CN108711732A - 用于受激拉曼散射的全光纤低重频参量振荡器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于受激拉曼散射的全光纤低重频参量振荡器，泵浦源输出的泵浦光经隔离器和第一光耦合器进入参量振荡腔，第一和第二光耦合器的合波进入增益光纤和参量转换介质，增益光纤将从第一光耦合器进入参量振荡腔的泵浦光功率放大，增益光纤输出光再进入与增益光纤直接熔接的参量转换介质，在参量转换介质中发生四波混频效应，参量转换介质输出光一部分直接输出，另一部分作为反馈光返回第一光耦合器，形成一个参量振荡腔。将光耦合器置于增益光纤之前，使增益光纤与参量转换介质可以直接熔接，避免了在低重频高峰值功率泵浦光下，光耦合器尾纤产生有害的非线性效应，提高了参量转换效率，减小频谱噪声，进而实现全光纤低重频的参量振荡器。

Description

用于受激拉曼散射的全光纤低重频参量振荡器
技术领域
本发明涉及一种激光技术，特别涉及一种用于受激拉曼散射的全光纤低重频参量振荡器。
背景技术
光学显微镜是生命科学领域的重要可视化检测工具，极大的扩展了人们对于生命科学的认识。采用染色标记的荧光显微技术为我们提供了一种更加直接的探测方式，但荧光标记可能引起生物组织或者细胞自身生理特性的改变，甚至会杀死观测样品细胞，因此无标记检测技术成为生命科学检测的一个发展方向。相干反斯托克斯拉曼散射（CARS）成像技术的发展为生物成像带来了新的解决方案，此方案可以在无需标记的情况下，根据物质分子的振动或者转动能级获得反斯托克斯信号，实现了生物的无标记显微成像。
传统的 CARS成像***采用钛蓝宝石激光器搭建，***庞大复杂，成本昂贵，需要专业技术人员定期维护和调整，这使得 CARS 技术局限在恒温、恒湿和超净等条件严苛的实验室中。随着光纤激光技术、半导体技术和光子晶体光纤制造技术的发展，利用光纤的孤子自频移、自相位调制和四波混频等非线性效应产生两束时间同步、空间重合的CARS成像光源的方法成为近年来的研究热点。
随着增益光纤和非线性光纤熔接技术的不断发展，目前可实现单通的全光纤CARS成像光源，但是其谱宽太宽，使得CARS成像光谱分辨率较低，限制了CARS成像的发展。为了克服这个缺点研究人员提出光纤参量振荡器的方法，利用色散滤波效应，获得了窄谱宽的光源，从而提高了CARS成像的光谱分辨率。有研究表明：对于生物细胞，尤其是鞘髓等稠密的细胞，低重频的CARS成像光源引入的伤害较小。但是，传统用于CARS成像的全光纤低重频的参量振荡器是将光耦合器置于增益光纤之后，这种方法导致功率被放大后的泵浦光通过光耦合器尾纤时产生拉曼等非线性效应，使得泵浦光谱变宽，由于一部分泵浦光参与了拉曼效应，因此等效于参与四波混频效应的泵浦光减少，影响了四波混频的转换效率，进而影响了CARS成像的效果。
发明内容
本发明是针对传统相干反斯托克斯拉曼散射（CARS）成像光源存在的问题，提出了一种用于受激拉曼散射的全光纤低重频参量振荡器，改变了传统方法中将光耦合器置于增益光纤与参量转换介质之间的光路布局，将光耦合器置于增益光纤之前，使增益光纤与参量转换介质可以直接熔接，避免了在低重频高峰值功率泵浦光作用下，光耦合器尾纤产生有害的非线性效应，提高了参量转换效率，减小了频谱噪声，进而实现全光纤低重频的参量振荡器，所获得的光源符合用于探测鞘髓等稠密细胞的CARS信号的需求。
本发明的技术方案为：一种用于受激拉曼散射的全光纤低重频参量振荡器，包括泵浦源、隔离器、以及由第一光耦合器，第二光耦合器、半导体激光器、增益光纤、参量转换介质、输出耦合器、固定延时线和可调延时线组成的参量振荡腔；泵浦源输出的泵浦光经隔离器和第一光耦合器进入参量振荡腔，半导体激光器接第二光耦合器的一个输入端，第一光耦合器接第二光耦合器的另一个输入端，第一光耦合器和第二光耦合器的合波进入增益光纤和参量转换介质，半导体激光器是增益光纤的泵浦源，使增益光纤粒子数反转，处于激发态，增益光纤将从第一光耦合器进入参量振荡腔的泵浦光功率放大，增益光纤输出光再进入与增益光纤直接熔接的参量转换介质，泵浦光在参量转换介质中发生四波混频效应，产生一束比泵浦光波长短的信号光，和一束比泵浦光波长长的闲频光，输出耦合器将参量转换介质输出光中一部分光直接输出，另一部分输出光作为反馈光依次通过固定延时线和可调光延时线返回第一光耦合器，形成一个参量振荡腔。
