CN110687093B - 一种基于束缚态光孤子的双频cars测量装置和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于束缚态光孤子的双频CARS测量装置和方法，该装置至少包括依序连接的飞秒激光器(1)、超短脉冲分束调节部分、斯托克斯光脉冲产生及传输光路、泵浦光传输光路、合束镜(15)和CARS显微成像***(16)；基于超短脉冲在高非线性光子晶体光纤中传输时的孤子自频移效应和双折射效应，产生时域重叠而波长分离的束缚态光孤子。该束缚态光孤子用作CARS***的斯托克斯光脉冲时，可以同时与泵浦光脉冲作用，实现对两个待测分子共振频率的同时激发和检测。本发明简化了传统传统CARS测量******结构，降低了***成本，提高了CARS***的化学选择性成像能力和多分子同时检测能力。

Description

一种基于束缚态光孤子的双频CARS测量装置和方法
技术领域
本发明属于非线性光学、孤子学以及相干拉曼光谱检测领域，特别涉及一种双频CARS测量装置和方法。
背景技术
相干反斯托克斯拉曼散射(coherent anti-Stokes Raman scattering，CARS)技术由于其特有的化学选择性检测能力而在细胞生命学等领域具有广泛应用。在CARS技术中，泵浦光脉冲和斯托克斯光脉冲同时入射至待测样品中，调节两束入射脉冲的频率差使其与待测分子的共振频率相同从而实现共振激发，产生反斯托克斯拉曼散射信号，通过探测反斯托克斯信号的强弱及分布即可实现对待测样品的化学选择性成像。多路CARS 技术由于可以同时测量多个拉曼散射谱线，因此可以克服拉曼共振谱带重叠对待测样品化学选择性检测的影响，提高对待测分子的选择性检测能力；此外，多路CARS技术可以同时实现多个分子共振的同时观察，有助于进一步揭示细胞生命活动中细胞间的相互作用机理，因此，多路CARS技术越来越收到人们的关注。多路CARS技术由于需要多个波长不同的入射脉冲对，使得***复杂程度和***成本成倍提升。基于高非线性光子晶体光纤孤子自频移效应的波长调谐方法由于结构简单、波长可连续大范围调谐而在 CARS***中广泛应用。
发明内容
本发明旨在提出本发明提出了一种基于束缚态光孤子的双频CARS测量装置和方法，在保留多路CARS技术优势的同时，简化了对激发光源的要求，仅使用一台超短脉冲激光器和一根高非线性光子晶体光纤即可产生一束泵浦光和两束不同波长的斯托克斯光脉冲，提高了CARS***的化学选择性成像能力和多分子同时检测能力。
一种基于束缚态光孤子的双频CARS测量装置，该装置至少包括依序连接的飞秒激光器1、超短脉冲分束调节部分、斯托克斯光脉冲产生及传输光路、泵浦光传输光路、合束镜15和CARS显微成像***16，所述飞秒激光器1输出脉宽为40～200fs、线偏振的超短脉冲；
所述超短脉冲分束调节部分由依序连接的电控液晶波片2和偏振分束棱镜3组成；所述斯托克斯光脉冲产生及传输光路由依序连接的二分之一波片4、扩束镜5、光纤耦合镜6、高非线性保偏光子晶体光纤7、光纤准直扩束镜8、第一反射镜9和第一色散玻璃10组成；所述泵浦光传输光路由依序连接的第二反射镜11、可调空间光延时线12、可调衰减片13和第二色散玻璃14组成；
所述偏振分束棱镜3输出端与所述二分之一波片4的输入端连接，所述第一色散玻璃10的输出端和所述第二色散玻璃14的输出端分别与所述合束镜15的输入端连接，所述合束镜15的输出端与所述CARS显微成像***16的输入端连接；
其中：
所述飞秒激光器1输出脉宽为40～200fs、线偏振的超短脉冲，入射至超短脉冲分束调节部分；
所述电控液晶波片2，实现输出光偏振态的改变；
所述偏振分束棱镜3，用于将电控液晶波片输出的偏振态可变得超短脉冲分成透射输出的水平线偏振超短脉冲和反射输出的竖直线偏振超短脉冲；
所述二分之一波片4，用于调节进入高非线性保偏光子晶体光纤7的超短脉冲线偏振方向；
所述扩束镜5，用于实现光束直径的扩大；
