CN115663584A - 一种面向三光子显微成像的拉曼光纤激光产生装置、方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种面向三光子显微成像的拉曼光纤激光产生装置和方法，其装置包括依次连接的锁模脉冲发生器、拉曼光纤、隔离器、第一波分复用器、延迟光纤、光纤耦合器和第二波分复用器，所述锁模脉冲发生器，用于产生锁模脉冲和种子拉曼脉冲；所述拉曼光纤，用于在种子拉曼脉冲的激发下发出拉曼脉冲；所述第一波分复用器，用于将拉曼脉冲和锁模脉冲的混合脉冲分离，并将其分别输入到延迟光纤和光纤耦合器中；所述延迟光纤，用于调节输入的拉曼脉冲的群速度；所述第二波分复用器，用于将光纤耦合器输入的混合脉冲分离为锁模脉冲和拉曼脉冲。本发明产生的拉曼脉冲和锁模脉冲同时存在于激光器内，从而提高了拉曼脉冲的抗干扰性、转换效率和对比度。

Description

一种面向三光子显微成像的拉曼光纤激光产生装置、方法

技术领域

本发明属于激光技术领域，具体涉及一种面向三光子显微成像的拉曼光纤激光产生装置、方法。

背景技术

光纤激光器可作为传统固态激光器的替代品，具有简单，稳定和成本低的优点，近几十年来快速发展的窄线宽激光器带来革命性的变化，被广泛用于光谱学、度量学、医学、生物学和工业等领域。而基于飞秒脉冲激光的多光子显微镜是具有亚细胞分辨率，实现完整生物组织的体内成像的关键技术。非线性显微镜通常由固态激光器提供支持，在700-1200 nm范围内提供飞秒脉冲序列。这种激发方案对于基于可见发色团的双光子激发荧光显微镜是最佳提供细胞成像的方案。而深层组织多光子成像策略是一种更有前途的成像方式，其基于波长在1.7μm~1.9μm范围内的三光子激发，具有更大的聚焦深度、处于水的吸收谱内、与荧光染料激发谱相配等有点。然而当前的锁模激光器受限于增益介质的激发谱覆盖范围难以达到这一波段。因此，发展一种能够覆盖1.7μm~1.9μm的超快光纤激光的新方法，对于发展三光子显微成像技术至关重要。

发明内容

为快速产生三光子显微成像所需的激光的问题，在本发明的第一方面提供了一种面向三光子显微成像的拉曼光纤激光产生装置，包括依次连接的锁模脉冲发生器、拉曼光纤、隔离器、第一波分复用器、延迟光纤、光纤耦合器和第二波分复用器，所述锁模脉冲发生器，用于产生稳定的锁模脉冲，以及为拉曼光纤共提供种子脉冲；所述拉曼光纤，用于在种子脉冲的激发下发出拉曼脉冲；所述隔离器，用于限制锁模脉冲和拉曼脉冲沿单向传输；所述第一波分复用器，用于按预设分光比将拉曼脉冲和锁模脉冲的混合脉冲分离，并将其分离后的拉曼脉冲和锁模脉冲分别输入到延迟光纤和光纤耦合器中；所述延迟光纤，用于调节输入的拉曼脉冲的群速度；所述光纤耦合器的输入端分别与第一波分复用器和延迟光纤连接，其输出端分别与第二波分复用器和锁模脉冲发生器连接；所述第二波分复用器，用于将光纤耦合器输入的混合脉冲按预设分光比分离为锁模脉冲和拉曼脉冲。

在本发明的一些实施例中，所述锁模脉冲发生器包括泵浦激光器、锁模器件和滤波器，所述泵浦激光器，用于产生中心波长为1550nm的激光脉冲；所述锁模器件和滤波器，用于对所述激光脉冲的工作波长进行锁定和过滤，以使激光脉冲波长稳定在预设波段内。

