CN108565670A - 频谱高分辨相干反斯托克斯拉曼散射光源实现方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种频谱高分辨相干反斯托克斯拉曼散射光源实现方法，泵浦源部分被分成n+1份，一份泵浦光通过1个光参量振荡器产生所需的信号光，其他n份泵浦光依次与传递的信号光结合依次通过n个光参量放大器将信号光不断功率放大，谱宽压窄，从而实现频谱高分辨CARS光源。利用光子晶体光纤的四波混频效应实现光学频率转换，通过选用不同的光子晶体光纤，实现不同波段的CARS光源输出；光参量放大器对特定波长范围的信号放大，选择光子晶体光纤类型，相当于增加光谱滤波的作用，能实现窄谱宽的激光，提高CARS光谱分析的频率分辨率；同源参量振荡器和级联式光参量放大器选择相同的参量介质，保持参量信号光的相干性，提高激光的信噪比。
Description
技术领域
本发明涉及一种激光技术，特别涉及一种频谱高分辨相干反斯托克斯拉曼散射光源实现方法。
背景技术
自1965年美国科学家首次发现CARS现象以来，CARS技术就因信号强度比自发拉曼散射提高了106～109而备受关注。1982年美国海军实验室科学家将CARS技术与光学显微镜结合，使CARS显微成像技术广泛应用于生物学、医学等领域的研究。1999年美国国家实验室将相干反斯托克斯拉曼散射CARS的光源装置布局由非共线装置转为共线装置，简化了CARS显微成像系统，引发了CARS显微成像的研究热潮。近年来，CARS显微成像技术被广泛用于对脂类、蛋白质和核酸的选择性成像，成为生物组织可视化研究的重要手段。
目前普遍使用的CARS光源是基于钛蓝宝石的固体激光器或倍频Nd：YVO4激光器同步泵浦的光学参量振荡器（OPO），这些光源体积庞大，价格昂贵，需要专业人员的定期维护，这限制了CARS成像技术在实验室以外场所的应用。光纤激光器因其体积小巧，性能稳定，光束质量好，价格合理，无需对准及维护的优点备受研究人员的青睐，以光纤激光器作为CARS成像光源的相关研究近年来发展迅速，但多基于光纤中的孤子自频移、自相位调制等效应，输出波长、光谱宽度受限，无法实现高分辨CARS光源。
为实现频谱高分辨CARS光源，可以通过使用倍频晶体作为光学频率转换的介质，产生所需的信号光。但是倍频晶体的倍频效率与温度相关，因此需要保持在恒温的条件下。且使用倍频晶体难以实现信号光的波长调谐。因此，迫切需要一种新方法，既能够保证输出波长的调谐性，还能保证频谱高分辨的CARS光源。
发明内容
本发明是针对实现频谱高分辨CARS光源存在的问题，提出了一种频谱高分辨相干反斯托克斯拉曼散射光源实现方法，泵浦源部分被分成n+1份，一份泵浦光通过1个光参量振荡器产生所需的信号光，其他n份泵浦光依次与传递的信号光结合依次通过n个光参量放大器将信号光不断功率放大，谱宽压窄，从而实现频谱高分辨CARS光源。
本发明的技术方案为：一种频谱高分辨相干反斯托克斯拉曼散射光源实现方法，包括泵浦源部分、1个光参量振荡器及n个光参量放大器；泵浦源部分包括泵浦源、隔离器和分束器件，泵浦源发出的泵浦光经过防止回返光的隔离器后，经过分束器件将泵浦光分为n+1路；光参量振荡器包括第一偏振调节器、第一光耦合器、第一参量介质、输出耦合器、固定延时线和第一可调延时线；每个光参量放大器包括一个可调延时线、一个偏振调节器、一个光耦合器、一个参量介质；第一路泵浦光进入第一偏振调节器改变泵浦光的偏振态，再经