，且偏振方向与高非线性保偏光子晶体光纤的快轴或慢轴同向，，将由高非线性保偏光子晶体光纤的孤子自频移效应所产生的波长可调谐的光孤子作为斯托克斯光脉冲，获得斯托克斯光脉冲光路；
另一束竖直偏振光脉冲依次经过以下处理：进行光谱滤波即飞秒脉冲的光谱半高全宽从10nm以上减小至0.2nm；调节光脉冲的相对延时使其在高非线性保偏光子晶体光纤输出端与斯托克斯光脉冲实现时间重叠；将光脉冲的偏振态由竖直变为水平，使之与产生的斯托克斯光脉冲偏振态相同；调节光脉冲的光功率、减小光脉冲在高非线性保偏光子晶体光纤中的非线性效应，获得泵浦光脉冲光路；
步骤3、将时间重叠的泵浦光脉冲和斯托克斯光脉冲直接入射至待测样品；
步骤4、激发待测样品不同空间位置处的反斯托克斯拉曼散射信号；
步骤5、收集样品产生的反斯托克斯拉曼散射信号并经滤除残余泵浦光和斯托克斯光以及其他杂散光后，分析反斯托克斯拉曼散射信号的强弱及空间分布，重构待测样品中特定化学键的空间分布。
与现有技术相比，本发明具有如下积极效果：
本发明省去了传统CARS显微成像系统中的准直、扩束、聚焦部分，简化系统结构，简便系统操作，降低系统成本，提高了系统可集成度，有助于将CARS显微成像系统从科学研究推向实际应用。
附图说明
图1为本发明的基于光子晶体光纤探针激发的CARS显微成像装置结构示意图；
图2为本发明的基于光子晶体光纤探针激发的CARS显微成像方法整体流程示意图；
附图标记：
1、飞秒激光器，2、第一二分之一波片，3、偏振分束棱镜，4、第一可调空间光衰减器，5、窄带滤光片，6、第一反射镜，7、可调空间光延时线，8、第二反射镜，9、第二二分之一波片，10、第二可调空间光衰减器，11、合束器，12、光纤耦合镜，13、高非线性保偏光子晶体光纤，14、三维电控载物台，15、集光物镜，16、短通滤光片，17、信号检测及数据处理系统；
71、第一直角反射棱镜，72、第一直角反射棱镜；73、高精度电控位移台。
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。
如图1所示，为基于光子晶体光纤探针激发的CARS显微成像装置结构示意图。本发明的基于光子晶体光纤导光和探针激发的CARS显微成像装置中包括一条泵浦光脉冲光路和一条斯托克斯光脉冲光路。具体结构描述如下：
飞秒激光器1输出脉宽为百飞秒量级、水平线偏振的飞秒脉冲，经第一二分之一波片2后入射至偏振分束棱镜3，偏振分束棱镜3将入射光脉冲分为一路水平偏振光和一路竖直偏振光；
其中的水平偏振光经第一可调空间衰减器4后入射至合束器11，合束器11透射输出的光脉冲经光纤耦合镜12耦合至高非线性保偏光子晶体光纤13；
所述第一可调空间光衰减器4用于调节入射至高非线性保偏光子晶体光纤的光功率，由于高非线性保偏光子晶体光纤的孤子自频移效应会产生波长向长波方向移动的光孤子，且光孤子的中心波长随入射至高非线性保偏光子晶体光纤光功率的变化而增加，因此可以通过调节可调空间光衰减器实现光孤子中心波长的大范围扫描，用作CARS显微成像系统的斯托克斯光脉冲。
另一路竖直偏振光则经窄带滤光片5、第一反射镜6后入射至可调空间光延时线7，可调空间光延时线7由两个直角反射棱镜和一个高精度电控位移台组成，第一直角反射棱镜71将入射光脉冲反射至固定于高精度电控位移台73的第二直角反射镜72，高精度电控位移台73用于改变泵浦光路的时间延迟，确保泵浦光脉冲和斯托克斯光脉冲的时间重叠。同时将第二直角反射棱镜72反射回来的光脉冲通过其另一直角边反射输出。可调空间光延时线7输出的光脉冲依次经第二反射镜8、第二二分之一波片9、第二可调空间光衰减器10后入射至合束器11，合束器11反射输出的光脉冲经光纤耦合镜12进入高非线性保偏光子晶体光纤13，用作CARS显微成像系统中的泵浦光脉冲；其中：
