CN109075523A - 用于生成具有基本上恒定的能量的多色光子束的设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及生成设备(DG)，该生成设备包括：脉冲激光源(SL)，生成在具有时间不对称的脉冲内具有至少一个波长的主光子；成形装置(MM)，控制主光子以生成选择性偏振；聚焦的输入光束(FE)；以及光纤(FO)，其中，主光子激发具有由拉曼转换级联导致的不同波长并且形成具有基本上恒定的能量的宽频谱输出光束(FS)的次级光子。

Description

用于生成具有基本上恒定的能量的多色光子束的设备
技术领域
本发明涉及用于生成光子的多色光束的设备，并且涉及使用这种设备的分析***。
背景技术
在某些领域中，诸如样本(可能是医学样本)分析领域，需要传递具有在大光谱宽度(一般地，几十毫微米至几百毫微米)上基本上连续分布的波长的光子的光束的激光源。这种多色源通常称为连续体。
如本领域中的技术人员所了解的，这些源是基于涉及非线性效应的光和物质相互作用产生。它们通常包括传递具有“主(primary)”波长的“主”光子的至少一个脉冲激光源、以及微结构的光纤，以从主光子(primary photon)产生包括具有多个“次级”波长的次级光子的输出光束。表述“微结构的光纤”在本文中理解为意指通常由其中旨在限制发光功率的定义的微结构的二氧化硅制成的光纤，以增加光和物质的相互作用并且因此改善主波长到大量次级波长的转换。例如，这些微结构可以在光纤中形成与光的传播方向横向布置的布拉格光栅并且能够修改通过光看到的色散关系。
采用微结构的光纤的这种源有利地允许获得具有从近紫外线(或UV)(约350nm)延伸至中红外线(一般地5μm)的光谱宽度的稳定发射。由二氧化硅制成的微结构光纤例如在红外线中限制为2.4μm。
然而，非线性微结构的光纤具有小的核心直径，并且因此在有能量的高限制的情况下，立即达到损坏它们材料的阈值。因此，采用微结构的光纤的这些源不允许获得高输出能量。此外，正常色散域中的微结构的光纤的抽运引起经由受激拉曼效应离散生成转换光谱。最后，异常色散域中的波长的转换以皮秒和纳秒激励方式通过孤子效应控制，该孤子效应引起防止使用的在脉冲的时间分布中的不同位置处生成的输出光束的各种次级波长在时域中区分的光谱图。在这些条件下，不可以在某些应用中使用这些源，诸如，在此外不实现荧光辐射的光谱分析的情况下多重相干反斯托克斯拉曼散射(CARS)。这个多重CARS微波光谱法具体地用在成像领域中以识别和定位样本内的特定化学种类。
发明内容
本发明的目的具体地改善情形。
为此，本发明提供了旨在生成光子的多色光束的设备，并且该设备包括：脉冲激光源，能够传递具有至少一个波长的主光子；形成装置，能够作用于主光子以传递具有所选偏振的聚焦的输入光束；以及光纤，布置为从输入光束产生包括具有多个波长的次级光子的多色输出光束。
这个生成设备的特征在于它的脉冲激光源能够在具有时间不对称性的脉冲中传递主光子，以激发具有拉曼转换级联导致的各种波长并且形成具有基本上恒定地分布的能量的宽频谱输出光子的次级光子。
经由非线性效应创建的每个次级波长然后在抽运脉冲(主光子)的持续时间期间具有特定的到达时间，这允许其具有单延迟的特征。次级光子随着时间的过去的这个分布是通过抽运脉冲中的不对称性加剧的非线性动态响应的结果。
因此，通过使用利用时间不对称脉冲抽运的非微结构的光纤(例如，较大核心的标准光纤(诸如，HI 980光纤))，可以获得其光谱的振幅基本上恒定的能量的光子的连续体。
根据本发明的设备可具有可以单独或结合实现的其他特征，并且具体地：
·脉冲激光源可以传递光纤的每米的能量密度，引起非线性生成根据它们各自的波长随着时间的过去传播的次级光子；
