CN110470647B - 基于光纤双折射效应的时间分辨cars显微成像装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于光纤双折射效应的时间分辨CARS显微成像装置和方法，该装置至少包括飞秒激光器、功率调节部分、斯托克斯光路部分、泵浦光脉冲和探测光脉冲光路部分、短通二向色镜以及CARS显微成像系统；将超短脉冲的一部分沿保偏光纤快轴和慢轴的角平分线入射，利用保偏光纤快轴和慢轴折射率的不同，使保偏光纤输出端的快轴光脉冲和慢轴光脉冲产生相对时延，并将其分别用作泵浦光脉冲和探测光脉冲，同时利用超短脉冲的另一部分输入高非线性保偏光子晶体光纤，通过孤子自频移效应产生波长红移光孤子脉冲，该波长红移光孤子脉冲用作斯托克斯光脉冲。本发明在实现时间分辨CARS信号的测量的同时，减少了传统时间分辨CARS显微成像系统的复杂性。

Description

基于光纤双折射效应的时间分辨CARS显微成像装置和方法

技术领域

本发明属于非线性光纤及光谱共振显微成像领域，特别涉及一种时间分辨CARS显微成像装置和方法。

背景技术

CARS显微成像技术是利用物质中分子的共振能级信息进行共振谱成像的无标记、非接触和化学选择性显微成像技术，其本质是泵浦光、探测光、待测样品共振能级的四波混频效应，当泵浦光和斯托克斯光的频差等于待测样品中目标化学键共振能级，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拉曼散射信号，即CARS信号。但是，传统CARS显微成像系统中，伴随CARS信号产生较强的非共振电子背景噪声，严重削弱了CARS信号的信噪比，降低了CARS系统的显微成像性能。为了减小非共振背景噪声的影响，根据非共振背景噪声持续时间很短，而CARS信号持续时间比较长(一般在10ps～100ps之间)的特点，研究人员提出了时间分辨CARS显微成像系统，将探测光脉冲相对泵浦光脉冲延迟一定的时间，以滤除非共振背景噪声的影响，直接探测CARS信号，提高CARS显微成像系统的信噪比和成像性能。常用时间分辨CARS显微成像系统中，为了产生泵浦光脉冲和探测光脉冲之间的时间延迟，通常使用增加泵浦激光器或增加空间光延时线的方式，这无疑增加了系统空间光路的复杂性以及运行维护的成本，不利于时间分辨CARS显微成像系统的使用和发展。

发明内容

本发明旨在提出一种基于光纤双折射效应的时间分辨CARS显微成像系统和方法，利用保偏光纤快轴和慢轴折射率的不同，使保偏光纤输出端的快轴光脉冲和慢轴光脉冲产生相对时延，并将其分别用作时间分辨CARS显微成像系统的泵浦光脉冲和探测光脉冲，同时利用超短脉冲的另一部分输入高非线性保偏光子晶体光纤，通过孤子自频移效应产生波长红移光孤子脉冲，该波长红移光孤子脉冲用作CARS显微成像系统中的斯托克斯光脉冲，由于泵浦光脉冲、探测光脉冲和斯托克斯光脉冲是由同一光源产生的，利用三者具有本质上的时间同步特性实现了时间分辨CARS显微成像系统和方法。

本发明的一种基于光纤双折射效应的时间分辨CARS显微成像装置，该装置至少包括飞秒激光器1、功率调节部分、斯托克斯光路部分、泵浦光脉冲和探测光脉冲光路部分、短通二向色镜18以及CARS显微成像系统19，其特征在于，其中：

所述飞秒激光器1输出脉宽为40～200fs、线偏振的超短脉冲，入射至所述功率调节部分；

所述功率调节部分由电控液晶波片2和偏振分束棱镜3构成；在所述功率调节部分：所述超短脉冲经电控液晶波片2后入射至偏振分束棱镜3，经所述偏振分束棱镜3输出两部分超短脉冲：一部分是透射输出的超短脉冲，再入射至斯托克斯光路部分；而另一部分是反射输出的超短脉冲，经第二反射镜12入射至泵浦光脉冲和探测光脉冲光路部分；

