[发明专利]集成平面超构透镜的CARS激发探针激发方法和装置

说明书

本发明涉及光纤光学及共振谱显微光谱探测领域，为抑制实芯光纤的非线性效应，避免四波混频背景的干扰，实现CARS信号的激发，本发明，集成平面超构透镜的CARS激发探针激发方法和装置，包括相干反斯托克斯拉曼散射CARS激发源、二向色镜、光纤耦合镜、空芯反谐振光纤、平面超构透镜、滤光片、信号采集和处理系统；CARS激发源发出的泵浦脉冲光和斯托克斯脉冲光经二向色镜、光纤耦合镜进入空芯反谐振光纤的一端，泵浦脉冲光和斯托克斯脉冲光在空芯反谐振光纤中正向传输，空芯反谐振光纤的另一端面集成有平面超构透镜，激发CARS信号。本发明主要应用于CARS激发装置设计制造场合。

技术领域

本发明涉及光纤光学及共振谱显微光谱探测领域，提出了空芯反谐振光纤集成平面超构透镜的CARS激发探针装置和方法。具体涉及集成平面超构透镜的CARS激发探针激发方法和装置。

背景技术

相干反斯托克斯拉曼散射(coherent anti-Stokes Raman scattering,CARS)显微成像技术可以探测分子的振动模式，无需引入外源染料或标记物，且CARS信号与其他荧光信号不在同一光谱范围，免受荧光信号干扰。CARS显微成像技术具有无需荧光标记、空间分辨率高、检测速度快等优点。传统CARS系统中使用空间物镜会聚激发脉冲，由于生物组织对光的吸收和散射，使用大尺寸物镜的CARS显微镜无法对几百微米深度处的生物样本进行成像。而光纤作为激光传输的载体具有灵活、便携、使用方便等优点。使用光纤探针是进行组织深处的CARS成像的关键一步。激发CARS信号需要两束时间重叠和空间重叠的脉冲光，而当两束脉冲光在传统的实芯光纤中传输时，由于石英材料的本征缺陷(非线性、色散、光致损伤等)会产生强烈的背景四波混频信号，同时使脉冲光时域展宽和频谱漂移，导致激发脉冲光峰值功率降低并最终影响CARS信号的信噪比。近些年来，空芯反谐振光纤的发明有望解决这个问题，由于纤芯为空气介质，为激光能量提供类似自由空间传输的环境，脉冲光在纤芯中传输时的色散和非线性效应被抑制。因此，使用空芯反谐振光纤进行CARS成像对实际应用具有重要意义。

发明内容

为克服现有技术的不足，本发明旨在实现抑制实芯光纤的非线性效应的产生，避免四波混频背景的干扰，经由端面集成的平面超构透镜会聚激发光于待测样品，实现CARS信号的激发。为此，本发明采取的技术方案是，集成平面超构透镜的CARS激发探针装置，包括相干反斯托克斯拉曼散射CARS激发源、二向色镜、光纤耦合镜、空芯反谐振光纤、平面超构透镜、滤光片、信号采集和处理系统；CARS激发源发出的泵浦脉冲光和斯托克斯脉冲光经二向色镜、光纤耦合镜进入空芯反谐振光纤的一端，泵浦脉冲光和斯托克斯脉冲光在空芯反谐振光纤中无脉冲失真和无四波混频信号干扰地正向传输，空芯反谐振光纤的另一端面集成有平面超构透镜，泵浦脉冲光和斯托克斯脉冲光经平面超构透镜会聚到待测样品上，激发CARS信号，背向CARS信号光经由平面超透构镜和空芯反谐振光纤收集、反向传输，经过光纤耦合镜和二向色镜后与激发光分离，经过滤光片后滤除杂散光，被信号采集和处理系统采集和信号处理。

所述CARS激发源输出的泵浦脉冲光和斯托克斯脉冲光为两束时间重叠、空间重叠且具有光频率差的皮秒或飞秒量级的超短脉冲光，泵浦脉冲光频率固定，斯托克斯脉冲光频率具备连续调谐能力；

所述二向色镜使光频率小于其截止光频率的光透射，使光频率大于截止光频率的光反射。所述二向色镜的截止光频率应大于泵浦脉冲光和斯托克斯脉冲光频率，小于背向CARS信号光频率。

所述空芯反谐振光纤为空芯反谐振结构，纤芯为空气介质，纤芯直径为50至300微米，长度0.5米至10米，用于实现超短脉冲光的长距离柔性低损传输。

所述平面超构透镜采用亚波长单元结构阵列构建，包括衬底和周期性阵列排布的纳米柱,周期性阵列排布的纳米柱调控泵浦脉冲光和斯托克斯脉冲光以及背向CARS信号光的相位并聚焦，三束光的焦点位置重叠，实现高信噪比的CARS信号激发和接收；平面超构透镜的制作方式包括双光子打印制作和微加工光刻制作，平面超构透镜通过紫外胶固定于空芯反谐振光纤的端面上。