专利名称：相干拉曼散射显微系统的激光光源装置与产生方法
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拉曼散射显微系统的激光光源装置及产生方法。
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 biologyand medicine, Annu. Rev. Anal. Chem. , I 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 Ramanscattering microscopy using a single-pass picoseconds supercontinuum-seededoptical 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(1064nm)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。
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的激光光源的上述问题。本发明还提供一种相干拉曼散射显微系统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拉曼散射显微系统的激光光源装置，包括超短脉冲光纤激光器以及对超短脉冲光纤激光器的输出光分束的光束分束器，分束后的两束光分别作为相干拉曼散射过程的斯托克斯光和参量放大器的泵浦光；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，放大后的光称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第一光束合束器；顺次接收第一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参量放大器和倍频器；对所述斯托克斯光和倍频器的输出光在空间合束的第二光束合束器；设置于斯托克斯光的光路中且在第二光束合束器合束之前对斯托克斯光分别进行光程调整的光学延迟线和偏振态调整的偏振器。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，所述光束分束器能量分束比I : 3，其中四分之一能量的光束作为斯托克斯光，四分之三能量的光束作为泵浦光。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。可选的，在所述第一非线性晶体和第二非线性晶体之间依次设置带通滤波器和第三聚焦透镜；在所述第二非线性晶体与第二光束合束器之间设置有二色镜；其中，所述带通滤波器用于滤出参量放大器所得的新转换波长的脉冲光，投射至第三聚焦透镜；
所述二色镜用于倍频器倍频后的脉冲光滤出，投射至第二光束合束器。可选的，所述偏振器为二分之一波片，用于调整斯托克斯光的偏振态平行于第二非线性晶体的输出光。本发明还提供一种相干拉曼散射显微的激光光源的产生方法，包括
将超短脉冲光纤激光器的输出光进行分束，其中一部分用于提供相干拉曼散射过程所需的斯托克斯光，另一部分作为参量放大器的泵浦光；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，并将其与经分束的参量放大器的泵浦光一同聚焦至第一非线性晶体进行参量放大；将由参量放大后所得的输出脉冲滤出，并聚焦至第二非线性晶体进行倍频；将由倍频所得的脉冲光滤出；调整斯托克斯光的光程和偏振态，使所述斯托克斯光和倍频后的光脉冲在时间上重合，偏振态相平行；并使二者在空间重合。由此即可得到相干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，巧妙地获得了同步脉冲，且提高了参量过程的转化效率，从而降低了系统成本及复杂度；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，使得系统结构紧凑、成本低廉。
图I为本发明的相干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。
具体实施例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I为本发明的相干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I，本实施例装置包括超短脉冲光纤激光器1-1，用于产生相干拉曼散射过程所需的斯托克斯光，及参量放大器的泵浦光。光束分束器2，用于按照一定的功率比对超短脉冲光纤激光器1-1的输出光进行分束，产生所述的斯托克斯光和泵浦光。光学延迟线3，用于调整或补偿光程差。偏振器18，用于调整偏振状态。第一光束合束器10和第二光束合束器5,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12、第二非线性晶体16，分别用于进行参量放大、倍频。在组成具体光路时，本实施例的装置还包括如下器件带通滤波器13，将由参量放大器所得的新转换波长的脉冲滤出。第一二分之一波片I (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8，用于调整光偏振态。二色镜17用于滤波。第一透镜6、第二透镜9和聚焦透镜14，用于对光束进行聚焦。光纤准直器7，用于将掺铒光纤放大器1-3的输出进行准直输出。反射镜4，用于反射光路。第一温控炉11和第二温控炉15，用于调整并维持第一非线性晶体12和第二非线性晶体16在恰当的工作温度。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IOnJ的输出光。将其经光束分束器2 (分束比I : 3)进行分束，其中脉冲能量为7. 5nJ的部分作为参量放大器的泵浦光，另一能量为2. 5nJ的部分作为相干拉曼散射过程所需的斯托克斯光。超短脉冲光纤激光器i-ι还可以是飞秒激光器或其它波段的皮秒激光器。需要说明的是，光束分束器2也可以具有其它分束比，并不局限于I : 3。根据实际需要可以选择任意分束比的分束器。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7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I和第二二分之一波片8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6和第二透镜9进行聚焦，然后经第一光束合束器10合束至第一非线性晶体12，该第一非线性晶体12作为参量放大器。其中，所述第一非线性晶体12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MgOiPPLN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11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)。通过带通滤波器13将由参量放大器所得的1510_1640nm输出脉冲滤出，并采用聚集透镜14聚焦至第二非线性晶体16，所述第二非线性晶体16作为倍频器。