一种高灵敏度全光纤反斯托克斯拉曼探测系统的制作方法
【专利摘要】一种高灵敏度全光纤反斯托克斯拉曼探测系统，光纤激光器的光输出端分别连接第一光纤和第二光纤，第一光纤的出光端通过非线性光纤连接光纤高通滤波器，光纤高通滤波器的斯托克斯光输出端通过第三光纤与所述第二光纤的泵浦光出光端共同连接第四光纤，所述第四光纤的出光端依次通过光纤光栅滤波器、光纤束和凸透镜至样品的入射端，所述样品的光反射端依次通过光纤束和光纤光栅滤波器分别连接第一收集光纤和第二收集光纤，第一收集光纤的出光端连接光信号强度检测单元，第二收集光纤出光端连接光谱信号检测单元。本实用新型可以实现光源与epi-CARS信号探测的全光纤化，从而实现高灵敏度CARS探测系统的简单化、小型化，扩大CARS探测系统的应用范围。
【专利说明】一种高灵敏度全光纤反斯托克斯拉曼探测系统
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及一种全光纤反斯托克斯拉曼探测技术。特别是涉及一种用光纤激光器直接结合非线性光纤产生超连续谱的高灵敏度全光纤反斯托克斯拉曼探测系统
【背景技术】
[0002]随着纳米科学的发展，微纳米尺度的观测表征已经成为纳米尺度研宄的必需技术。例如生物医学领域近年来取得的重大发现基本都是基于对细胞分子等微纳米尺度功能结构的观测、表征，甚至操控。另外，随着飞秒激光共振吸收以及脉冲序列控制等新加工方法的发展，激光微/纳加工的精度越来越高，甚至可以达到纳米尺度，但在微/纳加工的过程中依然缺乏有效的监测手段和诊断技术来实时在线地研宄整个加工过程，对激光与材料的相互作用过程还缺乏了解，这已经严重阻碍了激光微/纳加工过程理论与技术的进一步发展和进步。而微纳米尺度表征发展的主要障碍就是缺乏一种强有力的诊断技术来系统分析单一微纳米结构的特性。
[0003]拉曼散射基于分子特定的振动能级可用于表征识别不同的物质分子，但是自发辐射拉曼散射截面仅为10_3°cm2左右，信号强度非常弱，因此需要研宄各种方法来增强其信号强度，以增强其探测灵敏度。90年代末期，研宄出相干反斯托克斯拉曼散射(CARS)并用于生物成像，这种方法是利用非线性四波混频过程产生信号，其信号灵敏度远高于自发辐射拉曼散射。如图1所示，在CARS过程中，频率为oj^pump光束和频率为ω J^Stokes光束与样品作用，发生四波混频过程。当差频ωρ-ω3与拉曼活性分子振动能级相匹配时，入射光场将激发相干共振振荡，从而产生高频的反斯托克斯信号，信号频率为《as= 2ω ρ-ω3θ
[0004]CARS显微镜已经用于不同振动模式的活体细胞成像，包括磷酸盐拉伸振动(DNA)，氨基化合物I振动(蛋白质)，OH拉伸振动(水)，以及CH团的拉伸振动(油脂)。油脂的信号很强，从而使得单磷脂的双分子层成像成为可能。比如跟踪油脂小滴的生长，细胞内的水扩散，生物组织的动态医学成像。CARS还可以用于双光子聚合以及碳纳米管的表征。
[0005]虽然使用两束同步皮秒(ps)或飞秒(fs)脉冲序列的激光扫描CARS显微镜已经可以实现细胞成像，但是通过调整Stokes光束频率来记录CARS光谱需要的时间很长，这就很难实现微/纳结构的动态跟踪观测。而多波长CARS(M-CARS)可以解决这一问题。多波长CARS使用飞秒(fs)脉冲pump光束(ωρ)和超连续谱的Stokes光束(ω s)，可以快速获得CARS信号光谱。pump光束和Stokes光束都有很宽的光谱范围，可同时激发探测大范围内的拉曼位移。图2a、图2b给出了 M-CARS的能级示意图。