进一步的，所述锁模器件包括第三波分复用器、保偏掺铒光纤和偏振相关环形器和吸收镜，所述第三波分复用器的输入端分别与光纤耦合器和泵浦激光器连接，其输出端与保偏掺铒光纤连接；所述偏振相关环形器的输入端与保偏掺铒光纤连接，其第一输出端与吸收镜连接，经过反射后从偏振相关环形器的第二输出端口与滤波器连接。

在本发明的一些实施例中，所述第一波分复用器包括第一输出端口和第二输出端口，所述第一输出端口直接与光纤耦合器的第一输入端连接，所述第二输出端口通过延迟光纤与光纤耦合器的第二输入端连接。

进一步的，所述光纤耦合器的第一输入端和第二输入端的能量比为3:7。

在上述的实施例中，所述第一波分复用器和第二波分复用器的工作波长包括1550nm~1740nm。

本发明的第二方面，提供了一种面向三光子显微成像的拉曼光纤激光产生方法，包括：利用激光发生器产生稳定的锁模脉冲和种子拉曼脉冲的混合脉冲，并将其依次进行过滤、增强拉曼脉冲和隔离，得到单向传播的第一混合脉冲；将单向传播的混合脉冲分离为锁模脉冲和拉曼脉冲，调节所述拉曼脉冲的群速度，并将调节后的拉曼脉冲与分离得到的锁模脉冲合束，得到第二混合脉冲；对第二混合脉冲按预设能量比进行分光，得到预设能量比的锁模脉冲和拉曼脉冲。

本发明的第三方面，提供了一种电子设备，包括：一个或多个处理器；存储装置，用于存储一个或多个程序，当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行，使得所述一个或多个处理器实现本发明在第二方面提供的面向三光子显微成像的拉曼光纤激光产生方法。

本发明的第四方面，提供了一种计算机可读介质，其上存储有计算机程序，其中，所述计算机程序被处理器执行时实现本发明在第二方面提供的面向三光子显微成像的拉曼光纤激光产生方法。

本发明的有益效果是：

1.拉曼脉冲和锁模脉冲同时存在于激光器内，锁模脉冲用于泵浦掺磷光纤产生拉曼脉冲，并且拉曼脉冲并不全部输出，而是与锁模脉冲一起在激光腔内运行，作为拉曼脉冲的种子光脉冲，从而形成负反馈效应，既可以保证拉曼脉冲的转换效率又可以提高脉冲对比度，减小噪声的影响。2.使用本发明可以采用全保偏光纤的设计方案，可以提高基于该方法设计激光器的抗环境干扰能力。3.本发明引入了延迟光纤补偿群速度色散导致的锁模脉冲和拉曼脉冲的走离，可以提高拉曼脉冲的转换效率。

附图说明

图1为本发明的一些实施例中的面向三光子显微成像的拉曼光纤激光产生装置的基本结构示意图；

图2为本发明的一些实施例中的面向三光子显微成像的拉曼光纤激光产生装置的具体结构示意图之一；

图3为本发明的一些实施例中的面向三光子显微成像的拉曼光纤激光产生装置的具体结构示意图之二；

图4为本发明的一些实施例中的面向三光子显微成像的拉曼光纤激光产生方法的基本流程示意图；

图5为本发明的一些实施例中的电子设备的结构示意图。

附图标记

100、锁模脉冲发生器；1、泵浦激光器；

2、锁模器件；201、第三波分复用器；202、保偏掺铒光纤；203、偏振相关环形器；204、吸收镜；

3、滤波器；4、拉曼光纤；5、隔离器；6、第一波分复用器；7、延迟光纤；8、光纤耦合器；9、第二波分复用器；10、第一光纤跳线、11、第二光纤跳线。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