所述斯托克斯光路部分由第一二分之一波片4、第一扩束镜5、第一光纤耦合镜6、高非线性保偏光子晶体光纤7、第一光纤准直扩束器8、第一反射镜9、长通滤光片10和可调空间光延时线11构成，在所述斯托克斯光路部分：所述透射输出的超短脉冲依次经所述第一二分之一波片4、所述第一扩束镜5和所述第一光纤耦合镜6后入射至所述高非线性保偏光子晶体光纤7；所述透射输出的超短脉冲在所述高非线性保偏光子晶体光纤7中传输时，产生沿着波长方向移动的光孤子脉冲即斯托克斯光脉冲，并由所述第一光纤准直扩束器8准直扩束输出；所述斯托克斯光脉冲经所述第一反射镜9转向后入射至所述长通滤光片10，所述长通滤光片10透射输出光入射至所述可调空间光延时线11；所述可调空间光延时线11由第一、第二直角反射棱镜111、112和一个高精度电控位移台113组成，所述第一直角反射棱镜111将入射的斯托克斯光脉冲反射至固定于所述高精度电控位移台113的第二直角反射镜112，所述第二直角反射棱镜112反射回来的光脉冲通过其另一直角边反射输出时间延迟可变的斯托克斯光脉冲；所述高精度电控位移台113用于调节斯托克斯光脉冲的时间延迟；所述时间延迟可变的斯托克斯光脉冲入射至短通二向色镜18，并由所述短通二向色镜18反射输出；

所述泵浦光脉冲和探测光脉冲光路部分由第二二分之一波片13、第二扩束镜14和第二光纤耦合镜15入射至保偏光纤16和第二光纤准直扩束器17，在所述泵浦光脉冲和探测光脉冲光路部分：所述时间延迟可变的斯托克斯光脉冲依次经第二二分之一波片13、第二扩束镜14和第二光纤耦合镜15入射至保偏光纤16，经保偏光纤16分别作为时泵浦光脉冲和探测光脉冲输出；所述保偏光纤16输出的泵浦光脉冲和探测光脉冲经过第二光纤准直扩束器17实现光束准直扩束后，由短通二向色镜透射18输出；

经所述短通二向色镜18将反射输出的斯托克斯光脉冲和透射输出的泵浦光脉冲及探测光脉冲合束输出后，入射至CARS显微成像系统19，实现对待测样品CARS信号的共焦激发及检测。

本发明的一种基于光纤双折射效应的时间分辨CARS显微成像方法，该方法至少包括如下步骤：

步骤1：飞秒激光器输出的脉宽为40～200fs、线偏振的超短脉冲入射至电控液晶波片，电控液晶波片通过电压调节透射输出的超短脉冲偏振态，使其在水平线偏光、椭偏光、圆偏光、竖直线偏光之间连续变化；经电控液晶波片输出的偏振态可连续变化的超短脉冲入射至偏振分束棱镜实现偏振相关分束，其中透射输出的超短光脉冲的偏振态为水平线偏振，反射输出的超短光脉冲的偏振态为竖直线偏振方向；通过改变入射至偏振分束棱镜的偏振态来改变透射输出的超短光光脉冲的光功率和反射输出的超短光脉冲的光功率；实现偏振分束棱镜输出光功率的电控连续可调；

步骤2：偏振分束棱镜透射输出的功率可连续调节的水平线偏振超短脉冲依次经第一二分之一波片、第一扩束镜和第一光纤耦合镜入射至高非线性保偏光子晶体光纤，所述功率可连续调节的水平线偏振超短脉冲在高非线性保偏光子晶体光纤中传输时，产生波长向长波长方向移动的光孤子，且孤子频移量随入射超短脉冲光功率的增加而增加，将此波长红移的光孤子用作系统中的斯托克斯光脉冲；其中，第一二分之一波片用于调节超短脉冲偏振态，使之沿高非线性保偏光子晶体光纤的光轴入射，实现孤子波长的最大范围移动，第一扩束镜用于将光束直径扩展，提高空间光束耦合进入高非线性保偏光子晶体光纤的耦合效率；第一光纤耦合镜用于将空间光束耦合镜高非线性保偏光子晶体光纤中；

步骤3：高非线性保偏光子晶体光纤输出的斯托克斯光脉冲依次经第一反射镜、长通滤光片和可调空间光延时线入射至短通二向色镜反射输出，通过第一反射镜改变斯托克斯光脉冲的传输方向，通过长通滤光片消除残余的泵浦光脉冲的影响，通过可调空间光延时线改变斯托克斯光脉冲的相对时延，使之与泵浦光脉冲实现时间重叠；