窄带滤光片5用于光谱滤波，将飞秒脉冲的光谱半高全宽从10nm以上减小至0.2nm，同时，由于脉冲变换极限的限制，飞秒脉冲光谱变窄的同时其脉冲时间宽度会展宽，故其脉冲峰值功率会降低，因此窄带滤光片会使减小泵浦光脉冲在高非线性保偏光子晶体光纤中传输时的非线性效应，同时提高CARS系统的光谱分辨率；
可调空间光延时线7用于调节泵浦光脉冲的相对延时，使其在高非线性保偏光子晶体光纤输出端与斯托克斯光脉冲实现时间重叠；
第二二分之一波片9用于将泵浦光脉冲的偏振态由竖直变为水平，使之与产生的斯托克斯光脉冲偏振态相同，提高CARS显微成像系统的激发效率；
第二可调空间光衰减器10用于进一步调节脉冲泵浦光脉冲的光功率，减小泵浦光脉冲在高非线性保偏光子晶体光纤中的非线性效应。
高非线性保偏光子晶体光纤13输出的时间重叠的泵浦光脉冲和斯托克斯光脉冲直接入射至置于三维电控载物14台上的待测样品，由于高非线性保偏光子晶体光纤芯径非常细小（纤芯直径1.5μm），且具有较高的空气孔填充率（大于85%），因此能够将泵浦光脉冲和产生的斯托克斯光脉冲强烈的束缚在纤芯区域，使高非线性保偏光子晶体光纤末端端面在接近待测样品时，就能够达到CARS系统中发生四波混频效应的阈值，激发待测样品的反斯托克斯拉曼散射信号；
三维电控载物台14将待测样品进行逐点式的三维空间移动，用于激发待测样品不同空间位置处的反斯托克斯拉曼散射信号；
高数值孔径的集光物镜15用于将样品产生的反斯托克斯拉曼散射信号收集并经短通滤光片滤除残余泵浦光和斯托克斯光以及其他杂散光后入射至由光电倍增管和采集卡等组成的信号检测及数据处理系统，分析反斯托克斯拉曼散射信号的强弱及空间分布，重构待测样品中特定化学键的空间分布。
高非线性保偏光子晶体光纤13将输出的时间重叠的泵浦光脉冲和斯托克斯光脉冲直接入射至置于三维电控载物台14上的待测样品，激发位于三维电控载物台上14的样品的反斯托克斯拉曼散射信号，集光物镜15将收集到的反斯托克斯拉曼散射信号经短通滤光片16入射至由光电倍增管和采集卡等组成的信号检测及数据处理系统17，进行反斯托克斯拉曼散射信号的处理分析以及待测样品中特定化学键的空间分布重构。
本发明提出的基于光子晶体光纤导光和探针激发的CARS显微成像方法，包括以下步骤：
步骤1、将飞秒脉冲激光器输出的水平线偏振的飞秒脉冲偏振方向旋转45°，将偏振方向旋转后的飞秒脉冲分为功率相等的水平偏振光脉冲和竖直偏振光脉冲：
步骤2、其中一束水平偏振光脉冲依次经光功率调节、合束反射，耦合进高非线性保偏光子晶体光纤，且偏振方向与高非线性保偏光子晶体光纤的快轴（或慢轴）同向，获得斯托克斯光脉冲光路；
另一束竖直偏振光脉冲依次经过以下处理：进行光谱滤波即飞秒脉冲的光谱半高全宽从10nm以上减小至0.2nm；调节光脉冲的相对延时使其在高非线性保偏光子晶体光纤输出端与斯托克斯光脉冲实现时间重叠；将光脉冲的偏振态由竖直变为水平，使之与产生的斯托克斯光脉冲偏振态相同；调节光脉冲的光功率、减小光脉冲在高非线性保偏光子晶体光纤中的非线性效应，获得泵浦光脉冲光路；
步骤3、将时间重叠的泵浦光脉冲和斯托克斯光脉冲直接入射至待测样品；
步骤4、激发待测样品不同空间位置处的反斯托克斯拉曼散射信号；
步骤5、收集样品产生的反斯托克斯拉曼散射信号并经滤除残余泵浦光和斯托克斯光以及其他杂散光后，分析反斯托克斯拉曼散射信号的强弱及空间分布，重构待测样品中特定化学键的空间分布。
本发明中，高非线性保偏光子晶体光纤即用作CARS显微成像系统中斯托克斯光脉冲的产生器件，又用作系统中泵浦光脉冲的导光器件，同时根据其芯径细小的特点，将其直接用于系统中的激发器件，省去了传统CARS显微成像系统中的准直、扩束、聚焦部分，简化系统结构，简便系统操作，降低系统成本，提高了系统可集成度，有助于将CARS显微成像系统从科学研究推向实际应用。

