相干反斯托克斯拉曼散射显微系统的激光光源装置与产生方法

摘要

一种相干反斯托克斯拉曼散射显微系统的激光光源装置，包括：提供参量放大器泵浦光及相干反斯托克斯拉曼散射过程所需斯托克斯光的超短脉冲光纤激光器；可调谐连续光半导体激光器以及对可调谐连续光半导体激光器的输出光进行放大的光纤放大器，放大后的光作为参量放大器的种子光；对所述泵浦光和参量放大器的种子光在空间合束的光束合束器；顺次接收光束合束器光束的第一非线性晶体和第二非线性晶体，两非线性晶体分别作为种子光的参量放大器和倍频器；设置于第一非线性晶体和第二非线性晶体之间的准直聚焦器件以及第二非线性晶体之后的准直器件；设置于所述准直器件之后的低通滤波器，滤出相干反斯托克斯拉曼散射过程所需的泵浦光及斯托克斯光。

说明书

技术领域

本发明属于非线性光学显微领域，特别是涉及一种相干反斯托克斯拉曼 散射显微系统的激光光源的装置及产生方法。

背景技术

相干拉曼散射显微，包含相干反斯托克斯拉曼散射(Coherent anti-Stokes  Raman Scattering，CARS)显微及受激拉曼散射(Stimulated Raman Scattering， SRS)显微，具有无需标记、高灵敏度、可实现三维成像等优点，在实时生 物医学成像领域有着潜在的应用。

然而，相干拉曼显微技术的优点以其复杂的激励光源为代价。为实现相 干拉曼散射显微成像，需要采用时间同步的、波长可调谐的、高能量的两束 超短光脉冲进行激励。当两束激励光的波长差与生物样品中某物质的特征拉 曼峰重合时，拉曼散射信号得到极大增强，产生相干拉曼散射信号。实际中 综合考虑样品穿透深度、系统透过率及系统复杂性等因素，一般将斯托克斯 光选择在1040nm附近，而泵浦光选择为在690nm～990nm范围内波长可调。

相干拉曼显微技术的进步受制于激励光源的发展，相关内容可参看文献 “相干斯托克斯拉曼散射显微术：生物及医学的化学成像(Conor L.Evans  and X.Sunney Xie，Coherent anti-Stokes Raman scattering microscopy：chemical  imaging for biology and medicine，Annu.Rev.Anal.Chem.，1：883 909 (2008))”。如何解决两束激发脉冲间的同步问题，影响着系统成本及复杂度。 最初人们采用相位锁定两台固体激光器的方案，获得了同步激光脉冲，但其 反馈控制电路非常复杂、造价昂贵。随后，出现了固体激光器及其同步泵浦 的光学参量振荡器方案，可直接获得同步脉冲，但其中光学参量振荡器依然 需要反馈控制电路，系统结构复杂、成本昂贵。此外，时间透镜(Time lens) 技术也被用于获得同步脉冲，但其同样需要复杂的反馈控制电路，且所产生 的脉冲串具有较大的噪声基底。可见，上述方案均未能有效的降低系统成本 及复杂度。

Chao-Yu Chung等人提出了一种以固体激光器及其泵浦的参量放大器获 得CARS显微系统的激励脉冲的方案(Chao-Yu Chung，Yen-Yin Lin，Kuo-Yu  Wu，Wan-Yu Tai，Shi-Wei Chu，Yao-Chang Lee，Yeukuang Hwu，Yin-Yu Lee， Coherent anti-Stokes Raman scattering microscopy using a single-pass  picoseconds supercontinuum-seeded optical parametric amplifier，Opt Express  18(6)，6116-6122(2010))。该方案中将固体激光器产生的近红外光(1064nm) 脉冲一部分耦合进光子晶体光纤产生超连续谱，从而为参量放大器提供种子 光(约800nm)。剩余部分则经倍频后，作为参量放大器的泵浦光(532nm)。 上述过程中，所产生的新波长脉冲(约800nm)自动与原近红外脉冲(1064 nm)同步，故无需反馈控制电路。但由于超连续谱的功率谱密度小，以其作 为参量放大器的种子时，参量过程的转换效率低，降低了参量放大器的输出 功率。此外，该系统中采用了固体激光器产生近红外脉冲(1064nm)，结构 复杂、价格昂贵。