步骤4：偏振分束棱镜反射输出的功率可连续调节的竖直线偏振超短脉冲经第二反射镜入射至第二二分之一波片，经第二二分之一波片调节线偏振方向后依次经第二扩束镜、第二光纤耦合镜入射至保偏光纤；调节第二二分之一波片使其透射输出的超短脉冲线偏振方向沿保偏光纤快轴和慢轴之间的角平分线，使超短脉冲在其中传输时快轴和慢轴方向的分量产生走离效应，即沿快轴方向传输的超短脉冲和沿慢轴传输的超短脉冲在时域上相互分离且快轴方向传输的超短脉冲较快，将快轴方向输出的超短脉冲用作系统的泵浦光脉冲，相应的慢轴方向输出的超短脉冲则用作系统的探测光脉冲，通过调节保偏光纤长度即可调节保偏光纤输出端泵浦光脉冲和探测光脉冲的相对延迟；

步骤5：保偏光纤输出的泵浦光脉冲和探测光脉冲经第二光纤准直扩束器准直扩束后，经短通二向色镜透射输出，并与步骤3中由短通二向色镜反射输出的斯托克斯光脉冲合束；

步骤6：合束后的泵浦光脉冲、探测光脉冲和斯托克斯光脉冲同时入射至CARS显微成像系统，激发并收集待测样品中目标化学键的CARS信号，通过对CARS信号的分析与重构即可实现待测样品的非接触、无标记以及化学选择性成像。

与传统时间分辨CARS显微成像技术相比，本发明存在如下技术优势：

1)利用高非线性保偏光子晶体光纤的孤子自频移效应，将产生的光孤子用作斯托克斯光脉冲，结合电控液晶波片和偏振分束棱镜组成的功率调节装置，可以实现斯托克斯光波长的大范围连续快速调谐；

2)使进入保偏光纤的超短脉冲线偏振方向沿保偏光纤快轴和慢轴之间的角平分线，利用保偏光纤的双折射效应，使沿保偏光纤快轴和慢轴方向的超短脉冲产生相对时延，并将其分别用作泵浦光脉冲和探测光脉冲，具有产生方式简单、调节方便的特点；

3)泵浦光脉冲、探测光脉冲和斯托克斯光脉冲是由同一光源产生的，重频是相同的，具有本质上的时间同步性，只需调节可调空间光延时线，使泵浦光脉冲和斯托克斯光脉冲时间重叠即可，省去了传统CARS显微成像系统中复杂昂贵的外部同步设备，降低了传统的时间分辨CARS显微成像系统的复杂性。

附图说明

图1为本发明的基于光纤双折射效应的时间分辨CARS显微成像系统结构示意图。

图2为本发明中斯托克斯光脉冲、泵浦光脉冲和探测光脉冲的时延调节示意图；

图3为超短脉冲在保偏光纤快轴和慢轴上的电场分配示意图。

附图标记：

1、飞秒激光器，2、电控液晶波片，3、偏振分束棱镜，4、第一二分之一波片，5、第一扩束镜，6、第一光纤耦合镜，7、高非线性保偏光子晶体光纤，8、第一光纤准直扩束镜，9、第一反射镜，10、长通滤光片，11、可调空间光延时线，12、第二反射镜，13、第二二分之一波片，14、第二扩束镜，15、第二光纤耦合镜，16、保偏光纤，17、第二光纤准直扩束镜，18、短通二向色镜，19、CARS显微成像系统，20、光纤包层，21、光纤纤芯，22、应力棒。

111、第一直角反射棱镜，112、第二直角反射棱镜，113、高精度电控位移台。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明技术方案进行详细描述。

如图1所示，为本发明的基于光纤双折射效应的时间分辨CARS显微成像装置结构示意图，该装置由飞秒激光器1、功率调节部分(由电控液晶波片2、偏振分束棱镜3组成)、斯托克斯光路部分(由第一二分之一波片4、第一扩束镜5、第一光纤耦合镜6和高非线性保偏光子晶体光纤7组成)、第一光纤准直扩束镜8、第一反射镜9、长通滤光片10、可调空间光延时线11(由第一直角反射棱镜111、第二直角反射棱镜112和高精度电控位移台113组成)、第二反射镜12、泵浦光脉冲和探测光脉冲光路部分(由第二二分之一波片13、第二扩束镜14、第二光纤耦合镜15、保偏光纤16和第二光纤准直扩束镜17组成)、短通二向色镜18、CARS显微成像系统19组成。