Claims (2)

1.一种基于光子晶体光纤探针激发的CARS显微成像装置，其特征在于，该装置包括飞秒激光器输入光源、泵浦光脉冲光路和斯托克斯光脉冲光路、高非线性保偏光子晶体光纤、待测样品、集光物镜和信号检测及数据处理系统，具体结构如下：
飞秒激光器（1）输出脉宽为百飞秒量级、水平线偏振的飞秒脉冲，经第一二分之一波片（2）后入射至偏振分束棱镜（3），偏振分束棱镜（3）将入射光脉冲分为一路水平偏振光和一路竖直偏振光；
所述斯托克斯光脉冲光路的构成：由所述水平偏振光经第一可调空间衰减器（4）后入射至合束器（11），所述合束器（11）透射输出的光脉冲经光纤耦合镜（12）耦合至高非线性保偏光子晶体光纤（13）；
所述泵浦光脉冲光路的构成：由所述竖直偏振光经窄带滤光片（5）、第一反射镜（6）后入射至可调空间光延时线（7），可调空间光延时线（7）由两个直角反射棱镜（71）、（72）和一个高精度电控位移台（73）组成，第一直角反射棱镜（71）将入射光脉冲反射至固定于高精度电控位移台的第二直角反射棱镜（72），同时将第二直角反射棱镜（72）反射回来的光脉冲通过其另一直角边反射输出，高精度电控位移台（73）用于改变泵浦光路的时间延迟，确保泵浦光脉冲和斯托克斯光脉冲的时间重叠；可调空间光延时线（7）输出的光脉冲依次经第二反射镜（8）、第二二分之一波片（9）、第二可调空间光衰减器（10）后入射至合束器（11），合束器（11）反射输出的光脉冲经光纤耦合镜（12）进入高非线性保偏光子晶体光纤（13），
所述高非线性保偏光子晶体光纤（13）输出的时间重叠的泵浦光脉冲和斯托克斯光脉冲直接入射至置于三维电控载物台（14）上的待测样品，激发待测样品在不同空间位置处的反斯托克斯拉曼散射信号；
高数值孔径的集光物镜（15）用于将样品产生的反斯托克斯拉曼散射信号收集并经短通滤光片（16）滤除残余泵浦光和斯托克斯光以及其他杂散光后入射至信号检测及数据处理系统（17），分析反斯托克斯拉曼散射信号的强弱及空间分布，重构待测样品中特定化学键的空间分布。
2.基于权利要求1所述的一种基于光子晶体光纤探针激发的CARS显微成像装置的一种基于光子晶体光纤探针激发的CARS显微成像方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤（1）、将飞秒脉冲激光器输出的水平线偏振的飞秒脉冲偏振方向旋转45°，将偏振方向旋转后的飞秒脉冲分为功率相等的水平偏振光脉冲和竖直偏振光脉冲；
步骤（2）、其中一束水平偏振光脉冲依次经光功率调节、合束反射，耦合进高非线性保偏光子晶体光纤，且偏振方向与高非线性保偏光子晶体光纤的快轴或慢轴同向，将由高非线性保偏光子晶体光纤的孤子自频移效应所产生的波长可调谐的光孤子作为斯托克斯光脉冲，获得斯托克斯光脉冲光路；
另一束竖直偏振光脉冲依次经过以下处理：进行光谱滤波即飞秒脉冲的光谱半高全宽从10nm以上减小至0.2nm；调节光脉冲的相对延时使其在高非线性保偏光子晶体光纤输出端与斯托克斯光脉冲实现时间重叠；将光脉冲的偏振态由竖直变为水平，使之与产生的斯托克斯光脉冲偏振态相同；调节光脉冲的光功率、减小光脉冲在高非线性保偏光子晶体光纤中的非线性效应，获得泵浦光脉冲光路；
步骤（3）、将时间重叠的泵浦光脉冲和斯托克斯光脉冲直接入射至待测样品；
步骤（4）、激发待测样品不同空间位置处的反斯托克斯拉曼散射信号；
步骤（5）、收集样品产生的反斯托克斯拉曼散射信号并经滤除残余泵浦光和斯托克斯光以及其他杂散光后，分析反斯托克斯拉曼散射信号的强弱及空间分布，重构待测样品中特定化学键的空间分布。
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