基于双级非线性调谐的单纤型CARS激发源装置及实现方法

摘要

本发明公开了一种基于双级非线性调谐的单纤型CARS激发源装置与方法，包括飞秒光纤激光光源、电控光功率衰减器、一级调谐器、脉冲展宽器、二级调谐器、泵浦激光器、波分复用器、增益光纤、滤光器和输出端口。飞秒光纤激光光源输出飞秒脉冲作为斯托克斯光脉冲，进入电控光功率衰减器，在一级调谐器中实现功率控制的光脉冲波长调谐，经脉冲展宽器展宽成皮秒脉冲后进入到增益光纤放大，在二级调谐器产生信号光脉冲和闲频光脉冲，信号光脉冲用作CARS源的泵浦光脉冲，滤光器滤除闲频光脉冲和残余的泵浦连续光，输出端口输出。与现有技术相比，本发明采用单纤光路结构和电控调谐，具有结构紧凑、抗干扰、可靠性高和调谐速度快的优点，满足CARS快速成像的需求。

说明书

技术领域

本发明涉及光学非线性显微成像技术领域，特别涉及一种CARS显微成像系统的激 发源装置。

背景技术

CARS显微利用相干反斯托克斯拉曼散射来探测分子。当泵浦光和斯托克斯光的频 差等于待检测分子的振动频率时，会产生很强的反斯托克斯散射光，由此可以检验待测 分子。由于CARS显微成像技术信噪比高，具有三维层析能力，无需荧光标记和共焦系 统，近年来引起广泛关注，发展十分迅速。CARS显微成像系统需要两个波长的激光， 其中至少有一个是波长可调谐的。目前，CARS系统通常采用两个具有反馈控制的掺钛 蓝宝石激光器或同一泵浦源泵浦的两个光学参量振荡器作为激发源，泵浦光和斯托克斯 光需要同步，调节复杂且采用机械装置调谐导致波长调谐速度慢，整个系统庞大，需要 专职技术人员维护，严重阻碍了CARS的广泛应用。因此，结构紧凑、成本低廉、可靠 性高和使用方便的CARS激发源非常关键。

发明内容

针对传统CARS装置存在的问题，本发明提出一种基于双级非线性调谐的单纤型 CARS激发源装置和方法。该CARS激发源综合孤子自频移和四波混频效应，首先采用 电控系统调节光功率实现波长小范围调谐，再利用非线性效应实现同步双波长的产生和 大范围调谐，全光纤结构保证了系统紧凑性和高可靠性。

本发明提出了一种基于双级非线性调谐的单纤型CARS激发源装置，该装置从输入 到输出依序包括飞秒光纤激光光源1、电控光功率衰减器2、电压控制器3、一级调谐 器4、脉冲展宽器5、泵浦激光源6、波分复用器7、增益光纤8、二级调谐器9、滤光 器10和输出端口11；其中：

所述飞秒光纤激光光源1，用于提供飞秒级线偏振脉冲光，用作CARS源的斯托克 斯光脉冲种子源，其脉宽范围50～200fs，中心波长为1020～1080nm，重复频率10MHz～ 100MHz，脉冲能量大于1nJ；

所述电控光功率衰减器2，由相位延迟器和检偏器构成，用于将电压施加到相位延 迟器件改变水平偏振和垂直偏振间的相位延迟，使出射光的偏振态发生变化，透过检偏 器的功率产生变化，实现光功率衰减调节；