此外，上述方案中均需采用二色镜将CARS的泵浦光与斯托克斯光合 束，使二者在空间重合以对样品进行共线激发。且CARS的泵浦光与斯托克 斯光间的光程差的补偿也需要引入光学延迟线，以获得时间上重合的激励脉 冲。上述空间光路的引入，无疑会增加了系统复杂性、降低系统的稳定性。

因此，目前需要本领域技术人员迫切解决的一个技术问题就是提出一种 有效措施，为相干拉曼散射显微提供结构紧凑、成本低廉的激光光源。

发明内容

本发明提供一种相干反斯托克斯拉曼散射显微系统的激光光源装置，以 解决的现有的拉曼散射显微系统的激光光源的上述问题。本发明同时提供一 种相干反斯托克斯拉曼散射显微的激光光源的产生方法。

为了解决上述问题，本发明公开了一种相干反斯托克斯拉曼散射显微系 统的激光光源装置，包括：

提供参量放大器泵浦光及相干反斯托克斯拉曼散射过程所需斯托克斯 光的超短脉冲光纤激光器；

可调谐连续光半导体激光器以及对可调谐连续光半导体激光器的输出 光进行放大的光纤放大器，放大后的光作为参量放大器的种子光；

对所述泵浦光和参量放大器的种子光在空间合束的光束合束器；

顺次接收光束合束器光束的第一非线性晶体和第二非线性晶体，两非线 性晶体分别作为种子光的参量放大器和倍频器，有选择的对不同波段种子光 参量放大和倍频；

设置于第一非线性晶体和第二非线性晶体之间的准直聚焦器件以及第 二非线性晶体之后的准直器件，工作时所述准直聚焦器件对参量放大波段的 种子光响应，准直器件对倍频波段的种子光响应；

设置于所述准直器件之后的低通滤波器，滤出相干反斯托克斯拉曼散射 过程所需的泵浦光及斯托克斯光，即可得到相干拉曼散射显微的激光光源。

可选的，所述超短脉冲光纤激光器为飞秒脉冲光纤激光器或皮秒脉冲光 纤激光器。

可选的，所述超短脉冲光纤激光器为超短脉冲掺镱光纤激光器或超短脉 冲掺钕光纤激光器。

可选的，所述可调谐连续光半导体激光器输出波长范围为1510nm至 1640nm。

可选的，所述光纤放大器为掺铒光纤放大器。

可选的，还包括第一二分之一波片和第二二分之一波片，第一聚焦透镜 和第二聚焦透镜，所述种子光和泵浦光合束之前分别经过两二分之一波片调 整偏振态为平行，并经过两聚焦透镜进行聚焦。

可选的，所述第一非线性晶体为三硼酸锂晶体、周期性极化铌酸锂晶体、 周期极化掺氧化镁铌酸锂晶体、周期极化超晶格钽酸锂晶体中的一种；

所述第二非线性晶体为三硼酸锂晶体、周期性极化铌酸锂晶体、周期极 化掺氧化镁铌酸锂晶体、周期极化超晶格钽酸锂晶体中的一种。

可选的，所述第一非线性晶体和第二非线性晶体均设置于温控炉中，调 整温控炉的温度以实现相位匹配。

可选的，所述低通滤波器为低通滤波片或二色镜。

本发明还提供一种相干反斯托克斯拉曼散射显微的激光光源的产生方 法，包括：

将可调谐连续光半导体激光器的输出光经光纤放大器进行放大，作为种 子光；

将超短脉冲光纤激光器的输出光作为泵浦光；

将所述种子光和泵浦光一同聚焦至第一非线性晶体，由该第一非线性晶 体有选择对种子光需要的波段进行参量放大；

将由参量放大后所得的输出脉冲与剩余的泵浦光脉冲一并聚焦至第二 非线性晶体，对参量放大后的输出脉冲进行倍频；

将由倍频所得的脉冲与剩余的泵浦光脉冲滤出并准直，即可得到相干反 斯托克斯拉曼散射显微系统的激光光源。

与现有技术相比，本发明的相干反斯托克斯拉曼散射显微系统的激光光 源装置采用可调谐连续光半导体激光器为参量放大器提供种子光，可巧妙地 获得同步脉冲，同时提高了参量过程的转化效率，降低了系统成本及复杂度； 通过采用参量放大器及对其输出进行倍频的方案，直接获得空间、时间上重 合的激励脉冲，而无需引入额外的空间光路，简化了系统结构、增加了系统 稳定性；采用超短脉冲光纤激光器产生相干拉曼散射所需的斯托克斯光及参 量放大器的泵浦光，系统结构紧凑、成本低廉。

