CN109038204B - 基于光子晶体光纤的受激拉曼散射成像光源 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于光子晶体光纤的受激拉曼散射成像光源，激光振荡器输出的种子光经过预放大模块进行放大后输出，直接进入参量振荡结构；放大后的泵光从光耦合器进入参量振荡结构，由光子晶体光纤构成的参量转换模块中经光子晶体光纤发生非线性效应产生斯托克斯光，参量转换模块输出经过光分束器，将光束分成两路，一路直接输出，另一路反馈进入重频调谐模块和时间延时模块，改变参与反馈振荡的斯托克斯光的重复频率，提供与泵光同步但不同重频的斯托克斯光再次经过光耦合器耦合进入参量振荡结构,满足了受激拉曼散射成像光源的需求。实现了一套装置中斯托克斯光与泵光同步但不同重频。

Description

基于光子晶体光纤的受激拉曼散射成像光源

技术领域

本发明涉及一种成像光源，特别涉及一种基于光子晶体光纤的受激拉曼散射成像光源。

背景技术

相干拉曼散射（Coherent Raman Scattering, CRS）成像技术由于具有无标记、非侵入性、无损伤和化学特异性的特征，利用化学键振动作为成像对比度，被广泛应用于生物学和医学领域。实现CRS成像包含两种方式，相干反斯托克斯拉曼散射（Coherent Anti-Stokes Raman Scattering, CARS）和受激拉曼散射（Stimulated Raman Scattering,SRS）。其中CARS成像技术由于其非共振背景噪声的存在使产生的CARS扫描信号的峰值在频域上发生迁移，与拉曼信号无法完全对应，这会影响物质成分分析的准确性，降低了成像的灵敏度。而SRS技术无非共振背景噪声，其光谱信息与自发拉曼光谱完全一致，因此获得的成像信息更准确，并且SRS 信号和分子浓度呈正比例的关系，可以根据SRS信号对分子浓度进行定量分析。

SRS技术需要在强背景光下测量相对很弱的受激拉曼增益（Stimulated RamanGain, SRG）和受激拉曼损耗（Stimulated Raman Loss, SRL），因此需要对泵光和斯托克斯光的其中之一进行射频调制。SRL信号和SRG具有反对称性，当调制光出现时，被检测光在SRG中被增强，在SRL中被减弱，输出与泵光同波长与斯托克斯光同重频的脉冲包络，再通过解调技术将SRG提取出来。

目前实现受激拉曼散射成像光源常用的方法有两种：一种是受激拉曼散射成像光源需要两台中心波长不同的激光器，通过复杂的电子反馈电路将两信号调至同步，再对其中一束光加入重频调制；另一种是采用固体激光器和参量振荡技术相结合，对泵光和斯托克斯光的其中一束进行调制，实现两束光同步但不同重频，再对两束光进行光路控制，实现空间重叠。第一种方法***结构复杂，两台激光器造价昂贵，很大程度上增加了成本；第二种方法采用固体激光器不仅受环境影响大，光束不稳定，而且调制光束所需的阈值高，还需要专业人员定期维护。因此，有必要提出新的方案解决以上问题。

发明内容

本发明是针对受激拉曼散射成像光源存在的问题，提出了一种基于光子晶体光纤的受激拉曼散射成像光源，利用重频调谐模块，为受激拉曼散射成像光源提供与泵光重复频率不同的斯托克斯光，满足了受激拉曼散射的发生条件；同时应用光学参量振荡结构输出时间和空间上均同步的泵光和斯托克斯光，实现窄带的受激拉曼散射成像光源。

