专利名称：相干反斯托克斯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，特别是涉及ー种相干反斯托克斯拉曼散射显微系统的激光光源的装置及产生方法。
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-StokesRaman 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，相关内容可參看文献“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,しonerent anti-btokes Raman scattering microscopy cnemical 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參量振荡器方案，可直接获得同步脉冲，但其中光学參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等人提出了ー种以固体激光器及其泵浦的參量放大器获得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，从而为參量放大器提供种子光(约800nm)。剰余部分则经倍频后，作为參量放大器的泵浦光(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，以其作为參量放大器的种子吋，參量过程的转换效率低，降低了參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。
此外，上述方案中均需采用二色镜将CARS的泵浦光与斯托克斯光合束，使二者在空间重合以对样品进行共线激发。且CARS的泵浦光与斯托克斯光间的光程差的补偿也需要引入光学延迟线，以获得时间上重合的激励脉冲。上述空间光路的引入，无疑会增加了系统复杂性、降低系统的稳定性。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反斯托克斯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系统的激光光源的上述问题。本发明同时提供一种相干反斯托克斯拉曼散射显微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反斯托克斯拉曼散射显微系统的激光光源装置，包括提供参量放大器泵浦光及相干反斯托克斯拉曼散射过程所需斯托克斯光的超短脉冲光纤激光器；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，放大后的光作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光束合束器；顺次接收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种子光的参量放大器和倍频器，有选择的对不同波段种子光参量放大和倍频；设置于第一非线性晶体和第二非线性晶体之间的准直聚焦器件以及第二非线性晶体之后的准直器件，工作时所述准直聚焦器件对参量放大波段的种子光响应，准直器件对倍频波段的种子光响应；设置于所述准直器件之后的低通滤波器，滤出相干反斯托克斯拉曼散射过程所需的泵浦光及斯托克斯光，即可得到相干拉曼散射显微的激光光源。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，调整温控炉的温度以实现相位匹配。可选的，所述低通滤波器为低通滤波片或二色镜。本发明还提供一种相干反斯托克斯拉曼散射显微的激光光源的产生方法，包括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，作为种子光； 将超短脉冲光纤激光器的输出光作为泵浦光；将所述种子光和泵浦光一同聚焦至第一非线性晶体，由该第一非线性晶体有选择对种子光需要的波段进行參量放大；将由參量放大后所得的输出脉冲与剩余的泵浦光脉冲ー并聚焦至第二非线性晶体，对參量放大后的输出脉冲进行倍频；将由倍频所得的脉冲与剰余的泵浦光脉冲滤出并准直，即可得到相干反斯托克斯拉曼散射显微系统的激光光源。与现有技术相比，本发明的相干反斯托克斯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參量放大器提供种子光，可巧妙地获得同步脉冲，同时提高了參量过程的转化效率，降低了系统成本及复杂度；通过采用參量放大器及对其输出进行倍频的方案，直接获得空间、时间上重合的激励脉冲，而无需引入额外的空间光路，简化了系统结构、増加了系统稳定性；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參量放大器的泵浦光，系统结构紧凑、成本低廉。
图I为本发明的相干反斯托克斯拉曼散射显微系统的激光光源装置的其中ー个实施例的不意图；图2为不同极化周期下參量放大器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
对本发明作进ー步详细的说明。图I为本发明的相干反斯托克斯拉曼散射显微系统的激光光源装置的其中ー个实施例的示意图。请參看图I，本实施例装置包括超短脉冲光纤激光器1-1，用于产生參量放大器的泵浦光，并提供相干反斯托克斯拉曼散射过程所需斯托克斯光。光束合束器7，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，用于获得參量放大器的种子光。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，放大后的光称为參量放大器的种子光。第一非线性晶体9、第二非线性晶体13，分别用于进行參量放大、倍频。透镜10和11组成准直聚焦器件，用于对第一非线性晶体9參量放大后的种子光进行准直聚焦。
准直透镜14，用于对第二非线性晶体13倍频所得的倍频光及原剩余泵浦光进行准直。低通滤波器15，用于滤除未倍频波段的种子光。在组成具体光路时，本实施例的装置还包括如下器件反射镜1，用于反射光路，改变超短脉冲光纤激光器1-1输出光的方向，以使整个光路更为紧凑，当然也可以不设置该反射镜I。第一二分之一波片2(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，而非表不序数)、第二二分之一波片5,用于调整光偏振态。第一透镜3、第二透镜6，用于对光束进行聚焦。光纤准直器4，用于将掺铒光纤放大器1-3的输出进行准直输出。第一温控炉8和第二温控炉12，用于调整并维持第一非线性晶体9和第二非线性晶体13在恰当的工作温度，以实现相位匹配获得最大转化效率。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。作为参量放大器9的泵浦光，并提供相干反斯托克斯拉曼散射过程所需斯托克斯光。超短脉冲光纤激光器1-1还可以是飞秒激光器或其它波段的皮秒激光器。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4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2和第二二分之一波片5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3和第二透镜6进行聚焦，然后经光束合束器7合束至第一非线性晶体9，该第一非线性晶体9作为参量放大器。其中，所述第一非线性晶体9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8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)。通过透镜10将由参量放大器的输出光进行准直后，采用透镜11将光束聚焦至第二非线性晶体13。所述第二非线性晶体13作为倍频器。所述第二非线性晶体13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)。可获得含有775nm至820nm的脉冲。
