CN110687092A - 全光纤cars光谱检测装置和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种全光纤CARS光谱检测装置，该装置至少包括飞秒光纤激光器1、斯托克斯光路部分、泵浦光路部分、锥形激发及收集光纤13、第二光纤滤波器15以及荧光光谱分析仪16。与现有技术相比，由于本发明所使用的光纤器件具有低损耗、无校准、免维护、易集成的优点，因此全光纤CARS光谱检测系统可以实现小型化、集成化、灵活配置、无需专业人员定期维护，便于CARS光谱检测系统的使用和推广。

Description

全光纤CARS光谱检测装置和方法
技术领域
本发明属于非线性光纤光学和共振光谱检测领域，特别是涉及一种全光纤CARS光谱检测装置和方法。
背景技术
相干反斯托克斯拉曼散射(coherent anti-Stokes Raman scattering，CARS)技术由于其特有的无标记化学选择性检测能力，在非线性共振光谱显微成像领域具有重要应用。CARS技术是一种基于四波混频的三阶非线性光学过程，泵浦光脉冲和斯托克斯光脉冲同时经聚焦物镜入射至待测样品的同一位置处，调节泵浦光脉冲和斯托克斯光脉冲的波长差使之与待测样品中目标成分化学键的共振频率相同以产生反斯托克斯拉曼散射信号，即CARS信号，通过连续调节泵浦光脉冲和斯托克斯光脉冲的波长差即可实现待测样品中目标化学成分化学键的完整拉曼光谱测量。由于CARS过程是一种三阶非线性光学过程，为了提高激发效率增强CARS信号强度，通常使用高峰值功率、低持续时间和重复频率的超短脉冲(皮秒脉冲或飞秒脉冲)作为泵浦光脉冲和斯托克斯光脉冲，而此类光脉冲通常由钛宝石激光器、光参量振荡器、光参量放大器等产生，并通过复杂的空间光路实现CARS信号的激发和检测，因此传统CARS光谱检测系统体积庞大，结构复杂，需要专业人员定期调节维护，系统建设成本和使用成本高昂。
发明内容
本发明旨在提出一种全光纤CARS光谱检测装置和方法，使用光纤代替传统CARS光谱检测系统中的各种分立光学元件，引入了锥形激发及收集光纤，实现CARS共振谱的测量。
本发明的一种全光纤CARS光谱检测装置该装置，至少包括飞秒光纤激光器1、斯托克斯光路部分、泵浦光路部分、锥形激发及收集光纤13、第二光纤滤波器15以及荧光光谱分析仪16；其中：
所述飞秒光纤激光器1输出的飞秒脉冲经50:50保偏光纤耦合器2分为功率相等的两束飞秒脉冲，沿50:50保偏光纤耦合器2慢轴方向分别入射进入斯托克斯光路部分和泵浦光路部分；
所述斯托克斯光路部分由依序连接的第一可调光衰减器3、高非线性保偏光子晶体光纤4、第一光纤滤波器5、第一光纤偏振控制器6以及第一色散补偿光纤7组成；由所述50:50保偏光纤耦合器2一个输出端与所述第一可调光衰减器3的输入端连接，所述第一色散补偿光纤7输出端与所述光纤合束器12的一个输入端口连接；
所述泵浦光路部分由依序连接的光纤可调光延时线8、第二可调光衰减器9、第二光纤偏振控制器10以及第二色散补偿光纤11组成；由50:50保偏光纤耦合器2一个输出端与所述光纤可调光延时线8的输入端连接，所述及第二色散补偿光纤11的输出端与所述光纤合束器12的一个输入端口连接；
所述光纤合束器12的输出端口通过锥形激发及收集光纤3与所述第二光纤滤波器15输入端连接，所述第二光纤滤波器15输出端连接至所述荧光光谱分析仪16输入端；