飞秒激光器1输出脉宽为40～200fs、线偏振的超短脉冲，入射至功率调节部分；在功率调节部分，由飞秒激光器1输出的超短脉冲经电控液晶波片2后入射至偏振分束棱镜3，一部分经偏振分束棱镜3透射输出的超短脉冲入射至斯托克斯光路部分，而另一部分由偏振分束棱镜3反射输出的超短脉冲则经第二反射镜12入射至泵浦光脉冲和探测光脉冲光路部分；在斯托克斯光路部分：偏振分束棱镜3透射输出的超短脉冲依次经第一二分之一波片4、第一扩束镜5和第一光纤耦合镜6后入射至高非线性保偏光子晶体光纤7。超短脉冲在高非线性保偏光子晶体光纤7中传输时，由于孤子自频移效应，产生沿着波长方向移动的光孤子脉冲，将其用作时间分辨CARS显微成像系统的斯托克斯光脉冲，并由第一光纤准直扩束器8准直扩束输出。斯托克斯光脉冲经第一反射镜9转向后入射至长通滤光片10，长通滤光片10透射输出光入射至可调空间光延时线11，可调空间光延时线11由两个直角反射棱镜111、112和一个高精度电控位移台113组成，第一直角反射棱镜111将入射超短脉冲反射至固定于高精度电控位移台113的第二直角反射镜112，同时将第二直角反射棱镜112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113用于调节斯托克斯光脉冲的时间延迟，可调空间光延时线13输出的时间延迟可变的斯托克斯光脉冲入射至短通二向色镜18，并由短通二向色镜18反射输出。在泵浦光脉冲和探测光脉冲光路部分：由第二反射镜12反射输出的超短脉冲依次经第二二分之一波片13、第二扩束镜14和第二光纤耦合镜15入射至保偏光纤16，由于保偏光纤16中快轴和慢轴折射率不同，因此超短脉冲在其中传输时产生相对时延，将其分别用作时间分辨CARS显微成像系统的泵浦光脉冲和探测光脉冲。保偏光纤16输出的泵浦光脉冲和探测光脉冲经过第二光纤准直扩束器17实现光束准直扩束后，由短通二向色镜透射18输出；短通二向色镜18反射输出的斯托克斯光脉冲和透射输出的泵浦光脉冲及探测光脉冲合束输出后，入射至CARS显微成像系统，实现对待测样品CARS信号的共焦激发及检测。

其中：

所述电控液晶波片2可以通过外加电压改变透射输出的超短脉冲偏振态，使其在水平线偏振光、椭偏光、圆偏光和竖直线偏振光之间连续变化。

所述第一二分之一波片4用于调节进入高非线性保偏光子晶体光纤7的超短脉冲线偏振方向，使其沿高非线性保偏光子晶体光纤的某一轴线入射，以提高孤子自频移效益，增加斯托克斯光脉冲的波长调谐范围。

所述第二二分之一波片13用于调节进入保偏光纤的超短脉冲线偏振方向，使其沿保偏光纤快轴和慢轴之间的角平分线入射，由于保偏光纤快轴和慢轴折射率的不同，在保偏光纤输出端沿快轴传输和沿慢轴传输的超短脉冲会产生时域上的分离，且两者之间的相对延迟可以通过调节保偏光纤长度实现，因此可以分别用作时间分辨CARS显微成像系统的泵浦光脉冲和斯托克斯光脉冲。

所述可调空间光延时线11用于调节斯托克斯光脉冲的时间延迟，使斯托克斯光脉冲和泵浦光脉冲实现时间上的重叠。

所述短通二向色镜18用于实现斯托克斯光脉冲、泵浦光脉冲和探测光脉冲的合束输出。

所述CARS显微成像系统19可以将合束后的斯托克斯光脉冲、泵浦光脉冲和探测光脉冲聚焦至探测样品，激发待测样品的CARS信号，并对产生的CARS信号进行检测，通过对待测样品不同位置处CARS信号的检测，可以重构出待测样品中目标化学键的空间分布，从而待测样品非接触、无标记、化学选择性的实现时间分辨CARS信号显微成像。