所述第一光耦合器选择光纤结构的波分复用器，将泵浦源产生的激光和反馈光耦合进入参量振荡腔。
所述第二光耦合器选择光纤结构的波分复用器或者合束器，将半导体激光器产生的半导体激光耦合进入增益光纤。
所述将参量转换介质末端平切作为输出耦合器，一部分光从平切末端透射，一部分从平切末端反射回原路；被反射的光在增益光纤处被放大，再经第二光耦合器、第一光耦合器、可调光延时线和固定延时线末端，到固定延时线末端的光再次被反射回参量振荡腔。
所述固定延时线与光纤光栅熔接，实现95%的光反射。
所述反馈光路中的固定延时线采用单模光纤或保偏光纤，长度根据具体泵浦光重复频率计算求得，使反馈光与泵浦光到第一光耦合器时重合。
本发明的有益效果在于：本发明用于受激拉曼散射的全光纤低重频参量振荡器，所有器件都采用光纤器件，并将所有器件通过光纤熔接起来，避免了空间光耦合，利于集成；采用低重频的泵浦源，提高了单脉冲能量，从而降低产生参量转换的阈值。另外，低重频的光源对生物细胞的损伤较低；光耦合器置于增益光纤之前，使增益光纤与参量转换介质可以直接熔接，避免了在低重频高峰值功率泵浦光下，光耦合器尾纤产生有害的非线性效应，提高了参量转换效率，减小频谱噪声；增益光纤对泵浦光功率有放大作用，使得更高功率的泵浦光进到参量转换介质参与四波混频过程，从而提高了参量转换效率；构建的参量转换腔不仅能实现信号光或闲频光的谐振，在精确控制色散及延时的条件下还可以实现泵浦光在参量振荡腔的谐振，从而提高输出功率。
附图说明
图1为本发明用于受激拉曼散射的全光纤低重频参量振荡器原理图；
图2为本发明与传统方法在参量转换介质前后的光谱图对比图；
图3为本发明用于受激拉曼散射的全光纤低重频参量振荡器实施例一结构示意图；
图4为本发明用于受激拉曼散射的全光纤低重频参量振荡器实施例二结构示意图；
图5为本发明用于受激拉曼散射的全光纤低重频参量振荡器实施例三结构示意图；
图6为本发明用于受激拉曼散射的全光纤低重频参量振荡器实施例四结构示意图。
具体实施方式
如图1所示一种用于受激拉曼散射的全光纤低重频参量振荡器原理图，包括泵浦源1、隔离器2、以及由光耦合器3，光耦合器4、半导体激光器5、增益光纤6、参量转换介质7、输出耦合器8及固定延时线9和可调延时线10组成的参量振荡腔。泵浦源1输出端与隔离器2输入端相连接，隔离器2输出端连着光耦合器3输入端之一，光耦合器3接着与光耦合器4输入端之一相连接，光耦合器4的另一输入端连着半导体激光器5，光耦合器4的输出端与增益光纤6相连接，增益光纤6再与参量转换介质7相连接，参量转换介质7连着输出耦合器8，输出耦合器8有两个输出端，它的一端作为CARS成像光源输出端，另一端与固定延时线9相连接，固定延时线9再与可调延时线10相连接，可调延时线10再与光耦合器3的另一输入端相连接，形成反馈。由泵浦源1输出的泵浦光经隔离器2再经光耦合器3和光耦合器4的合波端进入增益光纤6和参量转换介质7。半导体激光器5是增益光纤6的泵浦源，使增益光纤6粒子数反转，处于激发态。增益光纤6将从光耦合器3进入参量振荡腔的泵浦光功率放大，由于增益光纤6之后直接与参量转换介质7熔接，避免了泵浦光在光耦合器尾纤发生非线性效应，使得所有泵浦光只参与四波混频效应，从而降低产生参量转换的阈值。泵浦光在参量转换介质7中发生四波混频效应，产生一束比泵浦光波长短的信号光，一束比泵浦光波长长的闲频光，泵浦光还和反馈的信号光在参量转换介质7中发生参量放大，从而获得CARS成像所需光源。