CN114486849B - 集成平面超构透镜的cars激发探针激发方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及光纤光学及共振谱显微光谱探测领域，为抑制实芯光纤的非线性效应，避免四波混频背景的干扰，实现CARS信号的激发，本发明，集成平面超构透镜的CARS激发探针激发方法和装置，包括相干反斯托克斯拉曼散射CARS激发源、二向色镜、光纤耦合镜、空芯反谐振光纤、平面超构透镜、滤光片、信号采集和处理系统；CARS激发源发出的泵浦脉冲光和斯托克斯脉冲光经二向色镜、光纤耦合镜进入空芯反谐振光纤的一端，泵浦脉冲光和斯托克斯脉冲光在空芯反谐振光纤中正向传输，空芯反谐振光纤的另一端面集成有平面超构透镜，激发CARS信号。本发明主要应用于CARS激发装置设计制造场合。

Description

集成平面超构透镜的CARS激发探针激发方法和装置
技术领域
本发明涉及光纤光学及共振谱显微光谱探测领域，提出了空芯反谐振光纤集成平面超构透镜的CARS激发探针装置和方法。具体涉及集成平面超构透镜的CARS激发探针激发方法和装置。
背景技术
相干反斯托克斯拉曼散射(coherent anti-Stokes Raman scattering,CARS)显微成像技术可以探测分子的振动模式，无需引入外源染料或标记物，且CARS信号与其他荧光信号不在同一光谱范围，免受荧光信号干扰。CARS显微成像技术具有无需荧光标记、空间分辨率高、检测速度快等优点。传统CARS系统中使用空间物镜会聚激发脉冲，由于生物组织对光的吸收和散射，使用大尺寸物镜的CARS显微镜无法对几百微米深度处的生物样本进行成像。而光纤作为激光传输的载体具有灵活、便携、使用方便等优点。使用光纤探针是进行组织深处的CARS成像的关键一步。激发CARS信号需要两束时间重叠和空间重叠的脉冲光，而当两束脉冲光在传统的实芯光纤中传输时，由于石英材料的本征缺陷(非线性、色散、光致损伤等)会产生强烈的背景四波混频信号，同时使脉冲光时域展宽和频谱漂移，导致激发脉冲光峰值功率降低并最终影响CARS信号的信噪比。近些年来，空芯反谐振光纤的发明有望解决这个问题，由于纤芯为空气介质，为激光能量提供类似自由空间传输的环境，脉冲光在纤芯中传输时的色散和非线性效应被抑制。因此，使用空芯反谐振光纤进行CARS成像对实际应用具有重要意义。
发明内容
为克服现有技术的不足，本发明旨在实现抑制实芯光纤的非线性效应的产生，避免四波混频背景的干扰，经由端面集成的平面超构透镜会聚激发光于待测样品，实现CARS信号的激发。为此，本发明采取的技术方案是，集成平面超构透镜的CARS激发探针装置，包括相干反斯托克斯拉曼散射CARS激发源、二向色镜、光纤耦合镜、空芯反谐振光纤、平面超构透镜、滤光片、信号采集和处理系统；CARS激发源发出的泵浦脉冲光和斯托克斯脉冲光经二向色镜、光纤耦合镜进入空芯反谐振光纤的一端，泵浦脉冲光和斯托克斯脉冲光在空芯反谐振光纤中无脉冲失真和无四波混频信号干扰地正向传输，空芯反谐振光纤的另一端面集成有平面超构透镜，泵浦脉冲光和斯托克斯脉冲光经平面超构透镜会聚到待测样品上，激发CARS信号，背向CARS信号光经由平面超透构镜和空芯反谐振光纤收集、反向传输，经过光纤耦合镜和二向色镜后与激发光分离，经过滤光片后滤除杂散光，被信号采集和处理系统采集和信号处理。