[0006]相干反斯托克斯拉曼散射(CARS)显微镜可以作为微/纳尺度表征的有力工具，分析独立的微/纳结构形貌和化学组分变化，从而探索微/纳结构的关联特性。实现微/纳尺度范围内的观测表征与操控。CARS系统比自发辐射拉曼光谱显微镜的效率高一个量级以上，可以实现低曝光高速度高灵敏度成像分析。而且，与荧光技术相比，CARS不需要外部标定，可以实时观测动态过程。CARS还可以在单光子荧光存在的情况下探测样品3D截面，其穿透深度约为O. 4mm，并使光致损伤实现最小化。从而更好地了解有机生物组织的纳米尺度特性，作为实时无损伤高分辨率的监测表征以及诊断工具，可广泛用于生物学、生物化学、生物医学等领域的研宄。
[0007]但目前的CARS系统基本都是采用体积庞大的固体激光器作为光源，并且需要在自由空间搭建光路以实现光束的传播，整个系统比较复杂，而且体积庞大，光路稳定性差。而利用光纤激光器以及光纤波导可以大大简化CARS系统，而且可以提高系统的稳定性，并实现系统的小型化，同时利用光纤放大技术可以对收集到的CARS信号进行放大，进一步提高系统的探测灵敏度。
【发明内容】
[0008]本实用新型所要解决的技术问题是，提供一种能够实现CARS系统的全光纤化，同时具有光纤信号放大功能的高灵敏度全光纤反斯托克斯拉曼探测系统。
[0009]本实用新型所采用的技术方案是：一种高灵敏度全光纤反斯托克斯拉曼探测系统，包括有光纤激光器，所述的光纤激光器的光输出端分别连接第一光纤和第二光纤，所述的第一光纤的出光端通过非线性光纤连接光纤高通滤波器，所述的光纤高通滤波器的斯托克斯光输出端通过第三光纤与所述第二光纤的泵浦光出光端共同连接第四光纤，所述第四光纤的出光端依次通过光纤光栅滤波器、光纤束和凸透镜至样品的入射端，所述样品的光反射端依次通过光纤束和光纤光栅滤波器分别连接第一收集光纤和第二收集光纤，所述的第一收集光纤的出光端连接光信号强度检测单元，所述的第二收集光纤出光端连接光谱信号检测单元。
[0010]所述的光信号强度检测单元包括有第一光纤放大器和光探测器，所述的第一光纤放大器的光输入端连接所述的第一收集光纤的出光端，所述第一光纤放大器的光输出端通过第一传输光纤连接所述的光探测器。
[0011]所述的光谱信号检测单元包括有第二光纤放大器和光谱仪，所述的第二光纤放大器的光输入端连接所述的第二收集光纤的出光端，所述第二光纤放大器的光输出端通过第二传输光纤连接所述的光谱仪。
[0012]本实用新型的一种高灵敏度全光纤反斯托克斯拉曼探测系统，可以实现光源的全光纤化，可以实现光源与epi-CARS信号探测的全光纤化，可以将光纤束插入被测样本的内部实现光纤内窥式探测，可以实现CARS信号的光纤放大，从而实现高灵敏度CARS探测系统的简单化、小型化，扩大CARS探测系统的应用范围，并降低CARS系统的搭建成本，具有可操作性，使得便携的CARS探测系统成为可能，同时提高系统的稳定性和可靠性。
【专利附图】
【附图说明】
[0013]图I是CARS过程能级不意图；
[0014]图2a是普通M-CARS能级示意图；
[0015]图2b是宽带M-CARS能级示意图；
[0016]图3是本实用新型的整体结构示意图。
[0017]图中
[0018]I :光纤激光器2 :第一光纤
[0019]3 :第二光纤4 :非线性光纤
[0020]5 :光纤高通滤波器6 :第三光纤
[0021]7:第四光纤8:光纤光栅滤波器
[0022]9:光纤束10:凸透镜
[0023]11 :第一收集光纤12 :第二收集光纤
[0024]13 :光信号强度检测单元14 :光谱信号检测单元
[0025]131 :第一传输光纤132 :第一光纤放大器
[0026]133 :光探测器141 :第二传输光纤
[0027]142 :第二光纤放大器143 :光谱仪
【具体实施方式】
[0028]下面结合实施例和附图对本实用新型的一种高灵敏度全光纤反斯托克斯拉曼探测系统做出详细说明。