本发明提出的一种基于光纤双折射效应的时间分辨CARS显微成像方法，主要包括如下几个步骤：

步骤1：飞秒激光器输出脉宽为40～200fs、线偏振的超短脉冲，入射至电控液晶波片。电控液晶波片可以通过电压调节透射输出的超短脉冲偏振态，使其在水平线偏光、椭偏光、圆偏光、竖直线偏光之间连续变化。经电控液晶波片输出的偏振态可连续变化的超短脉冲入射至偏振分束棱镜实现偏振相关分束，其中透射输出光脉冲的偏振态为水平线偏振，反射输出光脉冲的偏振态为竖直线偏振方向。通过改变入射至偏振分束棱镜的偏振态可以改变偏振分束棱镜透射输出光脉冲和反射输出光脉冲的光功率。结合电控液晶波片，可以实现偏振分束棱镜输出光功率的电控连续可调。

步骤2：偏振分束棱镜透射输出的功率可连续调节的水平线偏振超短脉冲依次经第一二分之一波片、第一扩束镜和第一光纤耦合镜入射至高非线性保偏光子晶体光纤，超短脉冲在高非线性保偏光子晶体光纤中传输时，由于孤子自频移效应的影响，产生波长向长波长方向移动的光孤子，且孤子频移量随入射超短脉冲光功率的增加而增加，将此波长红移的光孤子用作系统中的斯托克斯光脉冲。其中，第一二分之一波片用于调节超短脉冲偏振态，使之沿高非线性保偏光子晶体光纤的光轴入射，实现孤子波长的最大范围移动，第一扩束镜用于将光束直径扩展，提高空间光束耦合进入高非线性保偏光子晶体光纤的耦合效率；第一光纤耦合镜用于将空间光束耦合镜高非线性保偏光子晶体光纤中。

步骤3：高非线性保偏光子晶体光纤输出的斯托克斯光脉冲依次经第一反射镜、长通滤光片和可调空间光延时线入射至短通二向色镜，并由短通二向色镜反射输出。其中，第一反射镜用于改变斯托克斯光脉冲的传输方向；长通滤光片用于消除残余的泵浦光脉冲的影响；可调空间光延时线用于改变斯托克斯光脉冲的相对时延，使之与泵浦光脉冲实现时间重叠。

步骤4：偏振分束棱镜反射输出的功率可连续调节的竖直线偏振超短脉冲经第二反射镜入射至第二二分之一波片，经第二二分之一波片调节线偏振方向后依次经第二扩束镜、第二光纤耦合镜入射至保偏光纤。调节第二二分之一波片使其透射输出的超短脉冲线偏振方向沿保偏光纤快轴和慢轴之间的角平分线，由于保偏光纤快轴和慢轴方向有效折射率的不同，使超短脉冲在其中传输时快轴和慢轴方向的分量产生走离效应，即沿快轴方向传输的超短脉冲和沿慢轴传输的超短脉冲在时域上相互分离且快轴方向传输的超短脉冲较快，将快轴方向输出的超短脉冲用作系统的泵浦光脉冲，相应的慢轴方向输出的超短脉冲则用作系统的探测光脉冲，通过调节保偏光纤长度即可调节保偏光纤输出端泵浦光脉冲和探测光脉冲的相对延迟。

步骤5：保偏光纤输出的泵浦光脉冲和探测光脉冲经第二光纤准直扩束器准直扩束后，经短通二向色镜透射输出，并与短通二向色镜反射输出的斯托克斯光脉冲合束。

步骤6：合束后的泵浦光脉冲、探测光脉冲和斯托克斯光脉冲同时入射至CARS显微成像系统，激发并收集待测样品中目标化学键的CARS信号，通过对CARS信号的分析与重构即可实现待测样品的非接触、无标记以及化学选择性成像。

综上所述，，由于泵浦光脉冲、探测光脉冲和斯托克斯光脉冲是由同一光源产生的，因此三者具有本质上的时间同步特性，在实现时间分辨CARS信号的测量的同时，减少了传统时间分辨CARS显微成像系统的复杂性。

图2所示为本发明提出了时间分辨CARS显微成像系统中斯托克斯光脉冲、泵浦光脉冲和探测光脉冲的时延调节示意图。其中由飞秒激光器产生的超短脉冲被分为两部分：一部分经过高非线性保偏光子晶体光纤，并在其中发生孤子自频移效应，产生波长向长波长方向移动的光孤子，将该光孤子用作系统中的斯托克斯光脉冲；另一部分则经保偏光纤，由于保偏光纤双折射效应，沿快轴传输的超短脉冲速度较快，而沿慢轴传输的超短脉冲速度较慢，因此，在保偏光纤输出端会产生沿快轴方向的超短脉冲和沿慢轴方向的超短脉冲时域上的分离，这两个脉冲即可用作系统中的泵浦光脉冲和探测光脉冲，且两者之间的时间延迟可以通过改变保偏光纤长度而改变，公式如下：