所述CARS激发源输出的泵浦脉冲光和斯托克斯脉冲光为两束时间重叠、空间重叠且具有光频率差的皮秒或飞秒量级的超短脉冲光，泵浦脉冲光频率固定，斯托克斯脉冲光频率具备连续调谐能力；
所述二向色镜使光频率小于其截止光频率的光透射，使光频率大于截止光频率的光反射。所述二向色镜的截止光频率应大于泵浦脉冲光和斯托克斯脉冲光频率，小于背向CARS信号光频率。
所述空芯反谐振光纤为空芯反谐振结构，纤芯为空气介质，纤芯直径为50至300微米，长度0.5米至10米，用于实现超短脉冲光的长距离柔性低损传输。
所述平面超构透镜采用亚波长单元结构阵列构建，包括衬底和周期性阵列排布的纳米柱,周期性阵列排布的纳米柱调控泵浦脉冲光和斯托克斯脉冲光以及背向CARS信号光的相位并聚焦，三束光的焦点位置重叠，实现高信噪比的CARS信号激发和接收；平面超构透镜的制作方式包括双光子打印制作和微加工光刻制作，平面超构透镜通过紫外胶固定于空芯反谐振光纤的端面上。
所述滤光片为带通滤光片，仅允许背向CARS信号光通过，用于进一步滤除环境光等杂散光。
所述信号采集和处理系统，由光电倍增管、驱动电路、采集电路和计算机构成，实现光电信号的变换和电信号的采集和处理。
本发明提出了一种空芯反谐振光纤集成平面超构透镜的CARS探针激发方法，利用前述装置实现，步骤如下：
步骤1：CARS激发源输出具有频率差的、时间重叠、空间重叠的飞秒或皮秒量级的泵浦脉冲光和斯托克斯脉冲光，其中泵浦脉冲光频率固定，斯托克斯脉冲光频率具备连续调谐能力；
步骤2：所述泵浦脉冲光和斯托克斯脉冲光入射至二向色镜，二向色镜使光频率小于其光截止频率的脉冲光透射，使光频率大于截止光频率的脉冲光反射。泵浦脉冲光和斯托克斯脉冲光的光频率大于二向色镜的截止光频率，因此透射进入光纤耦合镜，泵浦脉冲光和斯托克斯脉冲光经光纤耦合镜3耦合进入空芯反谐振光纤的一端，并进行正向传输；
步骤3：所述空芯反谐振光纤长距离低损地传输泵浦脉冲光和斯托克斯脉冲光；
步骤4：两束激发脉冲光从空芯反谐振光纤另一端输出时，被集成在空芯反谐振光纤端面的平面超构透镜会聚到同一焦点位置处；
步骤5：两束激发脉冲光在待测样品中的会聚点处激发出CARS信号光；
步骤6：待测样品产生的背向CARS信号光被平面超构透镜收集并耦合进入空芯反谐振光纤中，经由空芯反谐振光纤反向传输后，光频率大于二向色镜截止光频率的背向CARS信号光被二向色镜反射至滤光片，进行进一步的杂散光的滤除；
步骤7：过滤后的CARS信号光经进入信号采集和处理系统，完成CARS信号的采集与分析。
在步骤6中，空芯反谐振光纤为空气介质的纤芯，用于提供类似自由空间的传播环境。
本发明的特点及有益效果是：
本发明使用空芯反谐振光纤传输激发光脉冲抑制了传统实芯光纤的非线性效应的产生，避免了四波混频背景的干扰，经由端面集成的平面超构透镜会聚激发光于待测样品，实现CARS信号的激发。本发明相较于采用传统显微物镜的CARS探测系统，实现了CARS激发光的长距离柔性传输和生物组织深处的CARS信号探测；相较于基于传统实芯光纤制作的CARS激发探针，克服了实芯光纤由于色散和非线性效应带来的不利影响，也避免了实芯光纤熔融拉锥处理带来的机械脆弱性。
附图说明：