过第一光耦合器将泵浦光耦合到第一参量介质中，第一参量介质在泵浦光的作用下发生四波混频效应，产生所需的信号光，产生的信号光经过输出耦合器后被分为两部分，一部分输出，另一部分反馈；反馈光依次经过固定延时线、第一可调延时线，然后由第一光耦合器再次耦合到第一参量介质，在泵浦光的作用下反馈的信号光功率放大和频谱压窄，然后从输出耦合器输出，再次分成两路，一路输出，一路反馈回，形成光参量振荡；光参量振荡器输出光在第二光耦合器的作用下耦合到第二参量介质中；第2路泵浦光依次经过第二可调延时器和第二偏振调节器，在第二光耦合器的作用下耦合到第二参量介质，光参量振荡器的输出信号光和泵浦光在第二参量介质重叠，发生四波混频效应，信号光功率放大和频谱压窄后输出；输出的信号光再次通过第三光耦合器耦合到第三参量介质中，第3路泵浦光依次经过第三可调延时器、第三偏振调节器，在第三光耦合器的作用下耦合到第三参量介质，输出信号光和泵浦光在第三参量介质重叠，发生四波混频效应，再次信号光功率得到了放大，频谱得到压窄；依此类推，输出的信号光通过第n+1光耦合器耦合到第n+1参量介质中，第n+1路泵浦光依次通过第n+1可调延时器和第n+1偏振调节器，然后在第n+1光耦合器的作用下耦合到第n+1参量介质，输出信号光和泵浦光在第n+1参量介质重叠，发生四波混频效应，使信号光功率得到放大，频谱得到了压窄后输出，实现高分辨相干反斯托克斯拉曼散射光源。
所述泵浦源采用掺稀土离子的光纤激光系统。
所述隔离器采用空间结构的隔离器或光纤结构的隔离器。
所述分束器件采用空间结构的二分之一波片与偏振分束器的组合，或采用光纤结构的一路分为多路的光纤分束器。
所述偏振调节器采用二分之一波片或偏振控制器，改变耦合到参量介质中激光的偏振态。
所述光耦合器采用空间结构的二向色镜，或采用光纤结构的波分复用器，将两个不同波长的光耦合到参量介质。
所述参量介质采用光子晶体光纤。
所述输出耦合器采用空间结构的二分之一波片与偏振分束器组合，或采用光纤结构的耦合器，使光参量振荡器的激光一部分输出，一部分反馈。
所述固定延时线采用空间光路、单模光纤或者保偏光纤，长度根据泵浦光重复频率计算求得。
所述可调延时线采用光延时器或者延时电机。
本发明的有益效果在于：本发明频谱高分辨相干反斯托克斯拉曼散射光源实现方法，光参量振荡器可产生输出波长连续可调的信号光，然后通过n级光参量放大器对信号光功率进行放大，谱宽压窄，能够实现高功率，高频谱分辨率CARS光源输出；利用光子晶体光纤的四波混频效应实现光学频率转换，其输出信号光波长可以通过选用不同的光子晶体光纤进行选择，实现不同波段的CARS光源输出；光参量放大器可以对特定波长范围的信号放大，根据实际需求选择光子晶体光纤类型，相当于增加光谱滤波的作用，能实现窄谱宽的激光，有利于提高CARS光谱分析的频率分辨率；采用同种光子晶体光纤作为参量介质的同源参量振荡器和级联式光参量放大器，能保持参量信号光的相干性，提高激光的信噪比。
附图说明
图1为本发明频谱高分辨相干反斯托克斯拉曼散射光源实现方法示意图；
图2为本发明方法实施一示意图；
图3为本发明方法实施二示意图；
图4为本发明方法实施三示意图；
图5为本发明方法实施四示意图。
具体实施方式
