[发明专利]基于光纤耦合的CARS光束空间稳定性测试控制系统和方法

说明书

本发明公开了一种基于光纤耦合的CARS光束空间稳定性测试控制装置和方法，该系统由CARS显微激发源(100)、光束空间稳定性检测装置(200)和光束反馈控制系统(300)三部分组成，由所述CARS显微激发源(100)输出的空间光束，经所述光束空间稳定性检测装置(200)实时监控空间状态，通过所述光束反馈控制系统(300)对空间光束进行调整，最终，由CARS显微激发源100输出光束空间稳定性的测试和控制。与现有技术相比，本发明使泵浦光束的空间状态在可调空间光延时线改变时保持稳定；避免了CARS显微成像系统中需要频繁调节空间光路以确保泵浦光和斯托克斯光空间重叠的问题，简化了操作流程，提高了探测效率。

技术领域

本发明涉及空间光学及光纤光学领域，特别是涉及一种基于光纤耦合的CARS显微成像系统光束空间状态的稳定性检测和调节控制。

背景技术

相干反斯托克斯拉曼散射(CoherentAnti-Stokes Raman Scattering，CARS)技术是一种利用物质中分子的共振能级进行探测的非接触式显微成像技术，其本质是四波混频的三阶非线性过程。通常，CARS显微成像技术利用泵浦光和斯托克斯光同时聚焦至待测样品，当泵浦光和斯托克斯光的频率差等于样品中目标化学键的振动频率，且三者满足相位匹配条件时，将激发出待测样品的反斯托克斯信号，即CARS信号。1965年，Ford Motor公司的Maker和Terhune首次提出了CARS技术，并对其进行了系统的论证；1982年，美国海军实验室的M.D.Duncan等人通过将两台染料激光器输出的连续激光聚焦在待测样品中激发CARS光谱信号，首次成功地实现了CARS显微成像技术；1999年，美国华盛顿州西北太平洋国家实验室的X.Sunney Xie等人使用共线紧聚焦方案满足CARS激发中相位匹配条件，同时使用近红外光替换可见光激发CARS信号削弱非共振背景噪声，克服了早期限制CARS显微成像技术的关键瓶颈，促使CARS显微成像技术进入高速发展的时期。CARS显微成像技术具有高空间分辨能力、高探测灵敏度、无需外源标记以及固有的三维层析能力等优点，避免了自发拉曼散射显微成像过程中无法快速成像的缺点，同时避免了荧光显微成像技术中外源性标记对生物分子自身性质的影响，以及荧光标记的光致漂白和光毒性等问题。因此，CARS显微成像技术在生物学、医药学、生命科学、物理化学以材料学等领域引起越来越多的关注。

CARS显微成像系统中，由泵浦光脉冲和斯托克斯光脉冲同时聚焦入射至待测样品以产生CARS信号，因此需要两束脉冲在入射至聚焦物镜前实现空间和时间的重叠，故高精度可调空间光延时系统在CARS显微成像系统中是必不可少的，用以调节泵浦光脉冲(或斯托克斯光脉冲)的相对延时，以实现两束光脉冲的时间重叠，之后通过合束器将两束脉冲合束实现两束光脉冲的空间重叠，最后经高数值孔径物镜聚焦入射至待测样品，两束高能超短光脉冲与样品由四波混频效应产生CARS信号。然而，由于空间光路调节过程中的各种不完善(例如可调空间光延时系统入射光束并非完全的水平入射、入射角度不等于45度等)，当可调空间光延时系统的延时量改变时，其输出光束的空间状态也会变化，在CARS显微成像系统中，由于需要使用高数值孔径物镜将合束后的光束聚焦至样品，因此样品待测位置处光斑非常小(通常小于1μm)，故光束位置的改变会引起泵浦光脉冲和斯托克斯光脉冲空间重叠的改变，降低CARS信号激发效率，严重影响显微成像质量。

发明内容

本发明目的是本发明涉及一种基于光纤耦合的CARS光束空间稳定性测试控制系统和方法，对于CARS显微成像系统中空间光束稳定性的检测和调节控制，实现了优化和简便的空间光束的调节装置和方法。

本发明提出的一种基于光纤耦合的CARS光束空间稳定性测试控制系统，该系统由CARS显微激发源100、光束空间稳定性检测装置200和光束反馈控制系统300三部分组成，由所述CARS显微激发源100输出的空间光束，经所述光束空间稳定性检测装置200实时监控空间状态，通过所述光束反馈控制系统300对空间光束进行调整，由此实现所述CARS显微激发源100输出光束空间稳定性的测试和控制；其中：