图1所示为本发明所提出的空芯反谐振光纤集成平面超构透镜的CARS激发探针装置结构示意图；
图2所示为一种空芯反谐振光纤的端面结构图；
图3所示为一种平面超构透镜的结构图；
图4为平面超构透镜对780nm和1030nm超短脉冲的会聚示意图。
其中：
1、CARS激发源，2、二向色镜，3、光纤耦合镜，4、空芯反谐振光纤，5、超透镜，6、滤光片，7、信号采集及处理系统。
具体实施方式
本发明提出了空芯反谐振光纤集成平面超构透镜的CARS激发探针装置和方法，使用空芯反谐振光纤传输激发光脉冲抑制了传统实芯光纤的非线性效应的产生，避免了四波混频背景的干扰，经由端面集成的平面超构透镜会聚激发光于待测样品，实现CARS信号的激发。本发明相较于采用传统显微物镜的CARS探测系统，实现了CARS激发光的长距离柔性传输和生物组织深处的CARS信号探测；相较于基于传统实芯光纤制作的CARS激发探针，克服了实芯光纤由于色散和非线性效应带来的不利影响，也避免了实芯光纤熔融拉锥处理带来的机械脆弱性。
本发明是一种空芯反谐振光纤集成平面超构透镜的CARS激发探针装置，该激发探针装置由CARS激发源1、二向色镜2、光纤耦合镜3、空芯反谐振光纤4、平面超构透镜5、滤光片6、信号采集和处理系统7组成；其中：
CARS激发源1发出的泵浦脉冲光11和斯托克斯脉冲光12经二向色镜2、光纤耦合镜3进入空芯反谐振光纤4的一端，泵浦脉冲光11和斯托克斯脉冲光12在空芯反谐振光纤4中无脉冲失真和无四波混频信号干扰地正向传输，空芯反谐振光纤4的另一端面集成有平面超构透镜5，泵浦脉冲光11和斯托克斯脉冲光12经平面超构透镜5会聚到待测样品上，激发CARS信号，背向CARS信号光13经由平面超透构镜5和空芯反谐振光纤4收集反向传输，经过光纤耦合镜3和二向色镜2后与激发光分离，经过滤光片6后滤除杂散光，被信号采集和处理系统7采集和信号处理。
所述CARS激发源1输出的泵浦脉冲光11和斯托克斯脉冲光12为两束时间重叠、空间重叠且具有光频率差的皮秒或飞秒量级的超短脉冲光，泵浦脉冲光11频率固定，斯托克斯脉冲光12频率具备连续调谐能力；
所述二向色镜2使光频率小于其截止光频率的光透射，使光频率大于截止光频率的光反射。所述二向色镜2的截止光频率应大于泵浦脉冲光11和斯托克斯脉冲光12频率，小于背向CARS信号光13频率。
所述空芯反谐振光纤4为空芯反谐振结构，纤芯为空气介质，纤芯直径50至300微米，长度0.5米至10米，用于实现超短脉冲光的长距离柔性低损传输。
所述平面超构透镜5采用亚波长单元结构阵列构建，包括衬底51和周期性阵列排布的纳米柱52。周期性阵列排布的纳米柱52调控泵浦脉冲光11和斯托克斯脉冲光12以及背向CARS信号光13的相位并聚焦，三束光的焦点位置重叠，实现高信噪比的CARS信号激发和接收。平面超构透镜5的制作方式包括双光子打印制作和微加工光刻制作，平面超构透镜5通过紫外胶固定于空芯反谐振光纤4的端面上。
所述滤光片6为带通滤光片，仅允许背向CARS信号光13通过，用于进一步滤除环境光等杂散光。
所示信号采集和处理系统7，由光电倍增管、驱动电路、采集电路和计算机构成，实现光电信号的变换和电信号的采集和处理。
本发明一种空芯反谐振光纤集成平面超构透镜的CARS探针激发方法，该方法包括以下步骤：