所述第一可调光衰减器3，用于实现对经过其传输的飞秒脉冲光功率实现连续改变；
所述高非线性保偏光子晶体光纤4，用于使飞秒脉冲在其中传输时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，用作装置的斯托克斯光脉冲；
所述第一光纤滤波器5，用于消除高非线性保偏光子晶体光纤4输出的残余泵浦光脉冲和由非线性效应引起的色散波的影响，只保留光孤子，即斯托克斯光脉冲；
所述光纤可调光延时线8，用于调节泵浦光路中泵浦光脉冲的相对时延，以使泵浦光脉冲和斯托克斯光脉冲在待测样品处时间重叠；
所述第二可调光衰减器9，用于调节泵浦光路中泵浦光脉冲的光功率，以防止泵浦光功率过高以致在之后的光纤中传输时发生非线性效应。
所述第一光纤偏振控制器6和第二光纤偏振控制器10，分别用于调节斯托克斯光脉冲和泵浦光脉冲的偏振态，使其在待测样品处偏振方向相同；
所述第一色散补偿光纤7和所述第二色散补偿光纤11，，一方面用于补偿由于光纤色散造成的斯托克斯光脉冲和泵浦光脉冲的时间展宽，另一方面为斯托克斯光脉冲和泵浦光脉冲引入可控的线性啁啾，调节第一色散补偿光纤7和第二色散补偿光纤11的长度，斯托克斯光脉冲和泵浦光脉冲在待测样品处具有相同的线性啁啾，以实现光谱聚焦；
所述光纤合束器12，用于将斯托克斯光脉冲和泵浦光脉冲合束并通过光纤输出。
所述锥形激发及收集光纤13，用于激发斯托克斯光脉冲和泵浦光脉冲在其中传输时产生倏逝波，斯托克斯光脉冲和泵浦光脉冲的倏逝波和待测样品作用产生CARS信号，并且所述倏逝波由锥形激发及收集光纤13收集；
所述第二光纤滤波器15，用于消除锥形激发及收集光纤13输出光束中残余的斯托克斯光脉冲和泵浦光脉冲的影响，只保留CARS信号；
所述荧光光谱分析仪16，用于检测CARS信号的分布和强弱。
所述锥形激发及收集光纤13由普通单模光纤经光纤拉锥制成，锥区直径小于500nm。
本发明的一种全光纤CARS光谱检测方法，该方法包括以下步骤：
步骤1：飞秒光纤激光器由保偏尾纤输出脉冲宽度为百飞秒量级的线偏振飞秒脉冲，且飞秒脉冲的线偏振方向沿保偏尾纤的慢轴方向，线偏振飞秒脉冲经慢轴工作的50:50保偏光纤耦合器分为功率相等的两束飞秒脉冲，分别入射至斯托克斯光路和泵浦光路；
步骤2：50:50保偏光纤耦合器输出的一束飞秒脉冲入射至由第一可调光衰减器、高非线性保偏光子晶体光纤、第一光纤滤波器、第一光纤偏振控制器和第一色散补偿光纤组成的斯托克斯光路，50:50保偏光纤耦合器输出的一路飞秒脉冲经第一可调光衰减器入射至高非线性保偏光子晶体光纤，第一可调光衰减器用于调节输出的飞秒脉冲光功率，其输入光纤和输出光纤均为保偏光纤且慢轴工作；由第一可调光衰减器输出的功率可变的飞秒脉冲沿高非线性保偏光子晶体光纤快轴/慢轴入射，飞秒脉冲在高非线性保偏光纤中传输时，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，即斯托克斯光脉冲；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光纤滤波器、第一光纤偏振控制器和第一色散补偿光纤进入光纤合束器的一个输入端；其中，第一光纤滤波器透射输出斯托克斯光脉冲，消除除高非线性保偏光子晶体光纤输出光束中残余飞秒泵浦脉冲和色散波对系统的影响；第一光纤偏振控制器调节斯托克斯光脉冲的偏振态以提高全光纤CARS光谱检测系统中CARS信号的激发效率；利用第一色散补偿光纤具有两个作用，一方面用于补偿斯托克斯光脉冲在整个全光纤CARS光谱检测系统中由于光纤色散造成的脉冲展宽，另一方面为斯托克斯光脉冲引入可控的线性啁啾，以提高全光纤CARS光谱检测系统的共振谱分辨率；