如图1所示频谱高分辨相干反斯托克斯拉曼散射光源实现方法示意图，包括泵浦源部分、1个光参量振荡器及n个光参量放大器。泵浦源部分包括泵浦源、隔离器和分束器，泵浦光经过隔离器，隔离器的作用为防止回返光破坏泵浦源，然后通过分束器将泵浦光分为n+1路。1个光参量振荡器包括第一偏振调节器、第一光耦合器、第一参量介质、输出耦合器、固定延时线和第一可调延时线。每个光参量放大器包括可调延时线、偏振调节器、光耦合器、参量介质。其中第1路泵浦光首先经过第一偏振调节器，第一偏振调节器的作用为改变泵浦光的偏振态，再经过第一光耦合器，在第一光耦合器的作用下泵浦光耦合到第一参量介质中，然后第一参量介质在泵浦光的作用下发生四波混频效应，产生所需的信号光。产生的信号光经过输出耦合器后被分为两部分，一部分输出，另一部分反馈；反馈光依次经过固定延时线、第一可调延时线，然后由第一光耦合器再次耦合到第一参量介质，在泵浦光的作用下反馈的信号光功率得到放大，频谱得到压窄，然后由输出耦合器输出，再次分成两路，一路输出，一路反馈回，形成光参量振荡。光参量振荡器输出光在第二光耦合器的作用下耦合到第二参量介质中；第2路泵浦光依次经过第二可调延时器和第二偏振调节器，然后在第二光耦合器的作用下耦合到第二参量介质。光参量振荡器的输出信号光和泵浦光在第二参量介质重叠，发生四波混频效应，使信号光功率得到放大，频谱得到压窄。输出的信号光再次通过第三光耦合器耦合到第三参量介质中，第3路泵浦光依次经过第三可调延时器、第三偏振调节器，然后在第三光耦合器的作用下耦合到第三参量介质，输出信号光和泵浦光在第三参量介质重叠，发生四波混频效应，使信号光功率得到了放大，频谱得到压窄。依此类推，输出的信号光再次通过第n+1光耦合器耦合到第n+1参量介质中，第n+1路泵浦光依次通过第n+1可调延时器和第n+1偏振调节器，然后在第n+1光耦合器的作用下耦合到第n+1参量介质，输出信号光和泵浦光在第n+1参量介质重叠，发生四波混频效应，使信号光功率得到了放大，频谱得到了压窄。从而实现高分辨CARS光源。所述固定延时线长度根据泵浦光重复频率计算求得。
如图2所示实施例一示意图，空间型环形腔光参量振荡器与n个光参量放大器结构示意图，实施细节：
系统包括作为泵浦源的掺稀土离子的光纤激光系统、隔离器ISO、1个光参量振荡器、n个光参量放大器。其中光参量振荡器由2块二分之一波片HWP、偏振分束器PBS、二向色镜DM1、光子晶体光纤PCF1、固定延时光纤PM980、电机stage1、聚焦透镜Lens组成。每个光参量放大器由2块二分之一波片HWP、偏振分束器PBS、延时电机stage、二向色镜DM、光子晶体光纤PCF、聚焦透镜Lens组成。
掺稀土离子的光纤激光系统输出的光，首先经过隔离器ISO，隔离器的作用为防止回返光损坏泵浦源，然后在二分之一波片HWP和偏振分束器PBS的作用下将泵浦光分为n+1路，其中第1路泵浦光用于光参量振荡器，剩余的泵浦光用于光参量放大器。第1路泵浦光经过二分之一波片HWP，二分之一波片HWP的作用为改变泵浦光的偏振态，其次经过二向色镜DM1，然后耦合到光子晶体光纤PCF1中，发生四波混频效应，产生所需的信号光。信号光在HWP和PBS的作用下被分为两部分，一部分输出，另一部分依次经过PM980光纤、延时电机stage1，经过DM1反射后反馈到PCF1中，在泵浦光的作用下发生四波混频效应，信号光功率得到放大，频谱得到压窄，然后由PBS输出。输出的信号光通过DM2再次耦合到PCF2中。第2路泵浦光依次经过stage2、HWP，然后通过DM2反射耦合到PCF2中。由光参量振荡器输出的信号光与泵浦光在PCF2重叠，发生四波混频效应，功率得到放大，频谱得到压窄。输出的信号光经过DM3后耦合到PCF3中。