CN111650178B - 基于波前整形的光纤级联光谱压缩装置和方法 - Google Patents

基于波前整形的光纤级联光谱压缩装置和方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于波前整形的光纤级联光谱压缩装置和方法，飞秒脉冲激光器(1)输出的超短脉冲依次经线偏振片(2)和半波片(3)入射至扩束镜(4)，经扩束镜(4)后超短脉冲入射至偏振分束棱镜(5)、并经偏振分束棱镜(5)透射输出至空间光调制器(6)，空间光调制器(6)反射输出的超短脉冲经偏振分束棱镜(5)反射后至光纤耦合镜(7)；光纤耦合镜(7)的输出端连接多模光纤(8)，经多模光纤(8)传输后的超短脉冲入射至单模光纤(10)，所输出的超短脉冲入射至光谱分析仪(11)。与现有技术相比，本发明在实现飞秒脉冲光谱高效压缩的同时，能够尽量减小飞秒脉冲的传输损耗，是一种行之有效的飞秒脉冲光谱压缩技术。

Description

基于波前整形的光纤级联光谱压缩装置和方法
技术领域
本发明涉及光学相干控制、非线性光纤光学以及光谱压缩领域，特别是涉及一种基于波前整形的光纤级联光谱压缩装置和方法。
背景技术
飞秒脉冲由于所具有的高峰值功率、高脉冲能量、超短持续时间等特性，自其出现以来便广泛应用于非线性光学、化学物质检测、生物医学等领域。基于飞秒脉冲的相干反斯托克斯拉曼散射(coherent anti-Stokes Raman scattering，CARS)显微成像技术更是由于其非侵入、无标记、化学选择性、时间分辨性等优点而被广泛的应用于研究生物分子的动态拉曼振动特性，并根据生物分子的拉曼共振进行显微成像。然而，飞秒脉冲由于其本质的宽光谱特性使得将飞秒脉冲应用于CARS显微成像技术中时使得光谱分辨率极差，从而极大地弱化了CARS显微成像系统的化学选择性检测能力。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明提出了一种基于波前整形的光纤级联光谱压缩装置和方法，用于在实现飞秒脉冲光谱高效压缩的同时，尽量减小飞秒脉冲的传输损耗，从而为基于飞秒脉冲的光纤CARS显微成像技术提供一种行之有效的飞秒脉冲光谱压缩技术，提高拉曼共振谱探测分辨率，增强基于飞秒脉冲的光纤CARS系统的化学选择性成像能力。
本发明的一种基于波前整形的光纤级联光谱压缩装置，其特征在于，该装置包括飞秒脉冲激光器1、线偏振片2、半波片3、扩束镜4、偏振分束棱镜5、空间光调制器6、光纤耦合镜7、多模光纤8、空心微管9、单模光纤10和光谱分析仪11；其中：所述飞秒脉冲激光器1输出脉宽为百飞秒量级的超短脉冲，该超短脉冲依次经所述线偏振片2和所述半波片3入射至所述扩束镜4，经所述扩束镜4后超短脉冲入射至所述偏振分束棱镜5、并经所述偏振分束棱镜5透射输出至所述空间光调制器6，所述空间光调制器6反射输出的超短脉冲经所述偏振分束棱镜5反射后至所述光纤耦合镜7；所述光纤耦合镜7的输出端连接所述多模光纤8的输入端，经所述多模光纤8传输后的超短脉冲入射至所述单模光纤10，所述多模光纤8和所述单模光纤10之间由所述空心微管9实现连接，经单模光纤10输出的超短脉冲入射至光谱分析仪11；其中：
所述空间光调制器6，用于实现对超短脉冲光束的空间相位调制；
所述多模光纤8，用于使超短脉冲传输时产生负啁啾；
所述空心微管9，用于固定多模光纤8输出端和单模光纤10输入端，并使两者之间形成间隔，使得经波前整形后的超短脉冲光束在多模光纤8输出端输出后会聚于单模光纤10输入端面上的纤芯12区域；