本发明的技术方案为：一种基于光子晶体光纤的受激拉曼散射成像光源，包括激光振荡器、预放大模块、光耦合器、主放大模块、参量转换模块、分束器、重频调谐模块和时间延时模块；激光振荡器输出的种子光经过预放大模块进行提高平均功率后输出，直接进入带主动放大模块的参量振荡结构或经过主动放大模块再进入无主动放大模块的参量振荡结构；带主动放大模块的参量振荡结构包括闭合依次连接的光耦合器、主放大模块、参量转换模块、分束器、重频调谐模块和时间延时模块；无主动放大模块的参量振荡结构包括闭合依次连接的光耦合器、参量转换模块、分束器、重频调谐模块和时间延时模块；放大后的泵光从光耦合器进入参量振荡结构，由光子晶体光纤构成的参量转换模块中经光子晶体光纤发生非线性效应产生斯托克斯光，参量转换模块输出经过光分束器，将光束分成两路，一路直接输出，另一路反馈进入重频调谐模块和时间延时模块，改变参与反馈振荡的斯托克斯光的重复频率，提供与泵光同步但不同重频的斯托克斯光再次经过光耦合器耦合进入参量振荡结构,满足了受激拉曼散射成像光源的需求。

所述光耦合器采用光纤波分复用器或二向色镜，将反馈信号和泵光耦合到同一参量振荡腔内，完成参量振荡反馈。

所述由光子晶体光纤构成的参量转换模块，使泵光在光子晶体光纤中发生非线性参量转换，产生受激拉曼散射所需的斯托克斯光，也为参量振荡提供增益介质，提高斯托克斯光的功率同时压缩了斯托克斯光的谱宽。

所述重频调谐模块选择声光调制器或电光调制器，实现参与参量振荡的斯托克斯光重复频率的可调谐，使光源输出斯托克斯光和泵光同步但不同重频的双脉冲。

所述时间延时模块，通过调节延时使斯托克斯光和泵光在时间和空间上均重合，实现斯托克斯光功率的放大和其谱宽的压缩。

本发明的有益效果在于：本发明基于光子晶体光纤的受激拉曼散射成像光源，重频调谐模块的应用，实现了一套装置中斯托克斯光与泵光同步但不同重频，解决了传统技术两台激光器同步且调制的难题，使装置结构简单，操作便利；同步的受激拉曼散射成像光源解决传统方法中采用两台激光器才能实现不同中心波长激光输出的成本问题，仅用一套参量振荡器即可实现光源的需求；反馈腔的结构使输出的斯托克斯光在色散滤波的效应下实现了窄带光谱的输出，用于受激拉曼散射成像，使光源成像的光谱分辨率高，检测结果可靠性好；该发明将光学参量振荡结构应用于受激拉曼散射成像光源，实现斯托克斯光功率放大，提高了斯托克斯光的信噪比及输出功率，提高了物质分析的探测灵敏度；光纤技术的应用使该激光源相对于固体激光器具有易集成、光束质量好、激光信号稳定、易于维护以及性价比高的优势。

附图说明

图1为本发明基于光子晶体光纤的受激拉曼散射成像光源模块构造框架图；

图2为本发明基于光子晶体光纤的受激拉曼散射成像光源实施例一结构图；

图3为本发明基于光子晶体光纤的受激拉曼散射成像光源实施例二结构图；

图4为本发明基于光子晶体光纤的受激拉曼散射成像光源实施例三结构图。

具体实施方式

如图1所示基于光子晶体光纤的受激拉曼散射成像光源模块构造框架图，

激光振荡器通过主动或者被动锁模方式实现脉冲种子光的输出，输出的种子光经过预放大模块，平均功率得到提高。预放大模块的输出端有两种连接方式：一种是预放大模块先连接光耦合器，后连接主放大模块，对种子光功率再次放大，即主放在参量振荡结构内；另一种为预放大模块先连接主放大模块，后顺次连接光耦合器，即主放在参量振荡结构外。以上所述模块的输出端依次连接由光子晶体光纤构成的参量转换模块，在该模块中，泵光经光子晶体光纤发生非线性效应产生斯托克斯光。参量转换模块输出连接到光分束器，将光束分成两路：一路作为该光源的输出端，用于受激拉曼散射成像或实时检测；另一路顺次连接重频调谐模块，该模块通过声光调制器或电光调制器改变参与反馈振荡的斯托克斯光的重复频率，提供与泵光同步但不同重频的斯托克斯光,满足了受激拉曼散射成像光源的需求。重频调谐模块输出连接时间延时模块，通过调节延时，使斯托克斯光与泵光满足相位匹配条件。时间延时模块输出端连接到光耦合器中完成参量反馈。该发明中，参量振荡结构的应用不仅对斯托克斯光功率进行放大，并且对其谱宽进行了压缩，从而实现了一种同步的窄带受激拉曼散射成像光源。参量转换模块的一路输出端是该光源的输出端。