输出耦合器8一端将部分光输出，另一端连着固定延时线9将部分光反馈，反馈光经可调延时线10再经光耦合器3返回参量振荡腔。图2为本发明a和传统b在参量转换介质前后的光谱图对比，图2中a(1)和b(1)为参量转换介质7前的光谱图，图2中a(2)和b(2)为参量转换介质7后的光谱图。从图2中b(1)和b(2)中可以看出传统将光耦合器3置于增益光纤6与参量转换介质7之间的方法，由于光耦合器3尾纤的非线性效应产生了拉曼光谱，经过参量转换介质7后又产生了拉曼光谱对应的反斯托克斯光,这属于有害的非线性效应。本发明如图2中a(1) 和a(2)所示，因为将光耦合器3置于增益光纤6之前，使增益光纤6与参量转换介质7可以直接熔接，避免了在低重频高峰值功率泵浦光下，光耦合器3尾纤产生的有害非线性效应引起的拉曼光谱，提高了参量转换效率，减小了频谱噪声，所获得的光源符合用于探测鞘髓等稠密细胞的CARS的需求。
所述泵浦源1为脉冲激光器。隔离器2为单向通过的光纤结构光隔离器。光耦合器3可选择光纤结构的波分复用器，将泵浦源1产生的激光和反馈光耦合进入参量振荡腔。光耦合器4可选择光纤结构的波分复用器或者合束器，将半导体激光器5产生的半导体激光耦合进入增益光纤6。半导体激光器5为增益光纤6的泵浦源，使增益光纤6粒子数反转，处于激发态。增益光纤6为可将泵浦光功率放大的光纤，如双包层增益光纤或单模增益光纤。参量转换介质7可选用光子晶体光纤，在泵浦光的作用下发生四波混频效应，产生一束比泵浦光波长短的信号光，一束比泵浦光波长长的闲频光，并且将反馈信号光进行参量放大。输出耦合器8可选光纤耦合器，也可直接将参量转换介质7末端平切作为输出耦合器。反馈光路中的固定延时线9可采用单模光纤或保偏光纤，长度根据具体泵浦光重复频率计算求得，目的是使反馈光与泵浦光到光耦合器3时重合。可调延时线10采用光延时器，或者延时电机均可。
如图3所示实施例一结构示意图，增益光纤为双包层增益光纤，参量转换介质为大芯径光子晶体光纤的环形全光纤低重频参量振荡器。
此装置包括作为泵浦源的泵浦激光器，隔离器，以及由波分复用器、两个用于泵浦增益光纤的半导体激光器、合束器、双包层增益光纤、大芯径光子晶体光纤、输出耦合器、固定延时单模光纤和可调光延时器组成的参量振荡腔。泵浦激光器输出端与隔离器输入端相连接，隔离器输出端连着波分复用器输入端之一，波分复用器接着与合束器输入端之一相连接，合束器的另两输入端连着半导体激光器1和半导体激光器2，合束器的输出端与双包层增益光纤相连接，双包层增益光纤再与大芯径光子晶体光纤相连接，大芯径光子晶体光纤连着输出耦合器，输出耦合器有两个输出端，它的一端作为CARS成像光源输出端，另一端与延时单模光纤相连接，延时单模光纤再与可调光延时器相连接，可调光延时器再与波分复用器的另一输入端相连接，形成反馈。
本实施例中作为泵浦源的泵浦激光器输出波长为1030 nm，脉冲宽度为34 ps，重复频率为1 MHz的泵浦光，泵浦光经隔离器和波分复用器进入参量振荡腔。半导体激光器1和半导体激光器2用于泵浦双包层增益光纤，使它粒子数反转，处于激发态。从泵浦激光器出来的泵浦光经过双包层增益光纤后功率被放大，被放大后的泵浦光经过大芯径光子晶体光纤时发生四波混频效应，产生780 nm附近的信号光和1500 nm附近的闲频光。输出耦合器将部分光输出，另一部分通过固定延时单模光纤、可调光延时器和波分复用器反馈，形成一个参量振荡腔。延时单模光纤长度由泵浦源的重复频率通过下面公式：
求得，c为光速，f为泵浦光重复频率，n为延时单模光纤折射率。本实施例计算得到延时单模光纤长度为200米，是为了让反馈的信号光与泵浦光到波分复用器时重合，并与泵浦光在大芯径光子晶体光纤内发生参量放大，从而提高参量转换效率。本实施例可获得转换效率高、低重频、频谱噪声小，如图2中的a（2）的所示的CARS成像光源。
如图4所示实施例二结构示意图，增益光纤为单模增益光纤，参量转换介质为光子晶体光纤的驻波全光纤低重频参量振荡器。