第3路泵浦光依次经过stage3、HWP，然后通过DM3反射耦合到PCF3中。输出的信号光与泵浦光在PCF3重叠，发生四波混频效应，功率得到放大，频谱得到压窄。依次类推，通过上一个光参量放大器输出的信号光经过DMn+1后耦合到PCFn+1中。第n+1路泵浦光依次经过stagen+1、HWP，然后通过DMn+1反射耦合到PCFn+1中。通过上一个光参量放大器输出的信号光与泵浦光在PCFn+1重叠，发生四波混频效应，功率得到放大，频谱得到压窄。从而实现频谱高分辨CARS光源。
如图3所示实施例二示意图，空间型驻波腔光参量振荡器与n个光参量放大器结构示意图，实施细节：
系统包括作为泵浦源的掺稀土离子的光纤激光系统、隔离器ISO、1个光参量振荡器、n个光参量放大器。其中光参量振荡器由二分之一波片HWP、偏振分束器PBS、二向色镜DM1、光子晶体光纤PCF1、部分反射镜mirror1、全反射镜mirror2、固定延时光纤PM980、电机stage1、聚焦透镜Lens组成。每个光参量放大器由2块二分之一波片HWP、偏振分束器PBS、延时电机stage、二向色镜DM、光子晶体光纤PCF、聚焦透镜Lens组成。
掺稀土离子的光纤激光系统输出的光，首先经过隔离器ISO，隔离器的作用为防止回返光损坏泵浦源，然后在功率分束器的作用下将泵浦光分为n+1路，其中第1路用于光参量振荡器，剩余的用于光参量放大器。第1路泵浦光经过二分之一波片，二分之一波片的作用为改变泵浦光的偏振态，其次经过DM1，然后耦合到PCF1中，发生四波混频效应，产生所需的信号光。信号光经过部分反射镜mirror后一部分输出，另一部分反射进入PCF1，其次由DM1反射后进入电机stage1，然后经过PM980光纤，最后由全反射镜反射原路返回耦合到PCF1，在泵浦光的作用下发生四波混频效应，信号光功率得到放大，频谱得到压窄。输出的信号光经过DM2后再次耦合到PCF2中。第2路泵浦光依次经过stage2、HWP，然后通过DM2反射耦合到PCF2中。由光参量振荡器输出的信号光与泵浦光在PCF2重叠，发生四波混频效应，功率得到放大，频谱得到压窄。输出的信号光经过DM3后耦合到PCF3中。第3路泵浦光依次经过stage3、HWP，然后通过DM3反射耦合到PCF3中。输出的信号光与泵浦光在PCF3重叠，发生四波混频效应，功率得到放大，频谱得到压窄。依次类推，通过上一个光参量放大器输出的信号光经过DMn+1后耦合到PCFn+1中。第n+1路泵浦光依次经过stagen+1、HWP，然后通过DMn+1反射耦合到PCFn+1中。通过上一个光参量放大器输出的信号光与泵浦光在PCFn+1重叠，发生四波混频效应，功率得到放大，频谱得到压窄。从而实现频谱高分辨CARS光源。
如图4所示实施例三示意图，光纤型环形腔光参量振荡器与n个光参量放大器结构示意图，实施细节：
系统包括作为泵浦源的掺稀土离子的光纤激光系统、隔离器ISO、分束器、1个光参量振荡器、n个光参量放大器。其中光参量振荡器由偏振控制器、波分复用器1、光子晶体光纤1、输出耦合器、固定延时光纤PM980、可调延时器组成。每个光参量放大器由可调延时器、偏振控制器、波分复用器、光子晶体光纤组成。