[0029]本实用新型的一种高灵敏度全光纤反斯托克斯拉曼探测系统，将一段非线性光栅直接与光纤激光器焊接在一起，直接产生超连续谱，作为CARS探测的一路入射光（stokes光），另一路直接使用光纤激光器输出光（pump光），再将两根光纤融合到一起实现pump光与stokes光在空间上的重叠，两束光在时间上的重叠可以通过设计调整某一路的光纤长度或引入脉冲延迟技术实现。然后将两束光通过光纤耦合输出汇聚到所需探测的样品上，并用光纤系统收集样品产生的CARS信号，在用光纤放大器进一步增强CARS信号，从而实现全光纤的CARS探测系统，最后采用光电倍增管或光谱仪实现光信号的读取分析。本实用新型无自由空间耦合，与光纤激光器直接输出的pump光结合，可实现CARS系统光源的全光纤化。采用单向滤波器过滤CARS信号，形成集成光源与探测功能的光纤束，可实现epi-CARS信号的全光纤化探测系统，从而可以将光纤束插入被测样本的内部实现光纤内窥式探测。本实用新型将光纤放大器与探测光纤束连接集成在一起，无自由空间耦合，降低信号损耗的同时对信号进行增益放大。可以得用本实用新型的系统放大不同的探测信号，如epi-CARS信号，F-CARS信号，以及其他系统产生的微弱光信号。
[0030]如图3所示，本实用新型的一种高灵敏度全光纤反斯托克斯拉曼探测系统，具体包括有光纤激光器1，所述的光纤激光器I的光输出端分别连接第一光纤2和第二光纤3，所述的第一光纤2的出光端通过非线性光纤4连接光纤高通滤波器5，所述的光纤高通滤波器5的斯托克斯光输出端通过第三光纤6与所述第二光纤3的泵浦光出光端共同连接第四光纤7，所述第四光纤7的出光端依次通过光纤光栅滤波器8、光纤束9和凸透镜10至样品的入射端，所述样品的光反射端依次通过光纤束9和光纤光栅滤波器8分别连接第一收集光纤11和第二收集光纤12，所述的第一收集光纤11的出光端连接光信号强度检测单元13，所述的第二收集光纤12出光端连接光谱信号检测单元14。
[0031]所述的光信号强度检测单元13包括有第一光纤放大器132和光探测器133，所述的第一光纤放大器132的光输入端连接所述的第一收集光纤11的出光端，所述第一光纤放大器132的光输出端通过第一传输光纤131连接所述的光探测器133。
[0032]所述的光谱信号检测单元14包括有第二光纤放大器142和光谱仪143，所述的第二光纤放大器142的光输入端连接所述的第二收集光纤12的出光端，所述第二光纤放大器142的光输出端通过第二传输光纤141连接所述的光谱仪143。
[0033]本实用新型的一种高灵敏度全光纤反斯托克斯拉曼探测系统，光纤激光器可采用较为成熟的飞秒或皮秒脉冲激光器，可将其输出分成两束光纤，其中一束米用光纤焊接技术与非线性光纤直接焊接在一起，利用高脉冲功率的光纤激光器直接泵浦非线性光纤，从而直接输出超连续谱，然后过滤掉泵浦光与超连续谱的短波长波段，使用长波长波段作为CARS探测的stokes光。另一束由光纤激光器直接输出作为pump光，可根据stokes光路的光程计算光程差，采用合适的光纤长度或直接引入脉冲延迟技术实现stokes光脉冲与pump光脉冲在时间上的重合，再将两束光纤融合或捆绑到一起，实现两束光的空间重合，这样即可实现CARS系统光源部分的全光纤化。CARS信号产生后可分为向前传播的F-CARS信号以及向后传播的epi-CARS信号。F-CARS信号的收集还可采用独立的光纤波导系统，将收集的信号直接传入光电倍增管或光谱仪分析。epi-CARS信号的收集同样可以采用光纤波导系统，并可以将收集光纤与激光源光纤捆绑在一起，形成光纤束。在束端集成光纤光栅滤波器，可以实现光源信号（pump光，stokes光）与epi-CARS信号的隔离。本实用新型可实现CARS光源与探测收集的全光纤化，从而可以将光纤束插入被测样本的内部实现光纤内窥式探测，收集到的CARS信号可以通过一段增益光纤，实现信号放大，从而提高系统的探测灵敏度。