将由倍频晶体的输出光采用准直透镜14进行准直，并采用低通滤波器15滤出含有波长775nm至820nm、及波长1040nm的脉冲。其中，所述低通滤波器15为低通滤波片或二色镜。由于第一非线性晶体和第二非线性晶体的极化周期仅对种子光进行参量放大和倍频，而对泵浦光不发生变化，故经低通滤波器15之后的输出光还包括波长为1040nm的脉冲。将含有775nm至820nm的脉冲和波长1040nm的脉冲稱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1-4即可进行CARS显微成像。经信号处理单元1-5后传输至计算机1-6即可对显微成像进行可视化等处理。调谐可调 谐连续光半导体激光器1-2的输出波长(范围1510_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。下面进行举例说明，如欲探测生物样品中油脂的含量(其中CH2键的特征峰在2845cm-1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MgO = PPLN晶体9中极化周期为30. 4um的波导，并设置其温度为120°C，此时参量放大器可消耗1040nm脉冲的能量并获得1605nm脉冲(其中二者的群速度失配为lllfs/mm)。参考图3，选用MgO = PPLN晶体13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。而1040nm脉冲未发生变化(其与倍频光间的群速度失配为164fs/mm，补偿了之前参量放大器中的走离)。将倍频所获得的802. 5nm脉冲与1040nm脉冲采用透镜14准直，并采用低通滤波器15滤出802. 5nm及1040nm的脉冲，即可获得时间、空间重合的同步脉冲，由于油脂的CARS显微成像。可见，本实施例的装置中，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。而且，参量放大器中所剩余的泵浦光脉冲与经参量放大所获得的种子光脉冲一并在倍频晶体中传输时，由于倍频晶体的极化周期或温度仅设置在对种子光脉冲进行倍频，而泵浦光脉冲不发生变化。故泵浦光脉冲与倍频所得的脉冲经历相同的光路，空间上二者重合，而无需调整；此外，参量放大器中泵浦光脉冲与所产生参量放大后种子光脉冲间的走离，可补偿倍频晶体中泵浦光脉冲与所产生倍频后脉冲间的走离，故使得经倍频晶体后脉冲与泵浦光脉冲在时间上近似重合，而无需补偿光程差。综上，本发明的方法中，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；通过采用参量放大器及对其输出进行倍频的方案，直接获得空间、时间上重合的激励脉冲，而无需引入额外的空间光路，简化了系统结构、增加了系统稳定性；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
1.一种相干反斯托克斯拉曼散射显微系统的激光光源装置，其特征在于包括 提供参量放大器泵浦光及相干反斯托克斯拉曼散射过程所需斯托克斯光的超短脉冲光纤激光器； 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，放大后的光作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光束合束器； 顺次接收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种子光的参量放大器和倍频器，有选择的对不同波段种子光参量放大和倍频； 设置于第一非线性晶体和第二非线性晶体之间的准直聚焦器件以及第二非线性晶体之后的准直器件，工作时所述准直聚焦器件对参量放大波段的种子光响应，准直器件对倍频波段的种子光响应； 设置于所述准直器件之后的低通滤波器，滤出相干反斯托克斯拉曼散射过程所需的泵浦光及斯托克斯光，即可得到相干拉曼散射显微的激光光源。
2.如权利要求I所述的相干反斯托克斯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所述的相干反斯托克斯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所述的相干反斯托克斯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。
5.如权利要求I所述的相干反斯托克斯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。
6.根据权利要求I所述的相干反斯托克斯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。
7.如权利要求I所述的相干反斯托克斯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。
8.根据权利要求7所述的相干反斯托克斯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，调整温控炉的温度以实现相位匹配。
9.根据权利要求I所述的相干反斯托克斯拉曼散射显微系统的激光光源装置，其特征在于所述低通滤波器为低通滤波片或二色镜。
10.一种相干反斯托克斯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，作为种子光； 将超短脉冲光纤激光器的输出光作为泵浦光；将所述种子光和泵浦光一同聚焦至第一非线性晶体，由该第一非线性晶体有选择对种子光需要的波段进行参量放大； 将由参量放大后所得的输出脉冲与剩余的泵浦光脉冲一并聚焦至第二非线性晶体，对参量放大后的输出脉冲进行倍频； 将由倍频所得的脉冲与剩余的泵浦光脉冲滤出并准直，即可得到相干反斯托克斯拉曼 散射显微系统的激光光源。
全文摘要
一种相干反斯托克斯拉曼散射显微系统的激光光源装置，包括提供参量放大器泵浦光及相干反斯托克斯拉曼散射过程所需斯托克斯光的超短脉冲光纤激光器；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，放大后的光作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光束合束器；顺次接收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种子光的参量放大器和倍频器；设置于第一非线性晶体和第二非线性晶体之间的准直聚焦器件以及第二非线性晶体之后的准直器件；设置于所述准直器件之后的低通滤波器，滤出相干反斯托克斯拉曼散射过程所需的泵浦光及斯托克斯光。
文档编号G02F1/39GK102629066SQ20121009799
公开日2012年8月8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