所述单模光纤10，用于使超短脉冲在其正常色散区域传输时产生自相位调制效应，以便实现光谱聚焦。
利用一种基于波前整形的光纤级联光谱压缩装置实现的一种基于波前整形的光纤级联光谱压缩方法，该方法包括以下步骤：
首先，利用线偏振片实现超短脉冲光束中与线偏振片偏振方向一致的部分光束的透射、并且将其余偏振方向的部分光束滤除，从而实现超短脉冲光束线偏振输出；利用半波片改变超短脉冲光束的线偏振方向，使超短脉冲的线偏振方向沿偏振分束棱镜的透射偏振方向，利用扩束镜扩大超短脉冲光束的直径；
接着，利用空间光调制器实现经偏振分束棱镜透射输出的线偏振超短脉冲束的波前整形，使得超短脉冲经多模光纤透射输出后的光束由散斑图变为在距多模光纤输出端一定距离处实现会聚的会聚光束；并且，利用空间光调制器对超短脉冲光束的线偏振方向进行调制，使空间光调制器反射输出的超短脉冲光束偏振方向与入射至空间光调制器的超短脉冲光束偏振方向相垂直；
然后，将经空间光调制器反射输出的偏振方向与原来入射超短脉冲相垂直并且经波前整形后的超短脉冲利用光纤耦合镜耦合至多模光纤，经多模光纤传输，入射至单模光纤；
超短脉冲在多模光纤中传输时，经多模光纤透射输出负啁啾超短脉冲，选择使得经多模光纤输出的负啁啾超短脉冲在单模光纤中输出时实现光谱压缩的单模光纤长度；调节多模光纤输出端面和单模光纤输入端面的间距，使得多模光纤输出光束会聚点位于单模光纤输入端面处的纤芯位置，从而实现多模光纤输出负啁啾超短脉冲至单模光纤纤芯的高效功率传输；负啁啾超短脉冲在单模光纤中传输时受自相位调制效应的影响，产生光谱压缩。通过使用空间光调制器、多模光纤、空心微管以及单模光纤实现飞秒脉冲光谱的高效压缩以及光功率的低损耗传输；
最后，经单模光纤透射输出的光谱压缩后的超短脉冲入射至光谱分析仪以测量超短脉冲光谱，对光谱压缩效果进行评估。
与现有技术相比，本发明所提出的基于波前整形的光纤级联光谱压缩装置和方法在实现飞秒脉冲光谱高效压缩的同时，能够尽量减小飞秒脉冲的传输损耗，从而为基于飞秒脉冲的光纤CARS显微成像技术提供一种行之有效的飞秒脉冲光谱压缩技术，提高拉曼共振谱探测分辨率，增强基于飞秒脉冲的光纤CARS系统的化学选择性成像能力。
附图说明
图1所示为本发明的基于波前整形的光纤级联光谱压缩装置示意图。
图2所示为多模光纤和单模光纤使用空心微管固定结构示意图。
附图标记：
1、飞秒脉冲激光器，2、线偏振片，3、半波片，4、扩束镜，5、偏振分束棱镜，6、空间光调制器，7、光纤耦合镜，8、多模光纤，9、空心微管，10、单模光纤，11、光谱分析仪，12、多模光纤纤芯，13、多模光纤包层，14、单模光纤纤芯，15、单模光纤包层。
具体实施方式
以下结合附图对本发明具体实施方式进行详细说明。
本发明提出的一种基于波前整形的光纤级联光谱压缩装置，该装置包括飞秒脉冲激光器1、线偏振片2、半波片3、扩束镜4、偏振分束棱镜5、空间光调制器6、光纤耦合镜7、多模光纤8、空心微管9、单模光纤10和光谱分析仪11。
飞秒脉冲激光器1输出脉宽为百飞秒量级的超短脉冲，该超短脉冲依次经线偏振片2和半波片3入射至扩束镜4，经扩束镜4后超短脉冲入射至偏振分束棱镜5并经偏振分束棱镜5透射输出至空间光调制器6，空间光调制器6反射输出的超短脉冲经偏振分束棱镜5反射至光纤耦合镜7。光纤耦合镜7的输出端连接多模光纤8的输入端，经多模光纤8传输后的超短脉冲入射至单模光纤10。多模光纤8和单模光纤10之间的连接由空心微管9实现，并且多模光纤8输出端面和单模光纤10输入端面间隔一定的距离。经单模光纤10输出的超短脉冲入射至光谱分析仪11。
其中：