实施例1

参考图1，在本发明的第一方面，提供了一种面向三光子显微成像的拉曼光纤激光产生装置，包括依次连接的锁模脉冲发生器100、拉曼光纤4、隔离器5、第一波分复用器6、延迟光纤7、光纤耦合器8和第二波分复用器9，所述锁模脉冲发生器100，用于产生稳定的锁模脉冲，以及为拉曼光纤4共提供种子脉冲；所述拉曼光纤4，用于在种子脉冲的激发下发出拉曼脉冲；所述隔离器5，用于限制锁模脉冲和拉曼脉冲沿单向传输；所述第一波分复用器6，用于按预设分光比将拉曼脉冲和锁模脉冲的混合脉冲分离，并将其分离后的拉曼脉冲和锁模脉冲分别输入到延迟光纤7和光纤耦合器8中；所述延迟光纤7，用于调节输入的拉曼脉冲的群速度；所述光纤耦合器8的输入端分别与第一波分复用器6和延迟光纤7连接，其输出端分别与第二波分复用器9和锁模脉冲发生器100连接；所述第二波分复用器9，用于将光纤耦合器8输入的混合脉冲按预设分光比分离为锁模脉冲和拉曼脉冲。

可以理解，上述装置利用掺磷光纤拉曼增益大的特点，结合被动锁模光纤激光器腔内脉冲峰值功率高的优势，通过补偿拉曼脉冲和锁模脉冲的腔内的延时，保证每次循环都可以同步泵浦激发拉曼脉冲，提高转换效率，通过调节掺磷光纤的长度和弯曲半径实现超短脉冲输出光谱范围覆盖1.7μm~1.9μm波段。第二波分复用器9可以分离处于不同波长的锁模脉冲和拉曼脉冲。延迟光纤7的长度需要精确控制，从而补偿拉曼脉冲和锁模脉冲之前的群速度色散。

为更好地能量回收，提高整体装置的拉曼脉冲的转换效率和对比度，可以将光纤耦合器8输出端口的能量较弱的锁模脉冲和拉曼脉冲的混合脉冲再次输入到锁模脉冲发生器，混合脉冲与锁模脉冲发生器中的混合脉冲形成了负反馈，同时两者之间形成对比，即提高了拉曼脉冲的对比度。

可选的，锁模脉冲的产生可以通过多种技术手段，可以基于半导体可饱和吸收体、非线性放大环形镜或非线性偏振旋转锁模。优选的，采用掺磷光纤作为上述拉曼光纤；进一步优选的，采用磷酸盐光纤作为拉曼光纤，为描述方便称其为磷酸盐拉曼光纤；使用掺磷光纤作为拉曼增益介质，可以提供高的拉曼增益，提高拉曼脉冲的转换效率。

有鉴于此，所述锁模脉冲发生器100包括泵浦激光器1、锁模器件2和滤波器3，所述泵浦激光器1，用于产生中心波长为1550nm的激光脉冲；所述锁模器件2和滤波器3，用于对所述激光脉冲的工作波长进行锁定和过滤，以使激光脉冲波长稳定在预设波段内。

具体地，参考图2，在本发明的一些实施例中，一种面向三光子显微成像的拉曼光纤激光产生装置，包括为锁模脉冲提供泵浦激光的泵浦激光器1，其通过光纤和锁模器件2直接连接，用于获得稳定的锁模脉冲。用于控制锁模脉冲和拉曼脉冲的中心波长的滤波器3，滤波器3和磷酸盐拉曼光纤4连接，再与限制光脉冲（锁模脉冲和拉曼脉冲的混合秒冲）传输方向的隔离器5连接。由于不同拉曼脉冲和锁模脉冲工作在不同的波段，因此传输光纤将会引入不能忽略的群速度延时，进过隔离器5后的脉冲通过第一波分复用器6按照波段分为两束，拉曼脉冲经过延迟光纤7调节群速度，和锁模脉冲由光纤耦合器8再次合束。光纤耦合器8的高分光比端将和锁模器件2重新连接，而低分光比端耦合输出，与第二波分复用器9连接，从而将拉曼脉冲和锁模脉冲分离，经过输出第一光纤跳线10和第二光纤跳线11后输出。可以理解，上述波长控制或滤波可等效描述为频率控制，即滤波器3和锁模器件2共同实现对除锁模脉冲和拉曼脉冲之外的脉冲过滤或去噪，以使激光脉冲（拉曼脉冲和锁模脉冲的混合秒冲）的频率稳定在预设频带1.7μm~1.9μm波段内。