Δt＝BL/c

其中，Δt表示泵浦光脉冲和探测光脉冲之间的相对时间延迟，B表示保偏光纤双折射系数，L表示保偏光纤长度，c表示真空中光速。

泵浦光脉冲和斯托克斯光脉冲之间的时间重叠通过调节可调空间光延时线即可实现。

图3所示为线偏振超短脉冲在保偏光纤快轴和慢轴上的电场分配示意图，当线偏振超短脉冲沿保偏光纤快轴和慢轴的角平分线耦合进保偏光纤时，入射电场E₀可以分解为沿快轴传输的E_fast和沿慢轴传输的E_slow两部分，由于保偏光纤快轴和慢轴折射率的不同，E_fast和E_slow在保偏光纤中传输时的速度是不一样的，因此在保偏光纤输出端两者会产生时序上的分离，所以可以分别用作时间分辨CARS显微成像系统的泵浦光脉冲和斯托克斯光脉冲。

Claims (2)

1.一种基于光纤双折射效应的时间分辨CARS显微成像装置，其特征在于，该装置至少包括飞秒激光器(1)、功率调节部分、斯托克斯光路部分、泵浦光脉冲和探测光脉冲光路部分、短通二向色镜(18)以及CARS显微成像系统(19)，其特征在于，其中：

所述飞秒激光器(1)输出脉宽为40～200fs、线偏振的超短脉冲，入射至所述功率调节部分；

所述功率调节部分由电控液晶波片(2)和偏振分束棱镜(3)构成；在所述功率调节部分：所述超短脉冲经电控液晶波片(2)后入射至偏振分束棱镜(3)，经所述偏振分束棱镜(3)输出两部分超短脉冲：一部分是透射输出的功率可连续调节的水平线偏振超短脉冲，再入射至斯托克斯光路部分；而另一部分是反射输出的超短脉冲，经第二反射镜(12)入射至泵浦光脉冲和探测光脉冲光路部分；

所述斯托克斯光路部分由第一二分之一波片(4)、第一扩束镜(5)、第一光纤耦合镜(6)、高非线性保偏光子晶体光纤(7)、第一光纤准直扩束器(8)、第一反射镜(9)、长通滤光片(10)和可调空间光延时线(11)构成，在所述斯托克斯光路部分：所述透射输出的功率可连续调节的水平线偏振超短脉冲依次经所述第一二分之一波片(4)、所述第一扩束镜(5)和所述第一光纤耦合镜(6)后入射至所述高非线性保偏光子晶体光纤(7)；所述透射输出的功率可连续调节的水平线偏振超短脉冲在所述高非线性保偏光子晶体光纤(7)中传输时，产生沿着波长方向移动的光孤子脉冲即斯托克斯光脉冲，并由所述第一光纤准直扩束器(8)准直扩束输出；所述斯托克斯光脉冲经所述第一反射镜(9)转向后入射至所述长通滤光片(10)，所述长通滤光片(10)透射输出光入射至所述可调空间光延时线(11)；所述可调空间光延时线(11)由第一、第二直角反射棱镜(111)、(112)和一个高精度电控位移台(113)组成，所述第一直角反射棱镜(111)将入射的斯托克斯光脉冲反射至固定于所述高精度电控位移台(113)的第二直角反射镜(112)，所述第二直角反射棱镜(112)反射回来的光脉冲通过其另一直角边反射输出时间延迟可变的斯托克斯光脉冲；所述高精度电控位移台(113)用于调节斯托克斯光脉冲的时间延迟；所述时间延迟可变的斯托克斯光脉冲入射至短通二向色镜(18)，并由所述短通二向色镜(18)反射输出；