步骤3：50:50保偏光纤耦合器输出的另一束飞秒脉冲入射至由光纤可调光延时线、第二可调光衰减器、第二光纤偏振控制器和第二色散补偿光纤组成的泵浦光路；50:50保偏光纤耦合器输出的另一束飞秒脉冲经光纤可调光延时线进入第二可调光衰减器，光纤可调光延时线用于调节泵浦光脉冲的相对时延，使泵浦光脉冲和斯托克斯光脉冲在待测样品处时间重叠以激发CARS信号，第二可调光衰减器用于调节泵浦光脉冲的光功率以消除由于泵浦光功率过高所引起的高阶非线性效应；第二可调光衰减器输出的时延可变功率适中的泵浦光脉冲依次经第二光纤偏振控制器和第二色散补偿光纤进入光纤合束器的另一个输入端，其中第二光纤偏振控制器用于调节泵浦光脉冲的偏振态，使之与斯托克斯光脉冲偏振态相匹配，以提高CARS信号的激发效率；第二色散补偿光纤一方面用于补偿泵浦光脉冲在整个全光纤CARS光谱检测系统中由于光纤色散造成的脉冲展宽，另一方面为泵浦光脉冲引入可控的线性啁啾，调节第一色散补偿光纤和第二色散补偿光纤的长度使斯托克斯光脉冲和泵浦光脉冲在待测样品处具有相同的线性啁啾以提高全光纤CARS光谱检测系统的共振谱分辨率；
步骤4：由光纤合束器输出的泵浦光脉冲和斯托克斯光脉冲入射至锥形激发及收集光纤，实现泵浦光脉冲和斯托克斯光脉冲在其中传输时产生较强的倏逝波，从而实现泵浦光脉冲和斯托克斯光脉冲与待测样品的相互作用，调节可调空间光延时线使泵浦光脉冲和斯托克斯光脉冲在锥形激发及收集光纤的锥区部分时间重叠以激发CARS信号，调节第一光纤偏振控制器和第二光纤偏振控制器以实现CARS信号的高效激发；
步骤5：产生的CARS信号由锥形激发及收集光纤收集后经第二光纤滤波器滤除残余的泵浦光脉冲光和斯托克斯光脉冲，之后入射至荧光光谱分析仪以检测CARS信号的峰值位置和强度；连续调节第一可调光衰减器以实现斯托克斯光脉冲中心波长的大范围连续扫描，相应的调节光纤可调光延时线以保持泵浦光脉冲和斯托克斯光脉冲在待测样品处时间重叠，从而实现待测样品完整CARS共振谱的测量。
与现有技术相比，由于本发明所使用的光纤器件具有低损耗、无校准、免维护、易集成的优点，因此全光纤CARS光谱检测系统可以实现小型化、集成化、灵活配置、无需专业人员定期维护，便于CARS光谱检测系统的使用和推广。
附图说明
图1为本发明提出的全光纤CARS光谱检测装置结构示意图；
图2为锥形激发及收集光纤与待测样品相互作用时的装置示意图。
附图标记：
1、飞秒光纤激光器，2、50:50保偏光纤耦合器，3、第一可调光衰减器，4、高非线性保偏光子晶体光纤，5、第一光纤滤波器，6、第一光纤偏振控制器，7、第一色散补偿光纤，8、光纤可调光延时线，9、第二可调光衰减器，10、第二光纤偏振控制器，11、第二色散补偿光纤，12、光纤合束器，13、锥形激发及收集光纤，14、载物台，15、第二光纤滤波器，16、荧光光谱分析仪，17、锥区部分，18、待测物品。
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。。