图2为基于光子晶体光纤的受激拉曼散射成像光源实施例一，其具体实施过程如下：

该发明受激拉曼散射（SRS）成像光源的振荡器采用半导体可饱和吸收镜SESAM被动锁模方式，振荡器腔元件依次包含：SESAM、波分复用器WDM、增益介质Gain、光纤布拉格光栅FBG。振荡器输出端连接用于放大种子光功率的预放大模块（WDM+Gain），由隔离器ISO将振荡器与预放大模块隔开以防回返光打坏腔元件；预放大模块的输出端连接由WDM构成的光耦合器，用于耦合泵光和反馈的斯托克斯光；WDM顺次连接由非保偏增益光纤Non-PMGain 构成的主放大模块，实现种子光功率的再次放大，满足了参量转换和参量振荡的需求；主放输出端连接光子晶体光纤PCF，由于主放增益采用非保偏光纤，因此在主放末端即未进入PCF的位置加入偏振控制器PC，调节泵光偏振态，则某一特定偏振态泵光会进入PCF中，发生四波混频，产生受激拉曼散射成像所需的斯托克斯光；PCF输出端连接到由二分一拨片和偏振分束器PBS构成的分束器模块，PBS将光束分成两部分，一部分作为光源的输出端，另一部分连接由声光调制器AOM构成的重频调谐模块，实现参与参量振荡的斯托克斯光重频的可调谐；AOM输出光通过延时光纤Delay fiber，再进入延时电机Delay stage，延时光纤和延时电机共同构成时间延时模块，改变延时光纤的长度或调节延时电机的距离可实现斯托克斯光和泵光的相位匹配；最后斯托克斯光输出到WDM中完成参量反馈。该实施例采用全光纤结构的参量振荡***，实现了基于光子晶体光纤的同步窄带受激拉曼散射成像光源。

图3为基于光子晶体光纤的受激拉曼散射成像光源实施例二结构图，其具体实施过程如下：

该发明SRS成像光源的振荡器采用非线性偏振旋转（NPR）被动锁模方式，振荡器腔元件包含依次闭环连接的： WDM、Gain、PC、隔离器ISO、PC、输出耦合器OC。振荡器输出端连接用于放大种子光功率的预放大模块，由ISO将振荡器与预放大模块隔开以防回返光打坏腔元件；预放大模块的输出端连接由WDM构成的光耦合器，用于耦合泵光和反馈的斯托克斯光；光耦合器输出连接由保偏增益光纤PM Gain构成的主放大模块，实现种子光功率的再次放大，满足了参量转换和参量振荡的需求；主放输出端依次连接PCF，泵光在PCF中发生四波混频，产生受激拉曼散射成像所需的斯托克斯光；PCF输出端连接到由二分一拨片和PBS构成的分束器模块，PBS将光束分成两部分，一部分作为光源的输出端，另一部分连接由电光调制器EOM构成的重频调谐模块，实现斯托克斯光重频的可调谐；EOM输出光通过延时光纤Delay fiber，再进入延时电机Delay stage，延时光纤和延时电机共同构成时间延时模块，改变延时光纤的长度或延时电机的距离，实现斯托克斯光和泵光的相位匹配；最后斯托克斯光输出到WDM中完成参量反馈。该实施例采用全光纤结构的参量振荡***，实现了基于光子晶体光纤的同步窄带受激拉曼散射成像光源。

