CN108400519B

CN108400519B - 同步高分辨多波长相干反斯托克斯拉曼散射光源

Info

Publication number: CN108400519B
Application number: CN201810168240.0A
Authority: CN
Inventors: 杨康文; 叶蓬勃; 郝强; 曾和平
Original assignee: University of Shanghai for Science and Technology
Current assignee: University of Shanghai for Science and Technology
Priority date: 2018-02-28
Filing date: 2018-02-28
Publication date: 2020-06-23
Anticipated expiration: 2038-02-28
Also published as: CN108400519A

Abstract

本发明涉及一种同步高分辨多波长相干反斯托克斯拉曼散射光源，本发明光源为一个光参量振荡器，在光参量振荡器中，通过使用双波长倍频模块将泵浦光与相干反斯托克斯光进行腔内倍频，再通过滤波输出和两长波输出模块，分别将腔内倍频后的两个高频成分激光和剩余的两个低频成分激光输出，应用于CARS成像。能同时输出两组共四束同步的激光，通过腔内双波长倍频模块压缩了光源的谱宽，提高了CARS光源的分辨率，利用反馈延时系统拓展CARS扫描范围，提高了参量转换效率，实现同步高分辨多波长激光输出。光源可同时得到生物样品中高波数与低波数吸收峰的样品信息，拓展了CARS技术对生物样品不同波数处振转能级的探测能力。

Description

同步高分辨多波长相干反斯托克斯拉曼散射光源

技术领域

本发明涉及一种激光拉曼散射光谱探测技术，特别涉及一种同步高分辨多波长相干反斯托克斯拉曼散射光源。

背景技术

显微成像技术的进步大大推动了现代生物医学的发展，现代生物医学的研究使得人们对显微成像技术的要求越来越高。光学成像技术有非接触式测量、无损检测、灵敏度高、分辨率好等特点。其中荧光标记法具有采集灵敏度高，可标记物品种类多的优点，但荧光标记法会干扰生物组织正常的新陈代谢，荧光剂有时甚至会将具有生物活性的细胞杀死。相干反斯托克斯拉曼散射技术（Coherent anti-Stokes Raman scattering，CARS）通过四波混频效应，来探测分子振转能级，通过激发光与待测样品振转能级的共振增强产生信号光，无需对生物样品进行标记，信号光方向性强，易于收集和探测。

目前，绝大多数CARS 系统所采用的光源是两台同步的固体激光器，或者一台固体激光器泵浦的光参量振荡器。这种固体光源成本昂贵，占地庞大，对环境变化十分敏感，一般放置在恒温恒湿的超净间，并且需要专业技术人员定期维护和调整。固体光源对于环境和使用的苛刻要求限制了CARS技术走向实际应用。近年来，光纤激光器因其体积小、重量轻、输出光斑质量好，运行稳定且易于集成，发展十分迅速。将光纤技术与CARS技术结合起来，研究一种便携式、免维护、低成本、易操作的光纤CARS激发源将极大促进CARS成像的发展。

由于光纤纤芯小，长度长，采用光纤作为参量转换介质，发生非线性频率变换时，各种非线性效应相互竞争，导致新产生的激光频域噪声大，谱宽难以压缩，这限制了CARS技术用于生物成像时的频谱分辨能力。为解决该问题，研究人员提出了一些措施，例如通过极窄的光纤光栅和级联式的空间滤波，将参量振荡器的泵浦光谱线宽度压缩到数十皮米，降低泵浦光引入的噪声；又比如采用频谱啁啾的方式，控制入射泵浦光的功率与参量转换光纤的色散特性，开发出具有不止一个零色散波长的特种光纤，实现参量信号光的增益窄化；还可以通过腔外倍频，腔外滤波的方式，压缩参量信号光的光谱宽度。上述三种方案中，窄化泵浦光需要特殊定制的器件，多级空间滤波丧失了全光纤集成化的可能性，多零色散波长的特殊光子晶体光纤严重依赖于材料制造工艺，目前仅在实验室验证阶段，还无法大量生产，腔外倍频和滤波的方式转换效率低，能量利用率受限。

发明内容

本发明是针对传统的CARS光源分辨率低、波长有限、检测样品波数范围小的的问题，提出了一种同步高分辨多波长相干反斯托克斯拉曼散射光源，同时输出两组共四束同步的激光，实现同步高分辨多波长激光输出，有利于提高CARS成像的频谱分辨能力，拓展其样品探测范围。