本发明提出的一种全光纤CARS光谱检测装置，该装置主要包括飞秒光纤激光器1、50:50保偏光纤耦合器2、第一可调光衰减器3、高非线性保偏光子晶体光纤4、第一光纤滤波器5、第一光纤偏振控制器6、第一色散补偿光纤7、光纤可调光延时线8、第二可调光衰减器9、第二光纤偏振控制器10、第二色散补偿光纤11、光纤合束器12、锥形激发及收集光纤13、载物台14、第二光纤滤波器15、荧光光谱分析仪16。
飞秒光纤激光器1输出端接50:50保偏光纤耦合器2的输入端，50:50保偏光纤耦合器2的两个输出端分别接斯托克斯光路部分和泵浦光路部分。
斯托克斯光路部分由第一可调光衰减器3、高非线性保偏光子晶体光纤4、第一光纤滤波器5、第一光纤偏振控制器6以及第一色散补偿光纤7组成。50:50保偏光纤耦合器2输出的一束飞秒脉冲经第一可调光衰减器3入射至高非线性保偏光子晶体光纤4。飞秒超短脉冲在高非线性光子晶体光纤4中传输时，受光纤色散及非线性效应相互作用，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，该光孤子即用作全光纤CARS光谱检测系统中的斯托克斯光脉冲。高非线性保偏光子晶体光纤4输出的斯托克斯光脉冲经第一光纤滤波器5透射滤波后入射至第一光纤偏振控制器6，第一光纤偏振控制器6输出端接第一色散补偿光纤7，经第一色散补偿光纤7输出的斯托克斯光脉冲入射至光纤合束器12的一个输入端口。
泵浦光路部分由光纤可调光延时线8、第二可调光衰减器9、第二光纤偏振控制器10、第二色散补偿光纤11组成。50:50保偏光纤耦合器2输出的另一束飞秒脉冲入射至光纤可调光延时线8以调节泵浦光脉冲的相对时延。光纤可调光延时线8输出的时延可变的泵浦光脉冲依次经第二可调光衰减器9和第二光纤偏振控制器10后入射至第二色散补偿光纤11，经第二色散补偿光纤11透射输出的泵浦光脉冲入射至光纤合束器12的另一个输入端口。
光纤合束器12将斯托克斯光脉冲和泵浦光脉冲合束后输出至锥形激发及收集光纤13，锥形激发及收集光纤13由普通单模光纤经光纤拉锥制成，其中锥形光纤的锥区部分17置于放有待测样品18的载物台14上，锥区直径小于500nm，泵浦光脉冲和斯托克斯光脉冲通过锥形激发及收集光纤的锥区部位时，由于锥区直径非常小，产生强烈的倏逝波，倏逝波与周围待测样品相互作用，产生反斯托克斯拉曼散射信号，即CARS信号，部分CARS信号通过倏逝场重新耦合至锥形激发及收集光纤，从而实现CARS信号的收集。经锥形激发及收集光纤输出的CARS信号由第二光纤滤波器15滤除泵浦光脉冲和斯托克斯光脉冲后，入射至荧光光谱分析仪16，以检测CARS信号的光谱分布和强弱。
其中：
所述飞秒光纤激光器1输出端光纤为保偏光纤，且其输出的飞秒脉冲时间宽度为百飞秒量级，线偏振方向为沿保偏尾纤慢轴方向。
所述50:50保偏光纤耦合器2的输入端与飞秒光纤激光器1的保偏尾纤连接时慢轴对准，且50:50保偏光纤耦合器2慢轴工作。
所述第一可调光衰减器3的输入光纤和输出光纤均为保偏光纤且慢轴工作，第一可调光衰减器3的输入端和50:50保偏光纤耦合器2的一个输出端连接时慢轴对准。第一可调光衰减器3的输出端与高非线性保偏光子晶体光纤4连接时，第一可调光衰减器3输出保偏光纤的慢轴对准高非线性保偏光子晶体光纤4的快轴或慢轴均可。第一可调光衰减器3可以通过手动或电控编程方式实现对经过其传输的飞秒脉冲光功率实现连续改变。