所述泵浦光脉冲和探测光脉冲光路部分由第二二分之一波片(13)、第二扩束镜(14)和第二光纤耦合镜(15)入射至保偏光纤(16)和第二光纤准直扩束器(17)，在所述泵浦光脉冲和探测光脉冲光路部分：所述时间延迟可变的斯托克斯光脉冲依次经第二二分之一波片(13)、第二扩束镜(14)和第二光纤耦合镜(15)入射至保偏光纤(16)，经保偏光纤(16)分别作为时泵浦光脉冲和探测光脉冲输出；所述保偏光纤(16输出的泵浦光脉冲和探测光脉冲经过第二光纤准直扩束器(17)实现光束准直扩束后，由短通二向色镜透射(18)输出；

经所述短通二向色镜(18)将反射输出的斯托克斯光脉冲和透射输出的泵浦光脉冲及探测光脉冲合束输出后，入射至CARS显微成像系统(19)，实现对待测样品CARS信号的共焦激发及检测。

2.一种基于光纤双折射效应的时间分辨CARS显微成像方法，其特征在于，该方法至少包括如下步骤：

步骤1：飞秒激光器输出的脉宽为40～200fs、线偏振的超短脉冲入射至电控液晶波片，电控液晶波片通过电压调节透射输出的超短脉冲偏振态，使其在水平线偏光、椭偏光、圆偏光、竖直线偏光之间连续变化；经电控液晶波片输出的偏振态可连续变化的超短脉冲入射至偏振分束棱镜实现偏振相关分束，其中透射输出的超短光脉冲的偏振态为水平线偏振，反射输出的超短光脉冲的偏振态为竖直线偏振方向；通过改变入射至偏振分束棱镜的偏振态来改变透射输出的超短光光脉冲的光功率和反射输出的超短光脉冲的光功率；实现偏振分束棱镜输出光功率的电控连续可调；

步骤2：偏振分束棱镜透射输出的功率可连续调节的水平线偏振超短脉冲依次经第一二分之一波片、第一扩束镜和第一光纤耦合镜入射至高非线性保偏光子晶体光纤，所述功率可连续调节的水平线偏振超短脉冲在高非线性保偏光子晶体光纤中传输时，产生波长向长波长方向移动的光孤子，且孤子频移量随入射超短脉冲光功率的增加而增加，将此波长红移的光孤子用作系统中的斯托克斯光脉冲；其中，第一二分之一波片用于调节超短脉冲偏振态，使之沿高非线性保偏光子晶体光纤的光轴入射，实现孤子波长的最大范围移动，第一扩束镜用于将光束直径扩展，提高空间光束耦合进入高非线性保偏光子晶体光纤的耦合效率；第一光纤耦合镜用于将空间光束耦合镜高非线性保偏光子晶体光纤中；

步骤3：高非线性保偏光子晶体光纤输出的斯托克斯光脉冲依次经第一反射镜、长通滤光片和可调空间光延时线入射至短通二向色镜反射输出，通过第一反射镜改变斯托克斯光脉冲的传输方向，通过长通滤光片消除残余的泵浦光脉冲的影响，通过可调空间光延时线改变斯托克斯光脉冲的相对时延，使之与泵浦光脉冲实现时间重叠；

步骤4：偏振分束棱镜反射输出的功率可连续调节的竖直线偏振超短脉冲经第二反射镜入射至第二二分之一波片，经第二二分之一波片调节线偏振方向后依次经第二扩束镜、第二光纤耦合镜入射至保偏光纤；调节第二二分之一波片使其透射输出的超短脉冲线偏振方向沿保偏光纤快轴和慢轴之间的角平分线，使超短脉冲在其中传输时快轴和慢轴方向的分量产生走离效应，即沿快轴方向传输的超短脉冲和沿慢轴传输的超短脉冲在时域上相互分离且快轴方向传输的超短脉冲较快，将快轴方向输出的超短脉冲用作系统的泵浦光脉冲，相应的慢轴方向输出的超短脉冲则用作系统的探测光脉冲，通过调节保偏光纤长度即可调节保偏光纤输出端泵浦光脉冲和探测光脉冲的相对延迟；

步骤5：保偏光纤输出的泵浦光脉冲和探测光脉冲经第二光纤准直扩束器准直扩束后，经短通二向色镜透射输出，并与步骤3中由短通二向色镜反射输出的斯托克斯光脉冲合束；

步骤6：合束后的泵浦光脉冲、探测光脉冲和斯托克斯光脉冲同时入射至CARS显微成像系统，激发并收集待测样品中目标化学键的CARS信号，通过对CARS信号的分析与重构即可实现待测样品的非接触、无标记以及化学选择性成像。

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