[0034]实施例I :
[0035]如图I所示的系统，光纤激光器可根据所需的峰值功率以及脉冲宽度进行选择，以中心波长为780nm的飞秒（fs)光纤激光器为例，其脉冲宽度为70fs，平均功率200mW。将其分成两路光纤输出，一路直接作为CARS探测的pump光束。另一路输入非线性光纤产生超连续谱，滤除780nm以下波长，作为CARS探测的stokes光束，考虑到滤波器的带宽，实际输出作为stokes光束的波长范围约在790nm以上。如需覆盖到4000波数（基本上所有物质的分子化学键探测均在这个波数范围以内）的拉曼探测区间，则需stokes光束的最大波长达到1150nm左右，也就是说所产生超连续谱的覆盖范围在长波长一侧要达到1150nm以上即可满足CARS系统探测的要求。当然光纤激光器的中心波长可以有多种选择，如I ym，I. 5 μ m，2 μ m等等，只要可以找到能与之相匹配的相关器件即可，如超连续谱光纤，滤波器，光纤放大器，信号探测器等。然后将pump光与stokes光合并为一路，实现两光束的空间重合，两束脉冲的时间重合可以通过不同的光纤长度实现，也可以引入光纤脉冲延迟器实现。在时间和空间上均重合的pump光与stokes光即为CARS探测系统所需的光源，可将其直接聚焦到所需探测的样品上，在同向方向上可利用光纤束收集F-CARS信号，在背向方向上可利用与光源光纤捆绑在一起的光纤束收集到epi-CARS信号。收集到信号的光纤束可直接连接增益光纤，进行信号的光纤放大。最后是收集信号的探测分析过程，可与常用的自由空间CARS系统一致，采用光电探测器或者光谱仪作为信号探测终端。
[0036]利用上述方法可以获得全光纤的CARS探测系统，该系统简单可靠，搭建制造成本低，而且可以实现小型化，满足便携系统的要求，还可利用光纤束实现内窥式的CARS探测，可大大扩展CARS探测的应用范围。
【权利要求】
1.一种高灵敏度全光纤反斯托克斯拉曼探测系统，包括有光纤激光器(I)，其特征在于，所述的光纤激光器(I)的光输出端分别连接第一光纤(2)和第二光纤(3)，所述的第一光纤(2)的出光端通过非线性光纤(4)连接光纤高通滤波器(5)，所述的光纤高通滤波器(5)的斯托克斯光输出端通过第三光纤(6)与所述第二光纤(3)的泵浦光出光端共同连接第四光纤(7)，所述第四光纤(7)的出光端依次通过光纤光栅滤波器(8)、光纤束(9)和凸透镜(10)至样品的入射端，所述样品的光反射端依次通过光纤束(9)和光纤光栅滤波器(8)分别连接第一收集光纤(11)和第二收集光纤(12)，所述的第一收集光纤(11)的出光端连接光信号强度检测单元(13)，所述的第二收集光纤(12)出光端连接光谱信号检测单元(14)ο
2.根据权利要求1所述的一种高灵敏度全光纤反斯托克斯拉曼探测系统，其特征在于，所述的光信号强度检测单元(13)包括有第一光纤放大器(132)和光探测器(133)，所述的第一光纤放大器(132)的光输入端连接所述的第一收集光纤(11)的出光端，所述第一光纤放大器(132)的光输出端通过第一传输光纤(131)连接所述的光探测器(133)。
3.根据权利要求1所述的一种高灵敏度全光纤反斯托克斯拉曼探测系统，其特征在于，所述的光谱信号检测单元(14)包括有第二光纤放大器(142)和光谱仪(143)，所述的第二光纤放大器(142)的光输入端连接所述的第二收集光纤(12)的出光端，所述第二光纤放大器(142)的光输出端通过第二传输光纤(141)连接所述的光谱仪(143)。
【文档编号】G01N21/65GK204228611SQ201420702040
【公开日】2015年3月25日 申请日期:2014年11月20日 优先权日:2014年11月20日
【发明者】史伟, 郭宝山 申请人:天津大学