·例如，光纤的每米的能量密度可以高于0.2kW/μm2/m；
·该设备可包括滤波装置，该滤波装置安装在光纤的下游并且能够仅将具有包括在预定义区间中的波长的次级光子通过，以采用等于随着时间的过去传播的差异的持续时间的脉冲的形式传递过滤的输出光束；
·该设备在光纤和形成装置之间可包括去对称性装置，该去对称性装置能够增加输入光束的时间不对称性；
·光纤可以单模光纤或者实际上是多模光纤；
·脉冲激光源可以能够在具有包括在几百纳秒和几十纳秒之间的持续时间的脉冲中传递主光子；
·该设备可包括共振腔，该共振腔包括能够接收输入光束的二向色入射镜以及能够传递输出光束的出射镜；
·光纤可以掺杂有稀土离子。在这种情况下，该设备还可以包括辅助激光源，该辅助激光源能够将旨在与稀土离子相互作用的辅助光子注入到光纤中以引起主光子的放大，以允许增加次级光子的转换；
·作为变形例，光纤可以掺杂有能够使光纤中的非线性效应加剧的离子，以引起增加次级光子的转换。
本发明还提供了样本分析***，该样本分析***包括以上提出的类型的至少一个生成设备并且能够传递用于分析样本的多色输出光束。
例如，这种***可以能够使用多重相干反斯托克斯拉曼散射(或CARS)分析样本。在这种情况下，这个***还可以包括时间检测器。
附图说明
关于读取以下仅以举例的方式给出的说明并参考附图将更好地理解本发明，在附图中：
图1示意性地和功能上地示出了根据本发明的生成设备的第一实施方式；
图2经由曲线示意性地示出了根据本发明的一个实施方式的生成设备的输出光束的功率(单位为dB的P)根据波长(单位为nm的λ)的变化的实例；
图3经由曲线示意性地示出了根据本发明的一个实施方式的生成设备的输出光束的功率和时域和波长域的变化的实例；
图4示意性地和功能上地示出了根据本发明的生成设备的第二实施方式。
图5示意性地和功能上地示出了根据本发明的生成设备的第三实施方式；以及
图6示意性地和功能上地示出了根据本发明的生成设备的第四实施方式。
具体实施方式
具体地，本发明的目的是提供旨在生成光子FS的多色光束并且其能够(或功率)基本上恒定地分布的设备DG。
以下通过非限制性的实例的方式，生成设备TG被认为旨在形成样本分析***的一部分(可选地，用于分析医学样本)。然而，本发明不限于这种类型的***。具体地，本发明涉及要求包括能够生成光子的多色光束并且其能量(或功率)基本上恒定的至少一个设备的任意***。
此外，通过非限制性实例的方式，以下将认为分析***能够使用多重相干反斯托克斯拉曼散射(或多重CARS微波光谱法)分析样本。这种样本例如可以是血样。然而，本发明不限于这种类型的分析。
总体上，本发明涉及许多领域，并且具体地，涉及生物光子(并且具体地，细胞诊断)、相干层析成像技术、流式细胞术、远程化学元素筛查(例如，用于机场安检)、个体检查(例如，在医学领域中)、***物检测和细菌检测。
图1和图4至图6示意性地示出了根据本发明的生成设备DG的四个非限制性实施方式。
如示出的，(生成)设备DG包括至少一个脉冲激光源SL、形成装置MM和缺少微结构的光纤FO。
脉冲激光源(或泵激光器)SL能够传递具有以下称为“主波长”的波长的所谓的“主”光子。根据应用要求并且因此根据理想的光谱带选择这个主(或泵)波长。因此，将可能属于红外线(或IR)域、属于可见域或者属于紫外(或UV)域。这些主光子还可以属于一个或多个域，诸如，红外波长及其第二谐波。
此外，脉冲激光源SL能够在具有时间不对称性的脉冲中传递主光子。这个时间不对称性的优点将返回至以下。
例如，这个脉冲激光源SL可以提供高峰值功率。在这种情况下，例如，将可能包括利用从10ps至10ns的范围内的脉冲产生1064nm的光子的Nd：YAG激光器的问题。