附图说明

图1为本发明的相干反斯托克斯拉曼散射显微系统的激光光源装置的其 中一个实施例的示意图；

图2为不同极化周期下参量放大器MgO:PPLN的温度调谐曲线；

图3为不同极化周期下倍频晶体MgO:PPLN的温度调谐曲线。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图 和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1为本发明的相干反斯托克斯拉曼散射显微系统的激光光源装置的其 中一个实施例的示意图。

请参看图1，本实施例装置包括超短脉冲光纤激光器1-1，用于产生参 量放大器的泵浦光，并提供相干反斯托克斯拉曼散射过程所需斯托克斯光。

光束合束器7，用于将两束不同波长的光在空间进行合束；

可调谐连续光半导体激光器1-2，用于获得参量放大器的种子光。光纤 放大器1-3，用于对可调谐连续光半导体激光器1-2的输出进行放大，放大 后的光称为参量放大器的种子光。

第一非线性晶体9、第二非线性晶体13，分别用于进行参量放大、倍频。

透镜10和11组成准直聚焦器件，用于对第一非线性晶体9参量放大后 的种子光进行准直聚焦。

准直透镜14，用于对第二非线性晶体13倍频所得的倍频光及原剩余泵 浦光进行准直。

低通滤波器15，用于滤除未倍频波段的种子光。

在组成具体光路时，本实施例的装置还包括如下器件：

反射镜1，用于反射光路，改变超短脉冲光纤激光器1-1输出光的方向， 以使整个光路更为紧凑，当然也可以不设置该反射镜1。

第一二分之一波片2(其中本说明书的第一和第二仅仅为了区分名称相 同的器件，而非表示序数)、第二二分之一波片5，用于调整光偏振态。

第一透镜3、第二透镜6，用于对光束进行聚焦。

光纤准直器4，用于将掺铒光纤放大器1-3的输出进行准直输出。

第一温控炉8和第二温控炉12，用于调整并维持第一非线性晶体9和第 二非线性晶体13在恰当的工作温度，以实现相位匹配获得最大转化效率。

下面结合具体的例子进行说明。

所述超短脉冲光纤激光器1-1在本实施例中为超短脉冲掺镱光纤激光器 (也可以为超短脉冲掺钕光纤激光器)，可获得中心波长1040nm、半高全宽 ～3ps、脉冲能量10nJ的输出光。作为参量放大器9的泵浦光，并提供相干 反斯托克斯拉曼散射过程所需斯托克斯光。超短脉冲光纤激光器1-1还可以 是飞秒激光器或其它波段的皮秒激光器。

可调谐连续光半导体激光器1-2为安捷伦(Aglient)公司，型号8164A， 输出波长1510-1640nm的激光器。光纤放大器1-3为掺铒光纤放大器，经其 放大的光由光纤准直器4准直输出，作为后续参量放大器的种子光。

第一二分之一波片2和第二二分之一波片5分别调整上述泵浦光和种子 光的偏振态使得其偏振态平行，并采用第一透镜3和第二透镜6进行聚焦， 然后经光束合束器7合束至第一非线性晶体9，该第一非线性晶体9作为参 量放大器。其中，所述第一非线性晶体9可以为三硼酸锂LBO晶体、周期 性极化铌酸锂PPLN晶体、周期极化掺氧化镁铌酸锂MgO:PPLN晶体、周期 极化超晶格钽酸锂PPLST晶体中的一种。本实施例中具体为多极化周期 MgO:PPLN晶体(其极化周期包含29.6um、30um和30.4um)，选择所需 极化周期的波导并调整第一温控炉8至适当温度进行参量放大(不同极化周 期下参量放大器MgO:PPLN的温度调谐曲线如图2所示)。