进一步的，为了提高锁模脉冲和拉曼脉冲的中心波长的稳定性进抗干扰性，锁模脉冲的中心波长可以通过滤波器进行控制，从而实现拉曼脉冲的波长调节，滤波器为双波长滤波器，可以保证拉曼脉冲和锁模脉冲同时通过。

有鉴于此，参考图3，所述锁模器件2包括第三波分复用器201、保偏掺铒光纤202和偏振相关环形器203和吸收镜，所述第三波分复用器的输入端分别与光纤耦合器8和泵浦激光器1连接，其输出端与保偏掺铒光纤202连接；所述偏振相关环形器203的输入端与保偏掺铒光纤4连接，其第一输出端与吸收镜204连接，经过反射后从偏振相关环形器203的第二输出端口与滤波器3、保偏掺磷光纤4和偏振相关隔离器5后与第一波分复用器6连接；波分复用器6为1550nm/1740nm波分复用器，1550nm输出端口直接与保偏光纤耦合器8的30%输入端口连接，1740nm输出端经过延迟光纤7和保偏光纤耦合器8的70%输入端口连接；而保偏光纤耦合器8对应的30%输出端与波分复用器201连接形成锁模脉冲和拉曼脉冲的环形腔，提供两个波段稳定产生的环境，保偏光纤耦合器8对应的70%输出端和第二波分复用器9连接，1550nm短波输出的锁模脉冲和1740nm长波输出的拉曼脉冲相互分离，分别通过第一光纤跳线10和第二光纤跳线11输出。这一设计方法提供了稳定的双波长脉冲运行环境，利用引入拉曼光纤将锁模脉冲转换为拉曼脉冲，为三光子显微成像技术提供了合适波长的光源。

实施例2

参考图4，本发明的第二方面，提供了一种面向三光子显微成像的拉曼光纤激光产生方法，包括：S100.利用激光发生器产生稳定的锁模脉冲和种子拉曼脉冲的混合脉冲，并将其依次进行过滤、增强拉曼脉冲和隔离，得到单向传播的第一混合脉冲；S200.将单向传播的混合脉冲分离为锁模脉冲和拉曼脉冲，调节所述拉曼脉冲的群速度，并将调节后的拉曼脉冲与分离得到的锁模脉冲合束，得到第二混合脉冲；S300.对第二混合脉冲按预设能量比进行分光，得到预设能量比的锁模脉冲和拉曼脉冲。

进一步的，对第二混合脉冲按预设能量比进行分光之前还包括：S400.从第二混合脉冲耦合预设能量比的第二混合脉冲，并将其输入到激光发生器中。

实施例3

参考图5，本发明的第三方面，提供了一种电子设备，包括：一个或多个处理器；存储装置，用于存储一个或多个程序，当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行，使得所述一个或多个处理器实现本发明在第二方面的方法。

电子设备500可以包括处理装置(例如中央处理器、图形处理器等)501，其可以根据存储在只读存储器(ROM)502中的程序或者从存储装置508加载到随机访问存储器(RAM)503中的程序而执行各种适当的动作和处理。在RAM 503中，还存储有电子设备500操作所需的各种程序和数据。处理装置501、ROM 502以及RAM 503通过总线504彼此相连。输入/输出(I/O)接口505也连接至总线504。

通常以下装置可以连接至I/O接口505：包括例如触摸屏、触摸板、键盘、鼠标、摄像头、麦克风、加速度计、陀螺仪等的输入装置506；包括例如液晶显示器(LCD)、扬声器、振动器等的输出装置507；包括例如硬盘等的存储装置508；以及通信装置509。通信装置509可以允许电子设备500与其他设备进行无线或有线通信以交换数据。虽然图5示出了具有各种装置的电子设备500，但是应理解的是，并不要求实施或具备所有示出的装置。可以替代地实施或具备更多或更少的装置。图5中示出的每个方框可以代表一个装置，也可以根据需要代表多个装置。