这个时间不对称性可以借助于被引入激光源SL的激光腔的饱和吸收体并且借助于这个激光腔中的激光增益的变化的动态响应获得。脉冲的上升沿通过激光增益和吸收体的饱和速度进行设置，然而下降沿通过激光增益的损耗的动态响应和饱和吸收体的再开进行控制。因为饱和的动态响应和再开是不同的，因此获得不对称的脉冲。
形成装置MM能够作用于主光子以传递具有选择的偏振的聚焦的输入光束FE。这个偏振(或者领域的振荡方向)通过激光源SL进行设置。可以利用激光源SL的激光腔的外部上的半波片或四分之一波片进行转变或者修改以促进某些非线性效应。因此相对于光纤FO的偏振的方位/修改允许(适度)修改最终的光谱。
例如，并且如示出的，这些形成装置MM在相对于主光子的传播方向的脉冲激光源SL的下游可包括能够在主光子上产生选择的偏振的至少一个波片LP以及能够将主光子聚焦在光纤FO的入口上的聚焦透镜LF。应注意，波片LP可以放置在聚焦透镜LF之后。例如，并且基于通过激光源SL传递的初始偏振，由波片LP产生的偏振可以是圆形的、椭圆形的或线性的。
光纤FO能够接收输入光束FE并且被布置为从输入光束FE产生包括被称为具有多个波长的“次级”光子的多色输出光束FS。例如，并且如非限制性示出的，光纤FO的入口端可以固定地紧固至经由入口接收聚焦的输入光束FE的耦接装置MC。这些耦接装置MC例如可以采取更确切地利用将聚焦的输入光束FE重新聚焦到光纤FO入口端的核心中来分配的微透镜耦合器的形式。这个光纤FO优选地是标准类型，以具有比非线性微结构光纤更大的核心。例如，可以由二氧化硅制成或者诸如碲化物、硫族化物或含氟玻璃的另一个材料制成，并且可以可选地进行掺杂。例如，可以是HI 980或HI 1060光纤。
应注意，为了获得以下描述的效应，必须将(激光源SL的)泵波长和通过设备DG生成的大部分输出光谱处于正常色散方式。具体地，在反常色散方式中，孤子效应混淆光谱时间分布。
通过脉冲激光源SL传递的脉冲的时间不对称性能够在光纤FO中激发具有从拉曼转换级联导致的各种波长并且形成具有基本上恒定地分布的能量的宽频谱输出光束FS的所谓的“次级”光子。
每个波长然后具有允许其通过初始激光脉冲内的单个时间延迟识别的到达时间。
在传播期间，光纤FO的核心中的主光子和次级光子的传播以及这些主光子和次级光子通过拉曼转换为各种斯托克斯波的“复制”驱使均匀加宽斯托克斯谱线的光谱，因此允许在广泛的波长范围上平衡再分布能量并且因此不管输出光束FS的次级光子的波长而获得基本上恒定的能量。换言之，生成设备DG是(超)平坦光谱的多色激光源。
图2示出了生成设备DG的输出光束FS的能量(单位为dB)根据波长λ(单位为nm)的变化的实例。如可以看出，在此获得在能量域中是特别平坦的频率，并且因此非常适合于许多应用，并且具体地，适合于多重CARS微波光谱法。
图3示出了生成设备DG的输出光束的能量在时域(单位为ns)中和在波长域(单位为nm)中的变化的实例。这个实例示出了允许它们通过单个时间延迟识别的输出光束FS的波长的时间传播。如可以看出，在抽运脉冲(主光子)的持续时间期间获得次级光子的光谱时间分布。
应注意，脉冲激光源SL可以能够在光纤FO的引起非线性生成根据它们各自的波长随着时间的过去传播的次级光子的每米的能量密度的脉冲中传递主光子。因此，在光谱时间曲线中获得不对称性。
在这种情况下，在过饱和状态下的非线性拉曼效应的损耗的动态响应允许获得与在现有技术的微结构的光纤设备中获得的基本不同的光谱时间发射分布。具体地，可以通过不同的出现时间识别光谱的每个波长。具有根据次级光子的各个波长传播的次级光子生成延迟允许借助于包括例如光电二极管和示波镜的时间检测器执行光谱分析。这个随着时间的过去的传播起源于在通过激光源SL传递的抽运脉冲的持续时间期间的过饱和状态下的拉曼转换。