通过透镜10将由参量放大器的输出光进行准直后，采用透镜11将光束 聚焦至第二非线性晶体13。所述第二非线性晶体13作为倍频器。所述第二 非线性晶体13可以为三硼酸锂LBO晶体、周期性极化铌酸锂PPLN晶体、 周期极化掺氧化镁铌酸锂MgO:PPLN晶体、周期极化超晶格钽酸锂PPLST 晶体中的一种。本实施例中具体为多极化周期MgO:PPLN晶体(极化周期 包含18.2um、18.8um、19.4um、20.0um、20.6um和21.2um)，选择所需 极化周期的波导并调整第二温控炉15至恰当温度进行倍频(不同极化周期 下倍频晶体MgO:PPLN的温度调谐曲线如图3所示)。可获得含有775nm至 820nm的脉冲。

将由倍频晶体的输出光采用准直透镜14进行准直，并采用低通滤波器 15滤出含有波长775nm至820nm、及波长1040nm的脉冲。其中，所述低 通滤波器15为低通滤波片或二色镜。

由于第一非线性晶体和第二非线性晶体的极化周期仅对种子光进行参 量放大和倍频，而对泵浦光不发生变化，故经低通滤波器15之后的输出光 还包括波长为1040nm的脉冲。

将含有775nm至820nm的脉冲和波长1040nm的脉冲耦合后即可作为 相干拉曼散射显微的激光光源，例如耦合至显微镜1-4即可进行CARS显微 成像。经信号处理单元1-5后传输至计算机1-6即可对显微成像进行可视化 等处理。

调谐可调谐连续光半导体激光器1-2的输出波长(范围1510-1640nm)， 上述装置可对拉曼特征峰在2579cm^-1至3846cm^-1范围的样品进行相干拉曼 散射显微成像。

下面进行举例说明，如欲探测生物样品中油脂的含量(其中CH2键的 特征峰在2845cm^-1附近)，可将可调谐连续光半导体激光器的输出波长设置 在1605nm。参照图2，可选用MgO:PPLN晶体9中极化周期为30.4um的 波导，并设置其温度为120℃，此时参量放大器可消耗1040nm脉冲的能量 并获得1605nm脉冲(其中二者的群速度失配为111fs/mm)。参考图3，选用 MgO:PPLN晶体13中极化周期为20.6um的波导，并设置其温度为102.8℃， 此时1605nm脉冲发生倍频，获得802.5nm脉冲。而1040nm脉冲未发生变 化(其与倍频光间的群速度失配为164fs/mm，补偿了之前参量放大器中的 走离)。将倍频所获得的802.5nm脉冲与1040nm脉冲采用透镜14准直，并 采用低通滤波器15滤出802.5nm及1040nm的脉冲，即可获得时间、空间 重合的同步脉冲，由于油脂的CARS显微成像。

可见，本实施例的装置中，由于参量放大器中脉冲泵浦光对连续种子光 进行参量放大，在种子光波长处可自动获得同步脉冲，故无需考虑两束光之 间的同步问题。且由于连续种子光具有高功率谱密度，可获得高参量转化效 率。

而且，参量放大器中所剩余的泵浦光脉冲与经参量放大所获得的种子光 脉冲一并在倍频晶体中传输时，由于倍频晶体的极化周期或温度仅设置在对 种子光脉冲进行倍频，而泵浦光脉冲不发生变化。故泵浦光脉冲与倍频所得 的脉冲经历相同的光路，空间上二者重合，而无需调整；此外，参量放大器 中泵浦光脉冲与所产生参量放大后种子光脉冲间的走离，可补偿倍频晶体中 泵浦光脉冲与所产生倍频后脉冲间的走离，故使得经倍频晶体后脉冲与泵浦 光脉冲在时间上近似重合，而无需补偿光程差。

综上，本发明的方法中，采用可调谐连续光半导体激光器为参量放大器 提供种子光，可巧妙地获得同步脉冲，同时提高了参量过程的转化效率，降 低了系统成本及复杂度；通过采用参量放大器及对其输出进行倍频的方案， 直接获得空间、时间上重合的激励脉冲，而无需引入额外的空间光路，简化 了系统结构、增加了系统稳定性；采用超短脉冲光纤激光器产生相干拉曼散 射所需的斯托克斯光及参量放大器的泵浦光，系统结构紧凑、成本低廉。

本发明虽然以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何 本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做出可能的变动和 修改，因此本发明的保护范围应当以本发明权利要求所界定的范围为准。