特别地，根据本公开的实施例，上文参考流程图描述的过程可以被实现为计算机软件程序。例如，本公开的实施例包括一种计算机程序产品，其包括承载在计算机可读介质上的计算机程序，该计算机程序包含用于执行流程图所示的方法的程序代码。在这样的实施例中，该计算机程序可以通过通信装置509从网络上被下载和安装，或者从存储装置508被安装，或者从ROM 502被安装。在该计算机程序被处理装置501执行时，执行本公开的实施例的方法中限定的上述功能。需要说明的是，本公开的实施例所描述的计算机可读介质可以是计算机可读信号介质或者计算机可读存储介质或者是上述两者的任意组合。计算机可读存储介质例如可以是——但不限于——电、磁、光、电磁、红外线、或半导体的系统、装置或器件，或者任意以上的组合。计算机可读存储介质的更具体的例子可以包括但不限于：具有一个或多个导线的电连接、便携式计算机磁盘、硬盘、随机访问存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、可擦式可编程只读存储器(EPROM或闪存)、光纤、便携式紧凑磁盘只读存储器(CD-ROM)、光存储器件、磁存储器件、或者上述的任意合适的组合。在本公开的实施例中，计算机可读存储介质可以是任何包含或存储程序的有形介质，该程序可以被指令执行系统、装置或者器件使用或者与其结合使用。而在本公开的实施例中，计算机可读信号介质可以包括在基带中或者作为载波一部分传播的数据信号，其中承载了计算机可读的程序代码。这种传播的数据信号可以采用多种形式，包括但不限于电磁信号、光信号或上述的任意合适的组合。计算机可读信号介质还可以是计算机可读存储介质以外的任何计算机可读介质，该计算机可读信号介质可以发送、传播或者传输用于由指令执行系统、装置或者器件使用或者与其结合使用的程序。计算机可读介质上包含的程序代码可以用任何适当的介质传输，包括但不限于：电线、光缆、RF(射频)等等，或者上述的任意合适的组合。

上述计算机可读介质可以是上述电子设备中所包含的；也可以是单独存在，而未装配入该电子设备中。上述计算机可读介质承载有一个或者多个计算机程序，当上述一个或者多个程序被该电子设备执行时，使得该电子设备：

可以以一种或多种程序设计语言或其组合来编写用于执行本公开的实施例的操作的计算机程序代码，程序设计语言包括面向对象的程序设计语言—诸如Java、Smalltalk、C++、Python，还包括常规的过程式程序设计语言—诸如“C”语言或类似的程序设计语言。程序代码可以完全地在用户计算机上执行、部分地在用户计算机上执行、作为一个独立的软件包执行、部分在用户计算机上部分在远程计算机上执行、或者完全在远程计算机或服务器上执行。在涉及远程计算机的情形中，远程计算机可以通过任意种类的网络——包括局域网(LAN)或广域网(WAN)——连接到用户计算机，或者，可以连接到外部计算机(例如利用因特网服务提供商来通过因特网连接)。

附图中的流程图和框图，图示了按照本公开各种实施例的系统、方法和计算机程序产品的可能实现的体系架构、功能和操作。在这点上，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段、或代码的一部分，该模块、程序段、或代码的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。也应当注意，在有些作为替换的实现中，方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个接连地表示的方框实际上可以基本并行地执行，它们有时也可以按相反的顺序执行，这依所涉及的功能而定。需要注意的是，框图和/或流程图中的每个方框、以及框图和/或流程图中的方框的组合，可以用执行规定的功能或操作的专用的基于硬件的系统来实现，或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种面向三光子显微成像的拉曼光纤激光产生装置，包括依次连接的锁模脉冲发生器、拉曼光纤、隔离器、第一波分复用器、延迟光纤、光纤耦合器和第二波分复用器，其特征在于，