例如，允许控制光谱的分布的光纤FL的这个每米的能量密度可以选择为高于0.2kW/μm2/m用于约1ns的持续时间的脉冲。优选地，甚至优选的是选择其高于0.3kW/μm2/m。具体地，这种能量密度允许引起有利于获得随着时间的过去波长传播的超平坦的光谱的拉曼效应的饱和度。应注意，这个传播时间不超过初始抽运脉冲的总持续时间。
这个随着时间的过去的传播可以有利地允许生成设备DG采用所选择的和可变的持续时间的脉冲的形式传递输出光束FS。具体地，通过在其光纤FO的下游添加能够仅让具有包括在预定义区间中的波长的次级光子通过的滤波装置，它可以采用脉冲的形式传递过滤的输出光束FS，该脉冲的持续时间等于次级光子的随着时间的过去的传播的差异，该次级光子的波长等于这个区间的限制。因此可以根据应用要求获得约为纳秒或约为皮秒或甚至约为飞秒的脉冲。
还应注意，如图4的第二实例中非限制性示出的，生成设备DG在它的光纤FO和它的形成装置MM之间还可以包括去对称性(有源或无源)装置MD，它能够增加输入光束FE的时间不对称性。具体地，这允许增加随着时间的过去的传播。
例如，这些去对称性装置MD可以称为“饱和吸收”装置或“反饱和吸收”装置。具体地，然后上升沿取决于饱和吸收体(或反吸收体)的饱和度，然而下降沿取决于饱和吸收体(或反吸收体)至平衡状态的返回。换言之，饱和吸收体(或反吸收体)在其打开和关闭期间的不同行为引起每个脉冲的时间分布的不对称性。
还应注意，光纤FO优选地是单模光纤。然而，在一个变形的实施方式中，可以是多模光纤(具体地，为了允许更多电力通过)。
还应注意，脉冲激光源SL可以能够在具有包括在几百纳秒和几十纳秒之间的持续时间的脉冲中传递主光子。至于较短的持续时间，色散效应变成阻碍，并且至于较长的持续时间，变得难以获得具有高峰值功率的脉冲。
还应注意，如图5的第三实例中非限制性示出的，生成设备DG还可以包括容纳其光纤FO的共振腔CR。这个共振腔CR允许能够引起非线性转换放大的次级光子振荡。这个腔优选地使用长的主脉冲。这种共振腔CR一方面可包括能够接收输入光束FE并且例如光纤FO的入口固定地紧固至的二向色入射镜ME，并且另一方面可包括例如光纤FO出口被固定地紧固至此并且能够传递出射光束FS的出射镜MS。
还应注意，光纤FO可掺杂有稀土离子。在这种情况下，并且如图6的第四实例中非限制性示出的，生成设备DG还可以包括辅助激光源SLA，该辅助激光源能够将旨在与稀土离子相互作用的辅助光子注入到光纤FO中，以引起光子的生成的放大，该主光子的放大然后允许增加次级光子的转换。例如，辅助激光源SLA的发射波长可以等于镱(Yb)和铒(Er)离子的980nm，或者等于铵(Nd)离子的808nm。
光纤中的主光子的放大还可以通过以不同方式放大脉冲的上升沿和下降沿来增加或减少主脉冲的不对称性。该机构取决于通过脉冲的各部分造成的不同的激光增益饱和。
作为变形例，光纤FO可以掺杂有能够使其中的非线性效应加剧的离子，以引起增加次级光子的转换。这些离子例如可以是锗离子。
本发明具有几个优势，其中：
·使得能够获得具有高光谱功率密度的(超)连续体，因为使用的光纤的核心的横截面远远大于非线性微结构的光纤核心的横截面；
·允许解决基于微结构光纤的(超)连续源中的能量波动的问题；
·允许改善宽带发射的相干性，相干性通常通过基于微结构光纤的(超)连续源中的孤子传播恶化；
·允许使用比具有横向周期性结构的光纤更便宜的光纤；以及
·允许获得特定的光谱时间分布。
在附图和前述说明中详细示出和描述了本发明。后者必须认为是说明性的并且以实例的方式给出，并且不将本发明仅局限于这个说明。可以存在许多变形实施方式。

Claims (13)

