[发明专利]基于双级非线性调谐的单纤型CARS激发源装置及实现方法

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1030～1064nm，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，控制电控光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；

所述泵浦激光器源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；