所述电压控制器3，用于输出控制电压，控制电控功率衰减器的衰减值；

所述一级调谐器4，由光子晶体光纤构成，用于对飞秒脉冲光实现小范围的波长调 谐，调谐范围10～40nm，调谐波长范围10～40nm；

所述脉冲展宽器5，由单模和多模光纤熔接构成，用于将斯托克斯光脉冲展宽到 30～80ps；

所述泵浦激光器6，采用980nm泵浦激光器，用于给增益光纤提供泵浦连续光；

所述波分复用器7，将泵浦连续光和一级调谐器输出斯托克斯光脉冲合成一束，输 入到增益光纤中；

增益光纤8，采用掺镱光纤，用于放大一级调谐器后的斯托克斯光脉冲，使输出脉 冲峰值功率在3～20kW；

所述二级调谐器9，由光子晶体光纤构成，利用光子晶体光纤的四波混频作用调谐； 一级调谐器4输出并经放大后形成的高峰值功率斯托克斯光脉冲注入其光子晶体光纤 后，通过四波混频作用产生信号光脉冲和闲频光脉冲；信号光脉冲和闲频光脉冲的波长 依赖于注入的斯托克斯光脉冲波长；信号光脉冲用作CARS源的泵浦光脉冲，斯托克斯 光脉冲波长的小范围调谐将引起信号光脉冲的大范围调谐；CARS源的泵浦光脉冲和斯 托克斯光脉冲的频差覆盖400～4000cm^-1范围的分子振动谱范围。

所述滤光器10，用于滤除二级调谐器的闲频光脉冲和残余的泵浦激光器输出的泵 浦连续光；

输出端口11，用于输出的外部光纤接口。

本发明还提出了一种基于双级非线性调谐的单纤型CARS激发源装置的实现方法， 该方法包括以下步骤：

飞秒光纤激光光源1提供飞秒级线偏振脉冲光，用作CARS源的斯托克斯光脉冲种 子源，其脉宽范围50～200fs，中心波长为1030～1064nm，重复频率10MHz～100MHz， 脉冲能量大于1nJ；

电压控制器3输出控制电压，从而控制由相位延迟器和检偏器构成的电控光功率衰 减器2的衰减值，实现光功率衰减调节；

控制一级调谐器4注入光功率，实现对斯托克斯光脉冲调谐，调谐波长范围10～ 40nm；

脉冲展宽器5将斯托克斯光脉冲展宽到30～80ps；

泵浦激光器6给增益光纤提供泵浦连续光；

由波分复用器7将泵浦连续光和一级调谐器输出斯托克斯光脉冲合成一束，输入到 增益光纤中进行放大，一级调谐器4调谐后的斯托克斯光脉冲经放大后输出脉冲峰值功 率在3～20kW；

输出光脉冲注入到二级调谐器9，利用光子晶体光纤的四波混频作用产生信号光脉 冲和闲频光脉冲，信号光脉冲和闲频光脉冲的波长依赖于注入的斯托克斯光脉冲波长， 信号光脉冲用作CARS源的泵浦光脉冲，斯托克斯光脉冲波长的小范围调谐将引起信号 光脉冲的大范围调谐，斯托克斯光脉冲和信号光脉冲的频差覆盖400～4000cm^-1范围的 分子振动谱范围；

采用滤光器10滤除二级调谐器的闲频光和泵浦激光器输出的泵浦光后，经输出端 口11输出两个波长的光脉冲。

与现有技术相比，本发明具有以下技术效果：

1、本发明提出的基于双级非线性调谐的单纤型CARS激发源装置结构简单，只有 单纤光路，无需分束和延时调节部分，整个系统无机械运动部件，可靠性和稳定性大大 提高；

2、双级调谐结构有效降低了宽调谐范围的实施难度，扩大了CARS源的覆盖的分 子振动波数范围，电控调谐速度快且具有脉冲天然同步性，有利于实现CARS实时成像。

附图说明

图1为基于双级非线性调谐的单纤型CARS激发源系统结构图；

图2为二级调谐器中信号光脉冲和闲频光脉冲光波长随注入斯托克斯光脉冲波长 的变化曲线图；

图3为斯托克斯光脉冲注入后信号光和闲频光的光谱图；

图中，1、飞秒光纤激光光源，2、电控光功率衰减器，3、电压控制器，4、一级调 谐器，5、脉冲展宽器，6、泵浦激光源，7、波分复用器，8、增益光纤，9、二级调谐 器，10、滤光器，11、输出端口。

具体实施方式

以下结合附图及具体实施方式，进一步详述本发明的技术方案。

实施实例1：一种基于双级非线性调谐的单纤型CARS激发源装置

如图1所示，该装置包括飞秒光纤激光光源1、电控光功率衰减器2、电压控制器 3、一级调谐器4、脉冲展宽器5、泵浦激光源6、波分复用器7、增益光纤8、二级调 谐器9、滤光器10和输出端口11。