所述高非线性保偏光子晶体光纤4，具有合适的色散曲线和非线性系数，能够使飞秒脉冲在其中传输时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，用作系统的斯托克斯光脉冲。
所述第一光纤滤波器5，用于消除高非线性保偏光子晶体光纤4输出的残余泵浦光脉冲和由非线性效应引起的色散波的影响，只保留光孤子，即斯托克斯光脉冲。
所述光纤可调光延时线8，用于调节泵浦光路中泵浦光脉冲的相对时延，以使泵浦光脉冲和斯托克斯光脉冲在待测样品处时间重叠。光纤可调光延时线8可以通过电控编程方式实现对泵浦光脉冲相对时延的自动高精度控制。
所述第二可调光衰减器9，用于调节泵浦光路中泵浦光脉冲的光功率，以防止泵浦光功率过高以致在之后的光纤中传输时发生非线性效应。
所述第一光纤偏振控制器6和第二光纤偏振控制器10，分别用于调节斯托克斯光脉冲和泵浦光脉冲的偏振态，使其在待测样品处偏振方向相同，以提高CARS信号的激发效率。
所述第一色散补偿光纤7和所述第二色散补偿光纤11具有两方面作用，一方面用于补偿由于光纤色散造成的斯托克斯光脉冲和泵浦光脉冲的时间展宽，另一方面为斯托克斯光脉冲和泵浦光脉冲引入可控的线性啁啾，调节第一色散补偿光纤7和第二色散补偿光纤11的长度，斯托克斯光脉冲和泵浦光脉冲在待测样品处具有相同的线性啁啾，以实现光谱聚焦，提高全光纤CARS光谱检测系统的共振谱分辨率。
所述光纤合束器12，用于将斯托克斯光脉冲和泵浦光脉冲合束并通过光纤输出。
所述锥形激发及收集光纤13可以由普通单模光纤通过光纤拉锥制成，锥区部分置于放有待测样品的载物台14上，其中锥区直径小于500nm，以便斯托克斯光脉冲和泵浦光脉冲在其中传输时产生较强的倏逝波，斯托克斯光脉冲和泵浦光脉冲的倏逝波和待测样品作用产生CARS信号，并由锥形激发及收集光纤13收集。
所述第二光纤滤波器15，用于消除锥形激发及收集光纤13输出光束中残余的斯托克斯光脉冲和泵浦光脉冲的影响，只保留CARS信号。
所述荧光光谱分析仪16，用于检测CARS信号的分布和强弱。
本发明提出的一种全光纤CARS光谱检测方法，该方法包括以下步骤：
步骤1：飞秒光纤激光器由保偏尾纤输出脉冲宽度为百飞秒量级的线偏振飞秒脉冲，且飞秒脉冲的线偏振方向沿保偏尾纤的慢轴方向，线偏振飞秒脉冲经慢轴工作的50:50保偏光纤耦合器分为功率相等的两束飞秒脉冲，分别入射至斯托克斯光路和泵浦光路；
步骤2：50:50保偏光纤耦合器输出的一束飞秒脉冲入射至由第一可调光衰减器、高非线性保偏光子晶体光纤、第一光纤滤波器、第一光纤偏振控制器和第一色散补偿光纤组成的斯托克斯光路。50:50保偏光纤耦合器输出的一路飞秒脉冲经第一可调光衰减器入射至高非线性保偏光子晶体光纤，第一可调光衰减器用于调节输出的飞秒脉冲光功率，其输入光纤和输出光纤均为保偏光纤且慢轴工作。由第一可调光衰减器输出的功率可变的飞秒脉冲沿高非线性保偏光子晶体光纤快轴(或慢轴)入射，飞秒脉冲在高非线性保偏光纤中传输时，由于光纤色散和非线性效应的影响，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，并且光孤子的中心波长随入射飞秒脉冲光功率的增加而增大，此光孤子即为全光纤CARS光谱检测系统中的斯托克斯光脉冲。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光纤滤波器、第一光纤偏振控制器和第一色散补偿光纤进入光纤合束器的一个输入端。