此装置包括作为泵浦源的泵浦激光器，隔离器，以及由波分复用器1、一个用于泵浦增益光纤的半导体激光器、波分复用器2、单模增益光纤、光子晶体光纤、固定延时单模光纤和可调光延时器组成的参量振荡腔。泵浦激光器输出端与隔离器输入端相连接，隔离器输出端连着波分复用器1输入端之一，波分复用器1接着与波分复用器2输入端之一相连接，波分复用器2的另一输入端连着半导体激光器，波分复用器2的输出端与单模增益光纤相连接，单模增益光纤再与光子晶体光纤相连接，光子晶体光纤末端平切作为输出耦合器，波分复用器1的另一输入端与可调光延时器相连接，可调光延时器再与延时单模光纤相连接，延时单模光纤末端平切，可实现4%的光反射。
本实施例中作为泵浦源的泵浦激光器输出波长为1030 nm，脉冲宽度为34 ps，重复频率为1 MHz的泵浦光，泵浦光经隔离器和波分复用器1进入参量振荡腔。半导体激光器用于泵浦单模增益光纤，使它粒子数反转，处于激发态。从泵浦激光器出来的泵浦光经过单模增益光纤后功率被放大，被放大后的泵浦光经过光子晶体光纤时发生四波混频效应，产生780 nm附近的信号光和1500 nm附近的闲频光。光子晶体输出端和延时单模末端平切，泵浦光传输到光子晶体光纤末端时有96%的光透射输出和4%的光反射回原路，被反射的光在单模增益光纤处可被放大，再经波分复用器1、可调光延时器和延时单模光纤传输到延时单模光纤末端，其中有4%的光被反射，从而形成一个驻波全光纤低重频参量振荡器。本实施例利用实施例一的计算方法计算得到延时单模光纤长度为100米，是为了让反馈的信号光与泵浦光到波分复用器时重合，并与泵浦光在光子晶体光纤内发生参量放大，从而提高参量转换效率。本实施例可获得转换效率高、低重频、频谱噪声小，如图2中的a（2）的所示的CARS成像光源。
如图5所示实施例三结构示意图，增益光纤为单模增益光纤，参量转换介质为光子晶体光纤的驻波全光纤低重频参量振荡器。
此装置包括作为泵浦源的泵浦激光器，隔离器，以及由波分复用器1、一个用于泵浦增益光纤的半导体激光器、波分复用器2、单模增益光纤、光子晶体光纤、固定延时单模光纤、可调光延时器和光纤光栅组成的参量振荡腔。泵浦激光器输出端与隔离器输入端相连接，隔离器输出端连着波分复用器1输入端之一，波分复用器1接着与波分复用器2输入端之一相连接，波分复用器2的另一输入端连着半导体激光器，波分复用器2的输出端与单模增益光纤相连接，单模增益光纤再与光子晶体光纤相连接，光子晶体光纤末端平切作为输出耦合器，波分复用器1的另一输入端与可调光延时器相连接，可调光延时器再与延时单模光纤相连接，延时单模光纤与光纤光栅熔接，可实现95%的光反射。
本实施例中作为泵浦源的泵浦激光器输出波长为1030 nm，脉冲宽度为34 ps，重复频率为1 MHz的泵浦光，泵浦光经隔离器和波分复用器1进入参量振荡腔。半导体激光器用于泵浦单模增益光纤，使它粒子数反转，处于激发态。从泵浦激光器出来的泵浦光经过单模增益光纤后功率被放大，被放大后的泵浦光经过光子晶体光纤时发生四波混频效应，产生780 nm附近的信号光和1500 nm附近的闲频光。光子晶体光纤输出端平切，泵浦光传输到光子晶体光纤末端时有96%的光透射输出和4%的光反射回原路，被反射的光在单模增益光纤处可被放大，再经波分复用器1、可调光延时器和延时单模光纤传输到光纤光栅，其中有95%的光被反射，从而形成一个驻波全光纤低重频参量振荡器。本实施例利用实施例一的计算方法计算得到延时单模光纤长度为100米，是为了让反馈的信号光与泵浦光到波分复用器1时重合，并与泵浦光在光子晶体光纤内发生参量放大，从而提高参量转换效率。本实施例可获得转换效率高、低重频、频谱噪声小，如图2中的a（2）的所示的CARS成像光源。
如图6所示实施例四结构示意图，增益光纤为双包层增益光纤，参量转换介质为大芯径光子晶体光纤的驻波参量振荡器。