飞秒光纤激光光源1输出的飞秒线偏振脉冲光作为斯托克斯光脉冲种子源进入电 控光功率衰减器2，光功率衰减值由电压控制器3控制，光功率衰减后的光脉冲进入一 级调谐器4实现功率控制的光脉冲波长调谐，输出的脉冲光经脉冲展宽器5展宽，然后 与泵浦激光源6输出的泵浦连续光在波分复用器7中合束进入到增益光纤8，实现放大 后进入二级调谐器9，产生信号光脉冲和闲频光脉冲，滤光器10滤除闲频光脉冲和残 余的泵浦连续光，在输出端口11输出信号光脉冲和斯托克斯光脉冲。

实施实例2：一种基于双级非线性调谐的单纤型CARS激发源实现方法

利用飞秒光纤激光光源提供飞秒级线偏振脉冲光，用作CARS源的斯托克斯光脉冲 种子源，其脉宽范围50～200fs，中心波长为1030～1064nm，重复频率10MHz～100MHz， 脉冲能量大于1nJ。电压控制器输出控制电压，控制由相位延迟器和检偏器构成的电控 光功率衰减器的衰减值，实现光功率衰减调节。由光子晶体光纤构成一级调谐器，通过 控制注入光功率，利用光子晶体光纤的孤子自频移非线性效应，实现对斯托克斯光脉冲 调谐，调谐波长范围10～40nm。脉冲展宽器由单模和多模光纤熔接组成，将斯托克斯 光脉冲展宽到30～80ps。980nm泵浦激光器给增益光纤提供泵浦连续光，通过波分复用 器将泵浦连续光和一级调谐器输出斯托克斯光脉冲合成一束，输入到增益光纤中进行放 大，一级调谐器调谐后的斯托克斯光脉冲经放大后输出脉冲峰值功率在3～20kW。输出 光脉冲注入到由光子晶体光纤构成的二级调谐器，利用光子晶体光纤的四波混频作用产 生信号光脉冲和闲频光脉冲，信号光脉冲和闲频光脉冲的波长依赖于注入的斯托克斯光 脉冲波长，信号光脉冲用作CARS源的泵浦光脉冲，斯托克斯光脉冲波长的小范围调谐 将引起信号光脉冲的大范围调谐。斯托克斯光脉冲和信号光脉冲的频差覆盖 400～4000cm^-1范围的分子振动谱范围。采用滤光器滤除用于滤除二级调谐器的闲频光和 泵浦激光器输出的泵浦光后，经输出端口输出两个波长的光脉冲。

如图2所示，注入NKT公司的LMA-8光子晶体光纤的斯托克斯光脉冲峰值功率 3kW时，信号光脉冲和闲频光脉冲的波长随斯托克斯光脉冲波长的变化。

如图3所示，为斯托克斯光脉冲注入后产生的信号光和闲频光的光谱图。信号光脉 冲用作CARS源的泵浦光脉冲，斯托克斯光脉冲波长的小范围调谐将引起信号光脉冲的 大范围调谐。斯托克斯光脉冲和信号光脉冲的频差覆盖400～4000cm^-1范围的分子振动 谱范围。采用滤光器10滤除用于滤除二级调谐器的闲频光和泵浦激光器输出的泵浦光 后，经输出端口11输出CARS激发源两个波长的光脉冲。

实施实例3：应用举例

该CARS源输出的信号光脉冲和斯托克斯光脉冲，其中信号光脉冲用作CARS源 的泵浦光脉冲。在CARS源的泵浦光脉冲和斯托克斯光脉冲的两束光脉冲作用下，首先 激发待测物中的与泵浦光脉冲和斯托克斯光脉冲频差共振的分子振动，使其产生共振， 然后产生共振的分子振动将CARS源输出的泵浦光大量转化为反斯托克斯光从而实现 对特定分子的探测。通过双级调谐，CARS源的泵浦光脉冲和斯托克斯光脉冲覆盖波数 400～4000cm^-1的分子振动，从而满足生物化学中对分子振动谱的测量和特定分子的激发 成像。