其中，第一光纤滤波器透射输出斯托克斯光脉冲，消除除高非线性保偏光子晶体光纤输出光束中残余飞秒泵浦脉冲和色散波对系统的影响；第一光纤偏振控制器用于调节斯托克斯光脉冲的偏振态以提高全光纤CARS光谱检测系统中CARS信号的激发效率；第一色散补偿光纤具有两个作用，一方面用于补偿斯托克斯光脉冲在整个全光纤CARS光谱检测系统中由于光纤色散造成的脉冲展宽，另一方面为斯托克斯光脉冲引入可控的线性啁啾，以提高全光纤CARS光谱检测系统的共振谱分辨率；
步骤3：50:50保偏光纤耦合器输出的另一束飞秒脉冲入射至由光纤可调光延时线、第二可调光衰减器、第二光纤偏振控制器和第二色散补偿光纤组成的泵浦光路。50:50保偏光纤耦合器输出的另一束飞秒脉冲经光纤可调光延时线进入第二可调光衰减器，光纤可调光延时线用于调节泵浦光脉冲的相对时延，使泵浦光脉冲和斯托克斯光脉冲在待测样品处时间重叠以激发CARS信号，第二可调光衰减器用于调节泵浦光脉冲的光功率以消除由于泵浦光功率过高所引起的高阶非线性效应。第二可调光衰减器输出的时延可变功率适中的泵浦光脉冲依次经第二光纤偏振控制器和第二色散补偿光纤进入光纤合束器的另一个输入端，其中第二光纤偏振控制器用于调节泵浦光脉冲的偏振态，使之与斯托克斯光脉冲偏振态相匹配，以提高CARS信号的激发效率；第二色散补偿光纤的作用与第一色散补偿光纤类似，一方面用于补偿泵浦光脉冲在整个全光纤CARS光谱检测系统中由于光纤色散造成的脉冲展宽，另一方面为泵浦光脉冲引入可控的线性啁啾，调节第一色散补偿光纤和第二色散补偿光纤的长度使斯托克斯光脉冲和泵浦光脉冲在待测样品处具有相同的线性啁啾以提高全光纤CARS光谱检测系统的共振谱分辨率；
步骤4：由光纤合束器输出的泵浦光脉冲和斯托克斯光脉冲入射至锥形激发及收集光纤，锥形激发及收集光纤的锥区部分置于放有待测样品的载物台上，并且锥形激发及收集光纤的锥区部位光纤直径小于500nm，以实现泵浦光脉冲和斯托克斯光脉冲在其中传输时产生较强的倏逝波，从而实现泵浦光脉冲和斯托克斯光脉冲与待测样品的相互作用，调节可调空间光延时线使泵浦光脉冲和斯托克斯光脉冲在锥形激发及收集光纤的锥区部分时间重叠以激发CARS信号，调节第一光纤偏振控制器和第二光纤偏振控制器以实现CARS信号的高效激发；
步骤5：产生的CARS信号由锥形激发及收集光纤收集后经第二光纤滤波器滤除残余的泵浦光脉冲光和斯托克斯光脉冲，之后入射至荧光光谱分析仪以检测CARS信号的峰值位置和强度。连续调节第一可调光衰减器以实现斯托克斯光脉冲中心波长的大范围连续扫描，相应的调节光纤可调光延时线以保持泵浦光脉冲和斯托克斯光脉冲在待测样品处时间重叠，从而实现待测样品完整CARS共振谱的测量。

Claims (3)

1.一种全光纤CARS光谱检测装置，其特征在于，该装置至少包括飞秒光纤激光器(1)、斯托克斯光路部分、泵浦光路部分、锥形激发及收集光纤(13)、第二光纤滤波器(15)以及荧光光谱分析仪(16)；其中：
所述飞秒光纤激光器1输出的飞秒脉冲经50:50保偏光纤耦合器(2)分为功率相等的两束飞秒脉冲，沿50:50保偏光纤耦合器(2)慢轴方向分别入射进入斯托克斯光路部分和泵浦光路部分；