所述第二非线性晶体16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) 。将由倍频器倍频后所得的755_820nm的脉冲光由二色镜17滤出。通过光学延迟线3调整斯托克斯光的光程，使上述两束脉冲在时间上重合。同时调整斯托克斯光路上的偏振器18 (本实施例中偏振器为二分之一波片)，使得两束脉冲的偏振态平行。并采用第二光束合束器5使二色镜17滤出的光与斯托克斯光在空间重合。两束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1-5即可进行CARS显微成像。对于SRS显微成像，还需采用声光调制器19 (或光电调制器)对斯托克斯光进行强度调制，以便进行相关检测。声光调制器19经由与计算机1-6连接的信号处理单元1-7和信号发生器所控制。这里不再详细描述。调谐可调谐连续光半导体激光器的输出波长(范围1510至1640nm)，上述装置可对拉曼特征峰在2579CHT1至3846CHT1范围的样品进行相干拉曼散射显微成像。
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2845CHT1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MgOiPPLN晶体12中极化周期为30. 4um的波导，并设置其温度120°C，此时参量放大器可消耗1040nm脉冲的能量并获得1605nm脉冲。参考图3，选用MgO = PPLN晶体16中极化周期为20. 6um的波导，并设置其温度为102. 8°C，此时1605nm脉冲发生倍频，获得802. 5nm脉冲。将分束所得的部分1040nm脉冲与新产生的802. 5nm脉冲在时间、空间上重合，便可用于油脂的CARS显微成像。可见，本发明的上述实施例的装置，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。本发明的上述实施例的装置，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；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。
权利要求
1.一种相干拉曼散射显微系统的激光光源装置，其特征在于包括 超短脉冲光纤激光器以及对超短脉冲光纤激光器的输出光分束的光束分束器，分束后的两束光分别作为相干拉曼散射过程的斯托克斯光和参量放大器的泵浦光； 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，放大后的光称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第一光束合束器； 顺次接收第一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参量放大器和倍频器； 对所述斯托克斯光和倍频器的输出光在空间合束的第二光束合束器； 设置于斯托克斯光的光路中且在第二光束合束器合束之前对斯托克斯光分别进行光程调整的光学延迟线和偏振态调整的偏振器。
2.如权利要求I所述的相干拉曼散射显微系统的激光光源装置，其特征在于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。
3.如权利要求I所述的相干拉曼散射显微系统的激光光源装置，其特征在于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。
4.如权利要求I所述的相干拉曼散射显微系统的激光光源装置，其特征在于所述光束分束器能量分束比I : 3，其中四分之一能量的光束作为相干拉曼散射过程的斯托克斯光，四分之三能量的光束作为参量放大器的泵浦光。
5.如权利要求I所述的相干拉曼散射显微系统的激光光源装置，其特征在于所述可调谐连续光半导体激光器输出波长范围为1510nm至1640nm。
6.如权利要求5所述的相干拉曼散射显微系统的激光光源装置，其特征在于所述光纤放大器为掺铒光纤放大器。
7.根据权利要求6所述的相干拉曼散射显微系统的激光光源装置，其特征在于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。
8.如权利要求I所述的相干拉曼散射显微系统的激光光源装置，其特征在于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、周期极化超晶格组酸裡晶体中的一种； 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。
9.根据权利要求8所述的相干拉曼散射显微系统的激光光源装置，其特征在于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。
10.根据权利要求I所述的相干拉曼散射显微系统的激光光源装置，其特征在于在所述第一非线性晶体和第二非线性晶体之间依次设置带通滤波器和第三聚焦透镜；在所述第二非线性晶体与第二光束合束器之间设置有二色镜；其中， 所述带通滤波器用于滤出参量放大器所得的新转换波长的脉冲光，投射至第三聚焦透镜; 所述二色镜用于倍频器倍频后的脉冲光滤出，投射至第二光束合束器。
11.根据权利要求I所述的相干拉曼散射显微系统的激光光源装置，其特征在于所述偏振器为二分之一波片，用于调整斯托克斯光的偏振态平行于第二非线性晶体的输出光。
12.—种相干拉曼散射显微系统的激光光源的产生方法，其特征在于包括 将超短脉冲光纤激光器的输出光进行分束，其中一部分用于提供相干拉曼散射过程所需的斯托克斯光，另一部分作为参量放大器的泵浦光； 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，并将其与经分束的参量放大器的泵浦光一同聚焦至第一非线性晶体进行参量放大； 将由参量放大后所得的输出脉冲滤出，并聚焦至第二非线性晶体进行倍频； 将由倍频所得的脉冲光滤出； 调整斯托克斯光的光程和偏振态，使所述斯托克斯光和倍频后的光脉冲在时间上重合，偏振态相平行；并使二者在空间重合。由此即可得到相干拉曼散射显微系统的激光光源。
全文摘要
一种相干拉曼散射显微系统的激光光源装置，包括超短脉冲光纤激光器以及光束分束器，分束后的两束光分别作为相干拉曼散射过程的斯托克斯光和参量放大器的泵浦光的；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；对所述泵浦光和参量放大器的种子光在空间合束的第一光束合束器；顺次接收第一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参量放大器和倍频器；对所述斯托克斯光和倍频器的输出光在空间合束的第二光束合束器；设置于斯托克斯光的光路中且在第二光束合束器合束之前对斯托克斯光分别进行光程调整的光学延迟线和偏振态调整的偏振器。
文档编号G02F1/39GK102623874SQ20121009788
公开日2012年8月1日 申请日期2012年4月5日 优先权日2012年4月5日
发明者孔令杰, 杨昌喜, 肖晓晟 申请人:清华大学