步骤1：CARS激发源1输出具有频率差的、时间重叠、空间重叠的飞秒或皮秒量级的泵浦脉冲光11和斯托克斯脉冲光12。其中泵浦脉冲光11频率固定，斯托克斯脉冲光12频率具备连续调谐能力。
步骤2：所述泵浦脉冲光11和斯托克斯脉冲光12入射至二向色镜2。二向色镜2使光频率小于其光截止频率的脉冲光透射，使光频率大于截止光频率的脉冲光反射。泵浦脉冲光11和斯托克斯脉冲光12的光频率大于二向色镜的截止光频率，因此透射进入光纤耦合镜。泵浦脉冲光11和斯托克斯脉冲光12经光纤耦合镜3耦合进入空芯反谐振光纤4的一端，并进行正向传输。
步骤3：所述空芯反谐振光纤4在长距离传输泵浦脉冲光11和斯托克斯脉冲光12时，空气介质的纤芯为两束脉冲光提供了类似自由空间的传播环境，因此不会发生脉冲失真，不会产生四波混频背景信号。
步骤4：两束激发脉冲光从空芯反谐振光纤4另一端输出时，被集成在空芯反谐振光纤4端面的平面超构透镜5会聚到同一焦点位置处。
步骤5：两束激发脉冲光在待测样品中的会聚点处激发出CARS信号光13。
步骤6：待测样品产生的背向CARS信号光13被平面超构透镜5收集并耦合进入空芯反谐振光纤4中，经由空芯反谐振光纤4反向传输后，光频率大于二向色镜截止光频率的背向CARS信号光13被二向色镜反射至滤光片6，进行进一步的杂散光的滤除。
步骤7：过滤后的CARS信号光13经进入信号采集和处理系统7，完成CARS信号的采集与分析。
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，本发明一种空芯反谐振光纤集成平面超构透镜的CARS激发探针装置。该装置由CARS激发源1、二向色镜2、光纤耦合镜3、空芯反谐振光纤4、平面超构透镜5、滤光片6和信号采集及处理系统7组成。
其中，所述CARS激发源1输出具有频率差的、时间重叠、空间重叠的飞秒或皮秒量级的泵浦脉冲光11和斯托克斯脉冲光12。其中泵浦脉冲光11频率固定，斯托克斯脉冲光12频率具备连续调谐能力；
泵浦脉冲光11和斯托克斯脉冲光12进入二向色镜2，二向色镜2使光频率小于截止光频率的光透射，使光频率大于截止光频率的光反射。二向色镜2的截止频率应大于泵浦脉冲光11和斯托克斯脉冲光12频率，小于背向CARS信号光13频率。泵浦脉冲光11和斯托克斯脉冲光12小于二向色镜截止频率，进入二向色镜并透射输出。
二向色镜2透射输出的泵浦脉冲光11和斯托克斯脉冲光12经过光纤耦合镜3进入空芯反谐振光纤4的一端，泵浦脉冲光11和斯托克斯脉冲光12在空芯反谐振光纤4的纤芯中正向传输，空芯反谐振光纤4另一端的端面制备有平面超构透镜5，泵浦脉冲光11和斯托克斯脉冲光12经过平面超构透镜5会聚于待测样品上。待测样品产生的背向CARS信号光13被平面超构透镜5收集进入空芯反谐振光纤4并反向传输，经过光纤耦合镜3输出进入二向色镜2，CARS信号光13的光频率大于二向色镜2的截止光频率，所以进入二向色镜2后被反射进入滤光片6，进一步滤除环境光等杂散光，最终进入信号采集和收集系统7。
所述CARS激发源1输出的泵浦脉冲光11和斯托克斯脉冲光12为两束时间重叠、空间重叠且具有光频率差的皮秒或飞秒量级的超短脉冲光，泵浦脉冲光11频率固定，斯托克斯脉冲光12频率具备连续调谐能力；