所述斯托克斯光路部分由依序连接的第一可调光衰减器(3)、高非线性保偏光子晶体光纤(4)、第一光纤滤波器(5)、第一光纤偏振控制器(6)以及第一色散补偿光纤(7)组成；由所述50:50保偏光纤耦合器(2)一个输出端与所述第一可调光衰减器3的输入端连接，所述第一色散补偿光纤(7)输出端与所述光纤合束器(12)的一个输入端口连接；
所述泵浦光路部分由依序连接的光纤可调光延时线(8)、第二可调光衰减器(9)、第二光纤偏振控制器(10)以及第二色散补偿光纤(11)组成；由50:50保偏光纤耦合器(2)一个输出端与所述光纤可调光延时线(8)的输入端连接，所述及第二色散补偿光纤(11)的输出端与所述光纤合束器(12)的一个输入端口连接；
所述光纤合束器(12)的输出端口通过锥形激发及收集光纤(3)与所述第二光纤滤波器(15)输入端连接，所述第二光纤滤波器(15)输出端连接至所述荧光光谱分析仪16输入端；
所述第一可调光衰减器(3)，用于实现对经过其传输的飞秒脉冲光功率实现连续改变；
所述高非线性保偏光子晶体光纤(4)，用于使飞秒脉冲在其中传输时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，用作装置的斯托克斯光脉冲；
所述第一光纤滤波器(5)，用于消除高非线性保偏光子晶体光纤(4)输出的残余泵浦光脉冲和由非线性效应引起的色散波的影响，只保留光孤子，即斯托克斯光脉冲；
所述光纤可调光延时线(8)，用于调节泵浦光路中泵浦光脉冲的相对时延，以使泵浦光脉冲和斯托克斯光脉冲在待测样品处时间重叠；
所述第二可调光衰减器(9)，用于调节泵浦光路中泵浦光脉冲的光功率，以防止泵浦光功率过高以致在之后的光纤中传输时发生非线性效应。
所述第一光纤偏振控制器(6)和第二光纤偏振控制器(10)，分别用于调节斯托克斯光脉冲和泵浦光脉冲的偏振态，使其在待测样品处偏振方向相同；
所述第一色散补偿光纤(7)和所述第二色散补偿光纤(11)，一方面用于补偿由于光纤色散造成的斯托克斯光脉冲和泵浦光脉冲的时间展宽，另一方面为斯托克斯光脉冲和泵浦光脉冲引入可控的线性啁啾，调节第一色散补偿光纤(7)和第二色散补偿光纤(11)的长度，斯托克斯光脉冲和泵浦光脉冲在待测样品处具有相同的线性啁啾，以实现光谱聚焦；
所述光纤合束器(12)，用于将斯托克斯光脉冲和泵浦光脉冲合束并通过光纤输出。
所述锥形激发及收集光纤(13)，用于激发斯托克斯光脉冲和泵浦光脉冲在其中传输时产生倏逝波，斯托克斯光脉冲和泵浦光脉冲的倏逝波和待测样品作用产生CARS信号，并且所述倏逝波由锥形激发及收集光纤(13)收集；
所述第二光纤滤波器(15)，用于消除锥形激发及收集光纤(13)输出光束中残余的斯托克斯光脉冲和泵浦光脉冲的影响，只保留CARS信号；
所述荧光光谱分析仪(16)，用于检测CARS信号的分布和强弱。
2.如权利要求1所述的一种全光纤CARS光谱检测装置，其特征在于，所述锥形激发及收集光纤(13)由普通单模光纤经光纤拉锥制成，锥区直径小于500nm。
3.一种全光纤CARS光谱检测方法，该方法包括以下步骤：
步骤1：飞秒光纤激光器由保偏尾纤输出脉冲宽度为百飞秒量级的线偏振飞秒脉冲，且飞秒脉冲的线偏振方向沿保偏尾纤的慢轴方向，线偏振飞秒脉冲经慢轴工作的50:50保偏光纤耦合器分为功率相等的两束飞秒脉冲，分别入射至斯托克斯光路和泵浦光路；