所述锁模脉冲发生器，用于产生稳定的锁模脉冲，以及为拉曼光纤共提供种子脉冲；

所述拉曼光纤，用于在种子脉冲的激发下发出拉曼脉冲；

所述隔离器，用于限制锁模脉冲和拉曼脉冲沿单向传输；

所述第一波分复用器，用于按预设分光比将拉曼脉冲和锁模脉冲的混合脉冲分离，并将其分离后的拉曼脉冲和锁模脉冲分别输入到延迟光纤和光纤耦合器中；

所述延迟光纤，用于调节输入的拉曼脉冲的群速度；

所述光纤耦合器的输入端分别与第一波分复用器和延迟光纤连接，其输出端分别与第二波分复用器和锁模脉冲发生器连接；

所述第二波分复用器，用于将光纤耦合器输入的混合脉冲按预设分光比分离为锁模脉冲和拉曼脉冲。

2.根据权利要求1所述的面向三光子显微成像的拉曼光纤激光产生装置，其特征在于，所述锁模脉冲发生器包括泵浦激光器、锁模器件和滤波器，

所述泵浦激光器，用于产生中心波长为1550nm的激光脉冲；

所述锁模器件和滤波器，用于对所述激光脉冲的工作波长进行锁定和过滤，以使激光脉冲波长稳定在预设波段内。

3.根据权利要求2述的面向三光子显微成像的拉曼光纤激光产生装置，其特征在于，所述锁模器件包括第三波分复用器、保偏掺铒光纤和偏振相关环形器和吸收镜，

所述第三波分复用器的输入端分别与光纤耦合器和泵浦激光器连接，其输出端与保偏掺铒光纤连接；

所述偏振相关环形器的输入端与保偏掺铒光纤连接，其第一输出端与吸收镜连接，经过反射后从偏振相关环形器的第二输出端口与滤波器连接。

4.根据权利要求1所述的面向三光子显微成像的拉曼光纤激光产生装置，其特征在于，所述第一波分复用器包括第一输出端口和第二输出端口，

所述第一输出端口直接与光纤耦合器的第一输入端连接，所述第二输出端口通过延迟光纤与光纤耦合器的第二输入端连接。

5.根据权利要求4所述的面向三光子显微成像的拉曼光纤激光产生装置，其特征在于，所述光纤耦合器的第一输入端和第二输入端的能量比为3:7。

6.根据权利要求1至5任一项所述的面向三光子显微成像的拉曼光纤激光产生装置，其特征在于，所述第一波分复用器和第二波分复用器的工作波长包括1550nm~1740nm。

7.一种面向三光子显微成像的拉曼光纤激光产生方法，其特征在于，包括：

利用激光发生器产生稳定的锁模脉冲和种子拉曼脉冲的混合脉冲，并将其依次进行过滤、增强拉曼脉冲和隔离，得到单向传播的第一混合脉冲；

将单向传播的混合脉冲分离为锁模脉冲和拉曼脉冲，调节所述拉曼脉冲的群速度，并将调节后的拉曼脉冲与分离得到的锁模脉冲合束，得到第二混合脉冲；

对第二混合脉冲按预设能量比进行分光，得到预设能量比的锁模脉冲和拉曼脉冲。

8.根据权利要求7所述的面向三光子显微成像的拉曼光纤激光产生方法，其特征在于，对第二混合脉冲按预设能量比进行分光之前还包括：从第二混合脉冲耦合预设能量比的第二混合脉冲，并将其输入到激光发生器中。

9.一种电子设备，包括：一个或多个处理器；存储装置，用于存储一个或多个程序，当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行，使得所述一个或多个处理器实现如权利要求7至8任一项所述的面向三光子显微成像的拉曼光纤激光产生方法。

10.一种计算机可读介质，其上存储有计算机程序，其中，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求7至8任一项所述的面向三光子显微成像的拉曼光纤激光产生方法。

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