本发明的技术方案为：一种同步高分辨多波长相干反斯托克斯拉曼散射光源，其特征在于，包括泵浦光源、耦合器、参量转换模块、双波长倍频模块、滤波输出模块、长波输出模块及反馈延时器，泵浦光源输出1030 nm波段的泵浦脉冲光，经耦合器后送入到参量转换模块，经过参量转换模块的四波混频效应将一部分1030 nm泵浦脉冲光转换为850 nm～950 nm闲频脉冲光，1030 nm泵浦脉冲光与850 nm～950 nm的闲频脉冲光共同传输到双波长倍频模块中，双波长倍频模块输出未倍频的1030 nm泵浦脉冲光与850 nm～950 nm的闲频脉冲光，以及倍频后的515 nm的泵浦脉冲倍频光与425 nm～475 nm的闲频脉冲倍频光；滤波输出模块输出倍频后的515 nm的泵浦脉冲倍频光与425 nm～475 nm的闲频脉冲倍频光，用于大波数差生物样品的探测；未倍频的1030 nm泵浦脉冲光与850 nm～950 nm的闲频脉冲光从长波输出模块输出，用于小波数差生物样品的探测；未被长波输出模块输出的1030 nm泵浦脉冲光与850 nm～950 nm的闲频脉冲光经过反馈延时器反馈回耦合器，反馈延时器改变光程，将850 nm～950 nm范围内的闲频脉冲光选择性放大，返回耦合器的脉冲光再次进入参量转换模块和双波长倍频模块，将1030 nm泵浦脉冲光与850 nm～950 nm范围内连续可调的闲频脉冲光进行倍频，得到的515 nm的泵浦倍频脉冲光与425 nm～475 nm可连续调谐的闲频倍频脉冲光从滤波输出模块输出，进行高频大波数差样品的相干反斯托克斯拉曼散射的成像探测；得到的1030 nm泵浦脉冲光与850 nm～950 nm范围内连续可调的闲频脉冲光从长波输出模块输出，进行低频小波数差样品的相干反斯托克斯拉曼散射的成像探测。

本发明的有益效果在于：本发明同步高分辨多波长相干反斯托克斯拉曼散射光源，光源光参量转换，基于光学非线性效应，在同一个转换介质上同时产生两束激光，两束光在时间上同步，空间上重合，对于简化CARS成像的操作有极大好处；光源通过腔内双波长倍频模块，实现高效率、窄谱宽的激光输出，光谱宽度仅为倍频前的一半，进一步提高了CARS光源的光谱分辨率；光源通过滤波输出、两长波输出模块，能够同时实现至少两组四束激光输出，对于生物成像来说，方便选择更适合激发样品的波长，通用性更好；光源通过反馈延时器，不仅能够在色散滤波的效应下，窄化信号光或者闲频光的光谱宽度，还可以实现波长调谐；光源形成了光参量振荡器，通过反馈延时器精确调节参量振荡器的腔长和泵浦光的重复频率，实现共振增强，提高转换效率；光源可同时得到生物样品中高波数与低波数吸收峰的样品信息，拓展了CARS技术对生物样品不同波数处振转能级的探测能力。

附图说明

图1为本发明同步高分辨多波长相干反斯托克斯拉曼散射光源原理图；

图2为本发明同步高分辨多波长相干反斯托克斯拉曼散射光源实施例一示意图；

图3为本发明同步高分辨多波长相干反斯托克斯拉曼散射光源实施例二示意图；

图4为本发明同步高分辨多波长相干反斯托克斯拉曼散射光源实施例三示意图。

具体实施方式

本发明光源形成了光参量振荡器，在光参量振荡器中，通过使用双波长倍频模块将泵浦光与相干反斯托克斯光进行腔内倍频，再通过滤波输出和两长波输出模块，分别将腔内倍频后的两个高频成分激光和剩余的两个低频成分激光输出，应用于CARS成像。能同时输出两组共四束同步的激光，通过腔内双波长倍频模块压缩了光源的谱宽，提高了CARS光源的分辨率，利用反馈延时系统拓展CARS扫描范围，提高了参量转换效率，实现同步高分辨多波长激光输出。

如图1所示为一种同步高分辨率多波长相干反斯托克斯拉曼散射光源的原理示意图。泵浦模块的光源为皮秒脉冲激光器或者连续光激光器。耦合器构建一个环形腔，环形腔的设计能够增加双波长倍频模块的转化效率，参量转换模块可以使波长单一的泵浦光发生四波混频效应，产生信号光或者闲频光。双波长倍频模块可以使泵浦光与信号光或者闲频光发生倍频效应，使频率增加一倍，与之对应的光谱宽度会变窄一半，窄化后的光谱宽度有利于提高CARS成像的分辨率。滤波输出模块将泵浦倍频光与信号光或者闲频光的倍频光从多波段成分的光路中筛选出来，用于探测具有高波数的样品。长波输出模块将倍频模块剩余的，一部分的泵浦光与信号光或者闲频光输出，用于探测具有低波数的样品。如果让泵浦光与信号光、或者闲频光单次通过双波长倍频模块，剩余的能量得不到充分利用。因此另一部分的泵浦光与信号光，或者闲频光经过反馈延时器反馈回到耦合器，经过耦合器耦合后再次进入参量转换模块再次利用。延时器的加入对信号光或者闲频光进行更宽范围的调谐，用于CARS成像得到的样品信息更加丰富。