步骤2：50:50保偏光纤耦合器输出的一束飞秒脉冲入射至由第一可调光衰减器、高非线性保偏光子晶体光纤、第一光纤滤波器、第一光纤偏振控制器和第一色散补偿光纤组成的斯托克斯光路，50:50保偏光纤耦合器输出的一路飞秒脉冲经第一可调光衰减器入射至高非线性保偏光子晶体光纤，第一可调光衰减器用于调节输出的飞秒脉冲光功率，其输入光纤和输出光纤均为保偏光纤且慢轴工作；由第一可调光衰减器输出的功率可变的飞秒脉冲沿高非线性保偏光子晶体光纤快轴/慢轴入射，飞秒脉冲在高非线性保偏光纤中传输时，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，即斯托克斯光脉冲；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光纤滤波器、第一光纤偏振控制器和第一色散补偿光纤进入光纤合束器的一个输入端；其中，第一光纤滤波器透射输出斯托克斯光脉冲，消除除高非线性保偏光子晶体光纤输出光束中残余飞秒泵浦脉冲和色散波对系统的影响；第一光纤偏振控制器调节斯托克斯光脉冲的偏振态以提高全光纤CARS光谱检测系统中CARS信号的激发效率；利用第一色散补偿光纤具有两个作用，一方面用于补偿斯托克斯光脉冲在整个全光纤CARS光谱检测系统中由于光纤色散造成的脉冲展宽，另一方面为斯托克斯光脉冲引入可控的线性啁啾，以提高全光纤CARS光谱检测系统的共振谱分辨率；
步骤3：50:50保偏光纤耦合器输出的另一束飞秒脉冲入射至由光纤可调光延时线、第二可调光衰减器、第二光纤偏振控制器和第二色散补偿光纤组成的泵浦光路；50:50保偏光纤耦合器输出的另一束飞秒脉冲经光纤可调光延时线进入第二可调光衰减器，光纤可调光延时线用于调节泵浦光脉冲的相对时延，使泵浦光脉冲和斯托克斯光脉冲在待测样品处时间重叠以激发CARS信号，第二可调光衰减器用于调节泵浦光脉冲的光功率以消除由于泵浦光功率过高所引起的高阶非线性效应；第二可调光衰减器输出的时延可变功率适中的泵浦光脉冲依次经第二光纤偏振控制器和第二色散补偿光纤进入光纤合束器的另一个输入端，其中第二光纤偏振控制器用于调节泵浦光脉冲的偏振态，使之与斯托克斯光脉冲偏振态相匹配，以提高CARS信号的激发效率；第二色散补偿光纤一方面用于补偿泵浦光脉冲在整个全光纤CARS光谱检测系统中由于光纤色散造成的脉冲展宽，另一方面为泵浦光脉冲引入可控的线性啁啾，调节第一色散补偿光纤和第二色散补偿光纤的长度使斯托克斯光脉冲和泵浦光脉冲在待测样品处具有相同的线性啁啾以提高全光纤CARS光谱检测系统的共振谱分辨率；
步骤4：由光纤合束器输出的泵浦光脉冲和斯托克斯光脉冲入射至锥形激发及收集光纤，实现泵浦光脉冲和斯托克斯光脉冲在其中传输时产生较强的倏逝波，从而实现泵浦光脉冲和斯托克斯光脉冲与待测样品的相互作用，调节可调空间光延时线使泵浦光脉冲和斯托克斯光脉冲在锥形激发及收集光纤的锥区部分时间重叠以激发CARS信号，调节第一光纤偏振控制器和第二光纤偏振控制器以实现CARS信号的高效激发；
步骤5：产生的CARS信号由锥形激发及收集光纤收集后经第二光纤滤波器滤除残余的泵浦光脉冲光和斯托克斯光脉冲，之后入射至荧光光谱分析仪以检测CARS信号的峰值位置和强度；连续调节第一可调光衰减器以实现斯托克斯光脉冲中心波长的大范围连续扫描，相应的调节光纤可调光延时线以保持泵浦光脉冲和斯托克斯光脉冲在待测样品处时间重叠，从而实现待测样品完整CARS共振谱的测量。
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