所述二向色镜2使光频率小于其截止光频率的光透射，使光频率大于截止光频率的光反射。所述二向色镜2的截止光频率应大于泵浦脉冲光11和斯托克斯脉冲光12频率，小于背向CARS信号光13频率。
所述空芯反谐振光纤4的纤芯结构为空芯反谐振结构，纤芯直径50～300微米，长度范围0.5～10米，纤芯为空气介质，用于实现超短脉冲光的长距离柔性低损传输。
所述平面超构透镜5采用亚波长单元结构阵列构建，包括衬底51和周期性阵列排布的纳米柱52。周期性阵列排布的纳米柱52调控泵浦脉冲光11和斯托克斯脉冲光12以及CARS信号光13的相位并聚焦，三束光的焦点位置重叠，实现高信噪比的CARS信号激发和接收，平面超构透镜5的制作方式包括由双光子打印和微加工光刻。
所述滤光片6为带通滤光片，仅允许背向CARS信号光13通过，用于进一步滤除环境光等杂散光。
所示信号采集和处理系统7，由光电倍增管、驱动电路、采集电路和计算机构成，实现光电信号的变换和电信号的采集和处理。
本发明的一种基于空芯反谐振光纤集成平面超构透镜的CARS探针激发方法，该方法主要包括如下步骤：
步骤1：CARS激发源输出具有频率差的、时间重叠、空间重叠的飞秒或皮秒量级的泵浦脉冲光11和斯托克斯脉冲光12。其中泵浦脉冲光11频率固定，斯托克斯脉冲光12具备频率连续可调谐能力。
步骤2：所述泵浦脉冲光11和斯托克斯脉冲光12入射至二向色镜。二向色镜使光频率小于截止光频率的脉冲光透射，使光频率大于截止光频率的脉冲光反射。泵浦脉冲光11和斯托克斯脉冲光12的频率大于二向色镜的截止光频率，因此透射进入光纤耦合镜。泵浦脉冲光11和斯托克斯脉冲光12经光纤耦合镜耦合进入空芯反谐振光纤的一端，并进行正向传输。
步骤3：所述空芯反谐振光纤4在长距离传输两束激发脉冲光时，空气介质的纤芯为两束脉冲光提供了类似自由空间的传播环境，因此不会发生脉冲失真，不会产生四波混频背景信号。
步骤4：泵浦脉冲光11和斯托克斯脉冲光12从空芯反谐振光纤4另一端输出时，被集成在空芯反谐振光纤4端面的平面超构透镜5会聚到同一焦点位置处。
步骤5：泵浦脉冲光11和斯托克斯脉冲光12在待测样品中的会聚点处激发出背向CARS信号光13。
步骤6：待测样品产生的背向CARS信号光13被平面超构透镜5收集并耦合进入空芯反谐振光纤4中，经由空芯反谐振光纤4反向传输后，光频率大于二向色镜截止光频率的背向CARS信号光13被二向色镜反射至滤光片6，进行进一步的杂散光的滤除。
步骤7：过滤后的CARS信号光13经进入信号采集和处理系统7，完成CARS信号的采集与分析。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种集成平面超构透镜的CARS激发探针装置，其特征是，包括相干反斯托克斯拉曼散射CARS激发源、二向色镜、光纤耦合镜、空芯反谐振光纤、平面超构透镜、滤光片、信号采集和处理系统；所述平面超构透镜采用亚波长单元结构阵列构建，包括衬底和周期性阵列排布的纳米柱,周期性阵列排布的纳米柱调控泵浦脉冲光和斯托克斯脉冲光以及背向CARS信号光的相位并聚焦，三束光的焦点位置重叠；CARS激发源发出的泵浦脉冲光和斯托克斯脉冲光经二向色镜、光纤耦合镜进入空芯反谐振光纤的一端，泵浦脉冲光和斯托克斯脉冲光在空芯反谐振光纤中无脉冲失真和无四波混频信号干扰地正向传输，空芯反谐振光纤的另一端面集成有平面超构透镜，泵浦脉冲光和斯托克斯脉冲光经平面超构透镜会聚到待测样品上，激发CARS信号，背向CARS信号光经由平面超透构镜和空芯反谐振光纤收集、反向传输，经过光纤耦合镜和二向色镜后与激发光分离，经过滤光片后滤除杂散光，被信号采集和处理系统采集和信号处理。