空间光调制器6用于实现对超短脉冲光束的空间相位调制，使得超短脉冲光束经多模光纤8传输后在多模光纤8输出端面一定距离处会聚。
多模光纤8用于使超短脉冲传输时产生负啁啾。
空心微管9用于固定多模光纤8输出端和单模光纤10输入端，并使两者之间间隔一定距离，使得经波前整形后的超短脉冲光束在多模光纤8输出端输出后会聚于单模光纤10输入端面上的纤芯区域。
单模光纤10用于使超短脉冲在其正常色散区域传输时产生自相位调制效应，以便实现光谱聚焦。
本发明的一种基于波前整形的光纤级联光谱压缩方法，包括以下具体步骤：
飞秒脉冲激光器输出脉冲宽度为百飞秒量级的超短脉冲，超短脉冲依次经线偏振片、半波片以及扩束镜入射至偏振分束棱镜。
其中，线偏振片用于透射超短脉冲光束中与线偏振片偏振方向一致的部分光束，而将其余偏振方向的部分光束滤除，从而将超短脉冲光束线偏振输出；半波片用于改变超短脉冲光束的线偏振方向，使超短脉冲的线偏振方向沿偏振分束棱镜的透射偏振方向；扩束镜用于扩大超短脉冲光束的直径，一方面使超短脉冲光束与之后的空间光调制器相互作用时可以实现较大的相互作用面积，提高空间光调制器的调制效率，另一方面使超短脉冲光束经光纤耦合镜进入多模光纤时提高功率耦合效率。
经偏振分束棱镜透射输出的线偏振超短脉冲入射至空间光调制器，空间光调制器用于实现超短脉冲光束的波前整形，即对超短脉冲光束的空间相位进行调制，使得超短脉冲经多模光纤透射输出后的光束由散斑图变为在多模光纤输出端面一定距离处会聚的会聚光束，从而实现超短脉冲光束经多模光纤传输后进入单模光纤中时具有较高的功率耦合效率。此外，空间光调制器还可对超短脉冲光束的线偏振方向进行调制，使空间光调制器反射输出的超短脉冲光束偏振方向与入射至空间光调制器的超短脉冲光束偏振方向相垂直。
经空间光调制器反射输出的偏振方向与原来入射超短脉冲相垂直的并且波前整形后的超短脉冲入射至偏振分束棱镜，由于波前整形后的超短脉冲光束偏振方向与原超短脉冲光束偏振方向相垂直，因此波前整形后的超短脉冲光束经偏振分束棱镜反射输出至光纤耦合镜。
光纤耦合镜将波前整形后的超短脉冲耦合至多模光纤，超短脉冲经多模光纤传输后入射至单模光纤。空心微管用于分别固定多模光纤和单模光纤，使其连接起来，并且空心微管在固定多模光纤和单模光纤时，使多模光纤输出端面和单模光纤输入端面间隔一定的距离。
超短脉冲在多模光纤中传输时，由多模光纤模式群分布特性以及群速度色散均值可知，经多模光纤透射输出的超短脉冲具有负啁啾，而根据自相位调制效应可知，负啁啾超短脉冲在单模光纤正常色散区域传输时，自相位调制效应会使得超短脉冲光谱随单模光纤长度的增加而先压缩后展宽，因此选择合适的单模光纤长度既可使得经多模光纤输出的负啁啾超短脉冲在单模光纤中输出时实现光谱压缩。由于波前整形技术的影响，超短脉冲在多模光纤输出端并非普通的散斑输出，而是在距离多模光纤输出端面一定距离处会聚，使用空心微管分别固定多模光纤和单模光纤时，适当调节多模光纤输出端面和单模光纤输入端面的间距，使得多模光纤输出光束会聚点正好位于单模光纤输入端面处的纤芯位置，从而实现多模光纤输出负啁啾超短脉冲至单模光纤纤芯的功率高效传输，从而避免了多模光纤和单模光纤直接熔融相连时光功率的巨大损耗。因此，通过使用空间光调制器、多模光纤、空心微管以及单模光纤既可实现飞秒脉冲光谱的高效压缩以及光功率的低损耗传输。
经单模光纤透射输出的光谱压缩后的超短脉冲入射至光谱分析仪以测量超短脉冲光谱，评估光谱压缩效果。
以上所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例作任何形式的修改或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (2)