如图2为应用本发明的实例一，采用全光纤式的环形腔结构。由光纤皮秒脉冲激光器1、耦合器2、参量转换型光子晶体光纤3、双波长倍频型光子晶体光纤4、高频输出耦合器5、高频输出端口6、低频输出耦合器7、低频输出端口8、延时器9构成。

光纤皮秒脉冲激光器1输出1030 nm波段的泵浦脉冲光，经耦合器2后送入到参量转换型光子晶体光纤3，因四波混频效应会有一部分1030 nm泵浦脉冲光产生850 nm～950nm闲频脉冲光，1030 nm泵浦脉冲光与850 nm～950 nm的闲频脉冲光共同传输到双波长倍频型光子晶体光纤4中得到515 nm的泵浦脉冲倍频光与425 nm～475 nm的闲频脉冲倍频光。高频输出耦合器5将515 nm的泵浦脉冲倍频光与425 nm～475 nm的闲频脉冲倍频光从高频输出端口6输出，用于大波数差生物样品的探测。低频输出耦合器7将部分未倍频的1030 nm泵浦脉冲光与850 nm～950 nm的闲频脉冲光从低频输出端口8输出，用于小波数差生物样品的探测。延时器9包括延时光纤与可调光纤延迟线，用于精确调节光程长短到皮秒量级，耦合器2将经过延时器9之后的1030 nm泵浦脉冲光与850 nm～950 nm的闲频脉冲光重新反馈回参量转换型光子晶体光纤3中。通过延时器9改变光程，可以将850 nm～950 nm范围内的闲频脉冲光选择性放大。将1030 nm泵浦脉冲光与850 nm～950 nm范围内连续可调的闲频脉冲光进行倍频，可以得515 nm的泵浦倍频脉冲光与425 nm～475 nm可连续调谐的闲频倍频脉冲光，为此高频输出端口6可以进行高频大波数差样品的相干反斯托克斯拉曼散射的成像探测。低频输出端8口可以进行低频小波数差样品的相干反斯托克斯拉曼散射的成像探测。

如图3为应用本发明的实例二，由光纤皮秒脉冲激光器11、耦合器12、参量转换型光子晶体光纤13、空间输出准直器14、双波长倍频晶体15、低通滤波器16、半波片17、偏振分光棱镜18、空间耦合准直器19、高频输出端口20、低频输出端口21、延时器22构成。

光纤皮秒脉冲激光器11输出1030 nm波段的泵浦脉冲光，经耦合器12输入到参量转换型光子晶体光纤13，参量转换有一部分1030 nm泵浦脉冲光产生850 nm～950 nm闲频脉冲光。1030 nm泵浦脉冲光与850 nm～950 nm的闲频脉冲光经空间输出准直器14传输到双波长倍频晶体15中进行倍频，得到515 nm的泵浦脉冲倍频光与425 nm～475 nm的闲频倍频脉冲光。低通滤波器16将515 nm的泵浦脉冲倍频光与425 nm～475 nm的闲频倍频脉冲光输出，于是可以得到在高频输出端口20进行具有大波数差生物样品的探测。半波片17与偏振分光棱镜18组合在一起可定量调节部分未倍频的1030 nm泵浦脉冲光与850 nm～950 nm闲频脉冲光输出能量的高低，于是可以得到在低频输出端口21进行具有小波数差生物样品的探测。采用一个空间耦合准直器19将未输出未倍频的1030 nm泵浦脉冲光与850 nm～950nm闲频脉冲光引入延时器22，延时器22包括延时光纤和可调光纤延时线，用于调节光程长短，精确到皮秒量级。耦合器12将经过延时器22的1030 nm泵浦脉冲光与850 nm～950 nm的闲频脉冲光重新反馈回参量转换型光子晶体光纤13中，提高了1030 nm泵浦脉冲光的使用效率，通过延时器22改变光程，可以将850 nm～950 nm范围内的闲频光选择性放大。将1030nm泵浦脉冲光与850 nm～950 nm范围内连续可调的闲频光进行倍频，可以得到515 nm的泵浦倍频脉冲光与425 nm～475 nm可连续调谐的闲频倍频脉冲光，因此高频输出端口21可以进行高频大波数差样品的相干反斯托克斯拉曼散射的成像探测，低频输出端22口可以进行低频小波数差样品的相干反斯托克斯拉曼散射的成像探测。