2.如权利要求1所述的集成平面超构透镜的CARS激发探针装置，其特征是，所述CARS激发源输出的泵浦脉冲光和斯托克斯脉冲光为两束时间重叠、空间重叠且具有光频率差的皮秒或飞秒量级的超短脉冲光，泵浦脉冲光频率固定，斯托克斯脉冲光频率具备连续调谐能力；
所述二向色镜使光频率小于其截止光频率的光透射，使光频率大于截止光频率的光反射；所述二向色镜的截止光频率应大于泵浦脉冲光和斯托克斯脉冲光频率，小于背向CARS信号光频率。
3.如权利要求1所述的集成平面超构透镜的CARS激发探针装置，其特征是，所述空芯反谐振光纤为空芯反谐振结构，纤芯为空气介质，纤芯直径为50至300微米，长度0.5米至10米，用于实现超短脉冲光的长距离柔性低损传输。
4.如权利要求1所述的集成平面超构透镜的CARS激发探针装置，其特征是，平面超构透镜的制作方式包括双光子打印制作和微加工光刻制作，平面超构透镜通过紫外胶固定于空芯反谐振光纤的端面上。
5.如权利要求1所述的集成平面超构透镜的CARS激发探针装置，其特征是，所述滤光片为带通滤光片，仅允许背向CARS信号光通过，用于进一步滤除包括环境光的杂散光。
6.如权利要求1所述的集成平面超构透镜的CARS激发探针装置，其特征是，所述信号采集和处理系统，由光电倍增管、驱动电路、采集电路和计算机构成，实现光电信号的变换和电信号的采集和处理。
7.一种空芯反谐振光纤集成平面超构透镜的CARS探针激发方法，其特征是，利用权利要求1所述装置实现，并包括如下步骤：
步骤1：CARS激发源输出具有频率差的、时间重叠、空间重叠的飞秒或皮秒量级的泵浦脉冲光和斯托克斯脉冲光，其中泵浦脉冲光频率固定，斯托克斯脉冲光频率具备连续调谐能力；
步骤2：所述泵浦脉冲光和斯托克斯脉冲光入射至二向色镜，二向色镜使光频率小于其光截止频率的脉冲光透射，使光频率大于截止光频率的脉冲光反射,泵浦脉冲光和斯托克斯脉冲光的光频率大于二向色镜的截止光频率，因此透射进入光纤耦合镜，泵浦脉冲光和斯托克斯脉冲光经光纤耦合镜3耦合进入空芯反谐振光纤的一端，并进行正向传输；
步骤3：所述空芯反谐振光纤长距离低损地传输泵浦脉冲光和斯托克斯脉冲光；
步骤4：两束激发脉冲光从空芯反谐振光纤另一端输出时，被集成在空芯反谐振光纤端面的平面超构透镜会聚到同一焦点位置处；
步骤5：两束激发脉冲光在待测样品中的会聚点处激发出CARS信号光；
步骤6：待测样品产生的背向CARS信号光被平面超构透镜收集并耦合进入空芯反谐振光纤中，经由空芯反谐振光纤反向传输后，光频率大于二向色镜截止光频率的背向CARS信号光被二向色镜反射至滤光片，进行进一步的杂散光的滤除；
步骤7：过滤后的CARS信号光经进入信号采集和处理系统，完成CARS信号的采集与分析。
8.如权利要求7所述的空芯反谐振光纤集成平面超构透镜的CARS探针激发方法，其特征是，在步骤6中，空芯反谐振光纤为空气介质的纤芯，用于提供类似自由空间的传播环境。
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