掺稀土离子的光纤激光系统输出的光，首先经过隔离器ISO，隔离器的作用为防止回返光损坏泵浦源，然后在分束器的作用下将泵浦光分为n+1路，其中第1路用于光参量振荡器，剩余的用于光参量放大器。第1路泵浦光经过偏振控制器，偏振控制器的作用为改变泵浦光的偏振态，其次经过波分复用器1，然后耦合到光子晶体光纤1中，发生四波混频效应，产生所需的信号光。信号光在输出耦合器的作用下被分为两部分，一部分输出，另一部分依次经过延时光纤、可调延时器，经过波分复用器1后被反馈到光子晶体光纤1中，在泵浦光的作用下发生四波混频效应，信号光功率得到放大，频谱得到压窄，然后由输出耦合器输出。输出的信号光经过波分复用器2后再次被耦合到光子晶体光纤2中。第2路泵浦光依次经过可调延时器、偏振控制器，然后经过波分复用器2反射后耦合到光子晶体光纤2中。由光参量振荡器输出的信号光与泵浦光在光子晶体光纤2重叠，发生四波混频效应，信号光功率得到放大，频谱得到压窄。输出的信号光再次经过波分复用器3后耦合到光子晶体光纤3中。第3路泵浦光依次经过可调延时器、偏振控制器，然后经过波分复用器3后耦合到光子晶体光纤3中。输出的信号光与泵浦光在光子晶体光纤3重叠，发生四波混频效应，信号光功率得到放大，频谱得到压窄。依次类推，通过上一个光参量放大器输出的信号光再次经过波分复用器n+1后耦合到光子晶体光纤n+1中。第n+1路泵浦光依次经过可调延时器、偏振控制器，然后经过波分复用器n+1反射耦合到光子晶体光纤n+1中。通过上一个光参量放大器输出的信号光与泵浦光在光子晶体光纤n+1重叠，发生四波混频效应，信号光功率得到放大，频谱得到压窄。从而实现频谱高分辨CARS光源。
如图5所示实施例四示意图，光纤型驻波腔光参量振荡器与n个光参量放大器结构示意图，实施细节：
系统包括作为泵浦源的掺稀土离子的光纤激光系统、隔离器ISO、分束器、1个光参量振荡器、n个光参量放大器。其中光参量振荡器由偏振控制器、波分复用器1、光子晶体光纤1、输出耦合器、2个光纤光栅、固定延时光纤PM980、可调延时器组成。每个光参量放大器由可调延时器、偏振控制器、波分复用器、光子晶体光纤组成。
掺稀土离子的光纤激光系统输出的光，首先经过隔离器ISO，隔离器的作用为防止回返光损坏泵浦源，然后在分束器的作用下将泵浦光分为n+1路，其中第1路用于光参量振荡器，剩余的用于光参量放大器。第1路泵浦光经过偏振控制器，偏振控制器的作用为改变泵浦光的偏振态，其次经过波分复用器1，然后耦合到光子晶体光纤1中，发生四波混频效应，产生所需的信号光。信号光输出耦合器的作用下被分为两部分，一部分输出，另一部分通过光纤光栅1反射回到光子晶体光纤1，再经过波分复用器1，然后依次经过可调延时器、延时光纤，最后通过光纤光栅2反射，使其原路返回进入光子晶体光纤1，在泵浦光的作用下发生四波混频效应，信号光功率得到放大，频谱得到压窄，然后由输出耦合器输出。输出的信号光经过波分复用器2后再次耦合到光子晶体光纤2中。第2路泵浦光依次经过可调延时器、偏振控制器，然后经过波分复用器2反射后耦合到光子晶体光纤2中。由光参量振荡器输出的信号光与泵浦光在光子晶体光纤2重叠，发生四波混频效应，信号光功率得到放大，频谱得到压窄。输出的信号光再次经过波分复用器3后耦合到光子晶体光纤3中。第3路泵浦光依次经过可调延时器、偏振控制器，然后经过波分复用器3后耦合到光子晶体光纤3中。输出的信号光与泵浦光在光子晶体光纤3重叠，发生四波混频效应，信号光功率得到放大，频谱得到压窄。依次类推，通过上一个光参量放大器输出的信号光再次经过波分复用器n+1后耦合到光子晶体光纤n+1中。第n+1路泵浦光依次经过可调延时器、偏振控制器，然后经过波分复用器n+1反射耦合到光子晶体光纤n+1中。通过上一个光参量放大器输出的信号光与泵浦光在光子晶体光纤n+1重叠，发生四波混频效应，信号光功率得到放大，频谱得到压窄。从而实现频谱高分辨CARS光源。