此装置包括作为泵浦源的泵浦激光器，隔离器，以及由波分复用器、两个用于泵浦增益光纤的半导体激光器、合束器、双包层增益光纤、大芯径光子晶体光纤、固定延时单模光纤、可调光延时器和光纤光栅组成的参量振荡腔。泵浦激光器输出端与隔离器输入端相连接，隔离器输出端连着波分复用器输入端之一，波分复用器接着与合束器输入端之一相连接，合束器的另两输入端连着半导体激光器1和半导体激光器2，合束器的输出端与双包层增益光纤相连接，双包层增益光纤再与大芯径光子晶体光纤相连接，大芯径光子晶体光纤末端平切作为输出耦合器，波分复用器的另一输入端与可调光延时器相连接，可调光延时器再与延时单模光纤相连接，延时单模光纤与光纤光栅熔接，可实现95%的光反射。
本实施例中作为泵浦源的泵浦激光器输出波长为1030 nm，脉冲宽度为34 ps，重复频率为1 MHz的泵浦光，泵浦光经隔离器和波分复用器进入参量振荡腔。半导体激光器1和半导体激光器2用于泵浦双包层增益光纤，使它粒子数反转，处于激发态。从泵浦激光器出来的泵浦光经过双包层增益光纤后功率被放大，被放大后的泵浦光经过大芯径光子晶体光纤时发生四波混频效应，产生780 nm附近的信号光和1500 nm附近的闲频光。大芯径光子晶体光纤输出端平切，泵浦光传输到大芯径光子晶体光纤末端时有96%的光透射输出和4%的光反射回原路，被反射的光在双包层增益光纤处可被放大，再经波分复用器、可调光延时器和延时单模光纤传输到光纤光栅，其中有95%的光被反射，从而形成一个驻波全光纤低重频参量振荡器。本实施例利用实施例一的计算方法计算得到延时单模光纤长度为100米，是为了让反馈的信号光与泵浦光到波分复用器时重合，并与泵浦光在光子晶体光纤内发生参量放大，从而提高参量转换效率。本实施例可获得转换效率高、低重频、频谱噪声小，如图2中的a（2）的所示的CARS成像光源。

Claims (6)

1.一种用于受激拉曼散射的全光纤低重频参量振荡器，其特征在于，包括泵浦源、隔离器、以及由第一光耦合器，第二光耦合器、半导体激光器、增益光纤、参量转换介质、输出耦合器、固定延时线和可调延时线组成的参量振荡腔；泵浦源输出的泵浦光经隔离器和第一光耦合器进入参量振荡腔，半导体激光器接第二光耦合器的一个输入端，第一光耦合器接第二光耦合器的另一个输入端，第一光耦合器和第二光耦合器的合波进入增益光纤和参量转换介质，半导体激光器是增益光纤的泵浦源，使增益光纤粒子数反转，处于激发态，增益光纤将从第一光耦合器进入参量振荡腔的泵浦光功率放大，增益光纤输出光再进入与增益光纤直接熔接的参量转换介质，泵浦光在参量转换介质中发生四波混频效应，产生一束比泵浦光波长短的信号光，和一束比泵浦光波长长的闲频光，输出耦合器将参量转换介质输出光中一部分光直接输出，另一部分输出光作为反馈光依次通过固定延时线和可调光延时线返回第一光耦合器，形成一个参量振荡腔。
2.根据权利要求1所述用于受激拉曼散射的全光纤低重频参量振荡器，其特征在于，所述第一光耦合器选择光纤结构的波分复用器，将泵浦源产生的激光和反馈光耦合进入参量振荡腔。
3.根据权利要求1所述用于受激拉曼散射的全光纤低重频参量振荡器，其特征在于，所述第二光耦合器选择光纤结构的波分复用器或者合束器，将半导体激光器产生的半导体激光耦合进入增益光纤。
4.根据权利要求1至3中任意一项所述用于受激拉曼散射的全光纤低重频参量振荡器，其特征在于，所述将参量转换介质末端平切作为输出耦合器，一部分光从平切末端透射，一部分从平切末端反射回原路；被反射的光在增益光纤处被放大，再经第二光耦合器、第一光耦合器、可调光延时线和固定延时线末端，到固定延时线末端的光再次被反射回参量振荡腔。
5.根据权利要求4所述用于受激拉曼散射的全光纤低重频参量振荡器，其特征在于，所述固定延时线与光纤光栅熔接，实现95%的光反射。
6.根据权利要求4所述用于受激拉曼散射的全光纤低重频参量振荡器，其特征在于，所述反馈光路中的固定延时线采用单模光纤或保偏光纤，长度根据具体泵浦光重复频率计算求得，使反馈光与泵浦光到第一光耦合器时重合。
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