如图4为应用本发明的实例三。由光纤皮秒脉冲激光器31、二向色镜32、空间耦合准直器33、参量转换型光子晶体光纤34、空间输出准直器35、双波长倍频晶体36、低通滤波器37、半波片38、偏振分光棱镜39、反射镜40、高频输出端口41、低频输出端口42、反射镜43、反射镜44、反射镜45、反射镜46、反射镜47、反射镜48、位移平台49构成。

光纤皮秒脉冲激光器31输出1030 nm波段的泵浦脉冲光，由二向色镜32与空间耦合准直器33输入到参量转换型光子晶体光纤34，基于四波混频效应，会有一部分1030 nm泵浦脉冲光产生850 nm～950 nm闲频脉冲光。1030 nm泵浦脉冲光与850 nm～950 nm的闲频脉冲光经空间输出准直器35传输到双波长倍频晶体36中进行倍频，得到515 nm的泵浦脉冲倍频光与425 nm～475 nm的闲频倍频脉冲光。低通滤波器37将515 nm的泵浦脉冲倍频光与425 nm～475 nm的闲频倍频脉冲光输出，于是可以在高频输出端口41进行大波数差生物样品的探测。半波片38与偏振分光棱镜39组合在一起，可定量调节部分未倍频的1030 nm泵浦脉冲光与850 nm～950 nm闲频脉冲光输出功率的高低，于是在低频输出端口42进行小波数差生物样品的探测。采用反射镜40、反射镜43、反射镜44、反射镜45、反射镜46、反射镜47、反射镜48，与位移平台49构成反馈延时系统。将未输出未倍频的1030 nm泵浦脉冲光与850 nm～950 nm闲频脉冲光引入反馈调节系统，位移平台49用于调节光程长短，精确到皮秒量级。将未倍频的1030 nm泵浦脉冲光与850 nm～950 nm的闲频脉冲光重新反馈回参量转换型光子晶体光纤33中，不仅提高了1030 nm泵浦脉冲光的使用效率，并且通过位移平台49调节闲频脉冲光和泵浦光的时间延迟，通过色散滤波实现波长调谐。于是通过位移平台49可以将850 nm～950 nm范围内的闲频脉冲光选择性放大。将1030 nm泵浦脉冲光与850 nm～950nm范围内连续可调的闲频脉冲光进行倍频，可以得到515 nm的泵浦倍频脉冲光与425 nm～475 nm可连续调谐的闲频倍频脉冲光，在高频输出端口41可以进行高频大波数差样品的相干反斯托克斯拉曼散射的成像探测，在低频输出端42口可以进行低频小波数差样品的相干反斯托克斯拉曼散射的成像探测。

Claims

1.一种同步高分辨多波长相干反斯托克斯拉曼散射光源，其特征在于，包括泵浦光源、耦合器、参量转换模块、双波长倍频模块、滤波输出模块、长波输出模块及反馈延时器，泵浦光源输出1030 nm波段的泵浦脉冲光，经耦合器后送入到参量转换模块，经过参量转换模块的四波混频效应将一部分1030 nm泵浦脉冲光转换为850 nm～950 nm闲频脉冲光，1030 nm泵浦脉冲光与850 nm～950 nm的闲频脉冲光共同传输到双波长倍频模块中，双波长倍频模块输出未倍频的1030 nm泵浦脉冲光与850 nm～950 nm的闲频脉冲光，以及倍频后的515nm的泵浦脉冲倍频光与425 nm～475 nm的闲频脉冲倍频光；滤波输出模块输出倍频后的515 nm的泵浦脉冲倍频光与425 nm～475 nm的闲频脉冲倍频光，用于大波数差生物样品的探测；未倍频的1030 nm泵浦脉冲光与850 nm～950 nm的闲频脉冲光从长波输出模块输出，用于小波数差生物样品的探测；未被长波输出模块输出的1030 nm泵浦脉冲光与850 nm～950 nm的闲频脉冲光经过反馈延时器反馈回耦合器，反馈延时器改变光程，将850 nm～950nm范围内的闲频脉冲光选择性放大，返回耦合器的脉冲光再次进入参量转换模块和双波长倍频模块，将1030 nm泵浦脉冲光与850 nm～950 nm范围内连续可调的闲频脉冲光进行倍频，得到的515 nm的泵浦倍频脉冲光与425 nm～475 nm可连续调谐的闲频倍频脉冲光从滤波输出模块输出，进行高频大波数差样品的相干反斯托克斯拉曼散射的成像探测；得到的1030 nm泵浦脉冲光与850 nm～950 nm范围内连续可调的闲频脉冲光从长波输出模块输出，进行低频小波数差样品的相干反斯托克斯拉曼散射的成像探测。