1.一种基于波前整形的光纤级联光谱压缩装置，其特征在于，该装置包括飞秒脉冲激光器(1)、线偏振片(2)、半波片(3)、扩束镜(4)、偏振分束棱镜(5)、空间光调制器(6)、光纤耦合镜(7)、多模光纤(8)、空心微管(9)、单模光纤(10)和光谱分析仪(11)；其中：所述飞秒脉冲激光器(1)输出脉宽为百飞秒量级的超短脉冲，该超短脉冲依次经所述线偏振片(2)和所述半波片(3)入射至所述扩束镜(4)，经所述扩束镜(4)后超短脉冲入射至所述偏振分束棱镜(5)、并经所述偏振分束棱镜(5)透射输出至所述空间光调制器(6)，所述空间光调制器(6)反射输出的超短脉冲经所述偏振分束棱镜(5)反射后至所述光纤耦合镜(7)；所述光纤耦合镜(7)的输出端连接所述多模光纤(8)的输入端，经所述多模光纤(8)传输后的超短脉冲入射至所述单模光纤(10)，所述多模光纤(8)和所述单模光纤(10)之间由所述空心微管(9)实现连接，经单模光纤(10)输出的超短脉冲入射至光谱分析仪(11)；其中：
所述空间光调制器(6)，用于实现对超短脉冲光束的空间相位调制；
所述多模光纤(8)，用于使超短脉冲传输时产生负啁啾超短脉冲；
所述空心微管(9)，用于固定多模光纤(8)输出端和单模光纤(10)输入端，并使两者之间形成间隔，使得经波前整形后的超短脉冲光束在多模光纤(8)输出端输出后会聚于单模光纤(10)输入端面上的纤芯(12)区域；
所述单模光纤(10)，用于使超短脉冲在其正常色散区域传输时产生自相位调制效应。
2.利用如权利要求1所述的一种基于波前整形的光纤级联光谱压缩装置实现的一种基于波前整形的光纤级联光谱压缩方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
首先，利用线偏振片实现超短脉冲光束中与线偏振片偏振方向一致的部分光束的透射、并且将其余偏振方向的部分光束滤除，从而实现超短脉冲光束线偏振输出；利用半波片改变超短脉冲光束的线偏振方向，使超短脉冲的线偏振方向沿偏振分束棱镜的透射偏振方向，利用扩束镜扩大超短脉冲光束的直径；
接着，利用空间光调制器实现经偏振分束棱镜透射输出的线偏振超短脉冲束的波前整形，使得超短脉冲经多模光纤透射输出后的光束由散斑图变为在距多模光纤输出端面一定距离处实现会聚的会聚光束；并且，利用空间光调制器对超短脉冲光束的线偏振方向进行调制，使空间光调制器反射输出的超短脉冲光束偏振方向与入射至空间光调制器的超短脉冲光束偏振方向相垂直；
然后，将经空间光调制器反射输出的偏振方向与原来入射超短脉冲相垂直并且经波前整形后的超短脉冲利用光纤耦合镜耦合至多模光纤，经多模光纤传输，入射至单模光纤；
超短脉冲在多模光纤中传输时，经多模光纤透射输出负啁啾超短脉冲，选择使得经多模光纤输出的负啁啾超短脉冲在单模光纤中输出时实现光谱压缩的单模光纤长度；调节多模光纤输出端面和单模光纤输入端面的间距，使得多模光纤输出光束会聚点位于单模光纤输入端面处的纤芯位置，从而实现多模光纤输出负啁啾超短脉冲至单模光纤纤芯的高效功率传输；负啁啾超短脉冲在单模光纤中传输时受自相位调制效应的影响，产生光谱压缩；通过使用空间光调制器、多模光纤、空心微管以及单模光纤实现飞秒脉冲光谱的高效压缩以及光功率的低损耗传输；
最后，经单模光纤透射输出的光谱压缩后的超短脉冲入射至光谱分析仪以测量超短脉冲光谱，对光谱压缩效果进行评估。
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