图4为基于光子晶体光纤的受激拉曼散射成像光源实施例三结构图，其具体实施过程如下：

该发明受激拉曼散射成像光源的振荡器采用8字腔结构的非线性放大环形镜（NALM）被动锁模方式，振荡器腔元件包含由输出耦合器OC连接两个闭合腔，第一个闭合腔包含依次闭环连接的： WDM、带通滤波器BP、OC、ISO、Gain；第二个闭合腔包含依次闭环连接的：WDM、Gain、WDM、色散补偿光纤（DCF），振荡器第一个闭合腔的输出耦合器OC输出种子光。振荡器输出端连接用于放大种子光功率的预放大模块，由ISO将两模块隔开以防回返光打坏腔元件；预放大模块的输出端通过聚焦透镜将种子光耦合进由保偏增益光纤构成的空间结构的主放大模块，在主放大模块后放置一个高透980 nm高反泵光的二向色镜（DM），980nm的连续光从反向输入，实现种子光功率的再次放大，满足了参量转换和参量振荡的需求，其中主放和预放两模块间放入一个空间隔离器，以防主放的回返光打坏预放和振荡器；之后通过反射镜和聚焦透镜将泵光耦合进PCF中，发生四波混频，产生受激拉曼散射成像所需的斯托克斯光；所述反射镜和聚焦透镜之间放置一个高透泵光高反斯托克斯光的DM，用于耦合泵光和反馈的斯托克斯光，PCF输出端连接到由二分一拨片和偏振分束器（PBS）构成的分束器模块，PBS将光束分成两部分，一部分作为光源的输出端，另一部分连接由空间电光调制器（EOM）构成的重频调谐模块，实现斯托克斯光重频的可调谐；EOM输出光通过聚焦透镜耦合到延时光纤，再进入延时电机，延时光纤和延时电机共同构成时间延时模块，改变延时光纤的长度、延时电机的距离以及DM的角度，使斯托克斯光和泵光在时间和空间上均同步，从而实现斯托克斯光和泵光的相位匹配；最后斯托克斯光通过高反镜反射到DM，最终完成参量反馈。该实施例采用空间结构的参量振荡***，实现了基于光子晶体光纤的同步窄带受激拉曼散射成像光源。

Claims (3)

1.一种基于光子晶体光纤的受激拉曼散射成像光源，其特征在于，包括激光振荡器、预放大模块、光耦合器、主放大模块、参量转换模块、分束器、重频调谐模块和时间延时模块；激光振荡器输出的种子光经过预放大模块进行提高平均功率后输出，直接进入带主动放大模块的全光纤结构参量振荡结构或经过主动放大模块再进入无主动放大模块的全光纤结构参量振荡结构；带主动放大模块的全光纤结构参量振荡结构包括闭合依次连接的光耦合器、主放大模块、参量转换模块、分束器、重频调谐模块和时间延时模块；无主动放大模块的全光纤结构参量振荡结构包括闭合依次连接的光耦合器、参量转换模块、分束器、重频调谐模块和时间延时模块；放大后的泵光从光耦合器进入全光纤结构参量振荡结构，由光子晶体光纤构成的参量转换模块中经光子晶体光纤发生非线性效应产生斯托克斯光，参量转换模块输出经过光分束器，将光束分成两路，一路直接输出，另一路反馈进入重频调谐模块和时间延时模块，改变参与反馈振荡的斯托克斯光的重复频率，提供与泵光同步但不同重频的斯托克斯光再次经过光耦合器耦合进入全光纤结构参量振荡结构,满足了受激拉曼散射成像光源的需求。

2.根据权利要求1所述基于光子晶体光纤的受激拉曼散射成像光源，其特征在于，所述由光子晶体光纤构成的参量转换模块，使泵光在光子晶体光纤中发生非线性参量转换，产生受激拉曼散射所需的斯托克斯光，也为参量振荡提供增益介质，提高斯托克斯光的功率同时压缩了斯托克斯光的谱宽。

3.根据权利要求2所述基于光子晶体光纤的受激拉曼散射成像光源，其特征在于，所述时间延时模块，通过调节延时使斯托克斯光和泵光在时间和空间上均重合，实现斯托克斯光功率的放大和其谱宽的压缩。

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