Claims (10)
1.一种频谱高分辨相干反斯托克斯拉曼散射光源实现方法，其特征在于，包括泵浦源部分、1个光参量振荡器及n个光参量放大器；泵浦源部分包括泵浦源、隔离器和分束器件，泵浦源发出的泵浦光经过防止回返光的隔离器后，经过分束器件将泵浦光分为n+1路；光参量振荡器包括第一偏振调节器、第一光耦合器、第一参量介质、输出耦合器、固定延时线和第一可调延时线；每个光参量放大器包括一个可调延时线、一个偏振调节器、一个光耦合器、一个参量介质；第一路泵浦光进入第一偏振调节器改变泵浦光的偏振态，再经过第一光耦合器将泵浦光耦合到第一参量介质中，第一参量介质在泵浦光的作用下发生四波混频效应，产生所需的信号光，产生的信号光经过输出耦合器后被分为两部分，一部分输出，另一部分反馈；反馈光依次经过固定延时线、第一可调延时线，然后由第一光耦合器再次耦合到第一参量介质，在泵浦光的作用下反馈的信号光功率放大和频谱压窄，然后从输出耦合器输出，再次分成两路，一路输出，一路反馈回，形成光参量振荡；光参量振荡器输出光在第二光耦合器的作用下耦合到第二参量介质中；第2路泵浦光依次经过第二可调延时器和第二偏振调节器，在第二光耦合器的作用下耦合到第二参量介质，光参量振荡器的输出信号光和泵浦光在第二参量介质重叠，发生四波混频效应，信号光功率放大和频谱压窄后输出；输出的信号光再次通过第三光耦合器耦合到第三参量介质中，第3路泵浦光依次经过第三可调延时器、第三偏振调节器，在第三光耦合器的作用下耦合到第三参量介质，输出信号光和泵浦光在第三参量介质重叠，发生四波混频效应，再次信号光功率得到了放大，频谱得到压窄；依此类推，输出的信号光通过第n+1光耦合器耦合到第n+1参量介质中，第n+1路泵浦光依次通过第n+1可调延时器和第n+1偏振调节器，然后在第n+1光耦合器的作用下耦合到第n+1参量介质，输出信号光和泵浦光在第n+1参量介质重叠，发生四波混频效应，使信号光功率得到放大，频谱得到了压窄后输出，实现高分辨相干反斯托克斯拉曼散射光源。
2.根据权利要求1所述，其特征在于，所述泵浦源采用掺稀土离子的光纤激光系统。
3.根据权利要求1所述，其特征在于，所述隔离器采用空间结构的隔离器或光纤结构的隔离器。
4.根据权利要求1所述，其特征在于，所述分束器件采用空间结构的二分之一波片与偏振分束器的组合，或采用光纤结构的一路分为多路的光纤分束器。
5.根据权利要求1所述，其特征在于，所述偏振调节器采用二分之一波片或偏振控制器，改变耦合到参量介质中激光的偏振态。
6.根据权利要求1所述，其特征在于，所述光耦合器采用空间结构的二向色镜，或采用光纤结构的波分复用器，将两个不同波长的光耦合到参量介质。
7.根据权利要求1所述，其特征在于，所述参量介质采用光子晶体光纤。
8.根据权利要求1所述，其特征在于，所述输出耦合器采用空间结构的二分之一波片与偏振分束器组合，或采用光纤结构的耦合器，使光参量振荡器的激光一部分输出，一部分反馈。
9.根据权利要求1所述，其特征在于，所述固定延时线采用空间光路、单模光纤或者保偏光纤，长度根据泵浦光重复频率计算求得。
10.根据权利要求1所述，其特征在于，所述可调延时线采用光延时器或者延时电机。
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