1.一种用于生成光子的多色光束的设备(DG)，所述设备(DG)包括：脉冲激光源(SL)，能够传递具有波长的主光子；形成装置(MM)，能够作用于所述主光子以传递具有选择的偏振的聚焦的输入光束；以及光纤(FO)，布置为从所述输入光束产生包括具有多个波长的次级光子的多色输出光束，其特征在于，所述脉冲激光源(SL)能够在具有时间不对称性的脉冲中传递所述主光子，以激发具有由拉曼转换级联导致的各种波长并且形成具有基本上恒定地分布的能量的宽频谱输出光束的次级光子。
2.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述脉冲激光源(SL)能够传递诱发根据所述次级光子的各自的波长而随着时间的过去传播的所述次级光子的非线性生成的光纤(FO)的每米的能量密度。
3.根据权利要求2所述的设备，其特征在于，光纤(FO)的每米的所述能量密度高于0.2kW/μm2/m。
4.根据权利要求2和3中任一项所述的设备，其特征在于，所述设备包括滤波装置，所述滤波装置安装在所述光纤(FO)的下游并且能够仅使具有包括在预定区间中的波长的次级光子通过，以传递过滤的输出光束，所述过滤的输出光束的形式是等于它们在随着时间的过去传播的不同的持续时间的脉冲。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的设备，其特征在于，所述设备在所述光纤(FO)和所述形成装置(MSM)之间包括去对称性装置(MD)，所述去对称性装置(MD)能够增加所述输入光束的所述时间不对称性。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的设备，其特征在于，所述光纤(FO)是单模光纤。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的设备，其特征在于，所述脉冲激光源(SL)能够在具有包括在几百纳秒和几十纳秒之间的持续时间的脉冲中传递所述主光子。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的设备，其特征在于，所述设备包括共振腔(CR)，所述共振腔(CR)包括：i)二向色入射镜(ME)，所述二向色入射镜(ME)能够接收所述输入光束，并且所述光纤(FO)的入口固定地紧固至所述二向色入射镜(ME)；以及ii)出射镜(MS)，所述出射镜(MS)能够传递所述输出光束。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的设备，其特征在于，所述光纤(FO)掺杂有稀土离子，并且其特征在于，所述设备包括辅助激光源(SLA)，所述辅助激光源(SLA)能够将旨在与所述稀土离子相互作用以激发所述主光子的生成的放大的辅助光子注入所述光纤(FO)中，以允许增加次级光子的转换。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的设备，其特征在于，所述光纤(FO)掺杂有能够使所述光纤(FO)中的非线性效应加剧的离子，以引起增加所述次级光子的转换。
11.一种样本分析***，其特征在于，所述样本分析***包括根据前述权利要求中任一项所述的至少一个生成设备(DG)，所述生成设备能够传递用于分析所述样本的多色输出光束。
12.根据权利要求11所述的***，其特征在于，所述***能够通过多重相干反斯托克斯拉曼散射执行所述样本的分析。
13.根据权利要求12所述的***，其特征在于，所述***包括时间检测器。
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