所述光纤耦合镜6，用于将空间传输的超短脉冲耦合进高非线性保偏光子晶体光纤 7；
所述高非线性保偏光子晶体光纤7，用于产生时域重叠、光谱有波长差的束缚态光孤子，用作双频CARS***的斯托克斯光脉冲；
所述第一色散玻璃10，用于展宽斯托克斯光脉冲并使其产生线性啁啾；
所述可调空间光延时线12，用于调节泵浦光路的延迟量，使泵浦光脉冲和斯托克斯光脉冲在待测样品处时间重叠；
所述可调衰减片13，用于调节泵浦光脉冲的光功率，使待测样品处的泵浦光功率近似为斯托克斯光功率的两倍，产生反斯托克斯拉曼散射信号；
所述第二色散玻璃14，用于展宽泵浦光脉冲并使其产生线性啁啾；
所述合束镜15，用于泵浦光脉冲和斯托克斯光脉冲合束输出。
所述CARS显微成像***16，用于将合束后的泵浦光脉冲和斯托克斯光脉冲聚焦至待测样品中以激发相干反斯托克斯拉曼散射信号，即CARS信号，同时对产生的CARS 信号进行收集检测分析。
其中，所述可调空间光延时线12由两个直角反射棱镜121、122和一个高精度电控位移台123组成，其中，所述第二直角反射镜122固定设于高精度电控位移台123，入射超短脉冲由所述第一直角反射棱镜121反射至固定于高精度电控位移台123的第二直角反射镜122，同时将第二直角反射棱镜122反射回来的超短脉冲通过其另一直角边反射输出，所述高精度电控位移台123用于改变泵浦光路的时间延迟，确保泵浦光脉冲和斯托克斯光脉冲的时间重叠。
本发明的一种基于束缚态光孤子的双频CARS测量方法，该方法包括以下步骤：
步骤1：飞秒激光器输出脉宽为40～200fs、线偏振的超短脉冲入射至电控液晶波片；
步骤2：当电控液晶波片所施加的电压变化时，偏振分束棱镜反射和透射输出的水平超短脉冲的光功率随之变化；其中偏振分束棱镜反射输出的超短脉冲用作双频CARS ***的泵浦光脉冲，透射输出的超短脉冲用于产生束缚态光孤子，用作双频CARS***的斯托克斯光脉冲；
步骤3：偏振分束棱镜透射输出的光功率可调的超短脉冲依次经二分之一波片、扩束镜和光纤耦合镜进入高非线性保偏光子晶体光纤，利用二分之一波片调节进入高非线性保偏光子晶体光纤的超短脉冲的线偏振方向，使其沿某一特定方向入射时，在高非线性保偏光子晶体光纤的输出端产生束缚态光孤子；利用扩束镜扩展空间传输的超短脉冲光束直径以提高光纤耦合镜的耦合效率；利用光纤耦合镜将空间传输的超短脉冲耦合进高非线性保偏光子晶体光纤；利用高非线性保偏光子晶体光纤产生波长随入射超短脉冲光功率变化的束缚态光孤子，用作双频CARS***的斯托克斯光脉冲；
步骤4：调节二分之一波片使超短脉冲在快轴方向的功率分量大于慢轴方向的功率分量，使得快轴方向产生的光孤子具有更长的波长而慢轴方向产生的光孤子则波长较短的；当沿快轴和慢轴方向传输的光孤子的波长均位于高非线性保偏光子晶体光纤的反常色散区时，在同一段高非线性保偏光子晶体光纤中传输的过程中，波长较长的快轴光孤子所需的时间大于波长较短的慢轴光孤子；当具有波长差的快/慢轴光孤子在高非线性保偏光子晶体光纤中传输时，调节合适的进入高非线性保偏光子晶体光纤的超短脉冲线偏振方向，使色散效应引起的时间差与双折射效应引起的时间差相互补偿，从而使高非线性保偏光子晶体光纤输出端的快轴孤子和慢轴孤子在时域上相互重叠而在光谱上具有一定的波长差，由此，产生束缚态光孤子；
步骤5：将高非线性保偏光子晶体光纤输出的束缚态光孤子经光纤准直扩束镜转换为空间传输的光束，并用作双频CARS***的斯托克斯光脉冲；光纤准直扩束镜输出的斯托克斯光束第一反射镜和第一色散玻璃传输后由合束镜反射输出，利用第一色散玻璃用于展宽斯托克斯光脉冲并使其产生线性啁啾；
步骤6：偏振分束棱镜反射输出的超短脉冲用作双频CARS***的泵浦光脉冲，依次经第二反射镜、可调空间光延时线、可调衰减片和第二色散玻璃传输后由合束镜透射输出；利用可调空间光延时线调节泵浦光脉冲的时间延迟，使泵浦光脉冲和斯托克斯光脉冲在待测样品处时间重叠；利用可调衰减片调节泵浦光脉冲的光功率，使泵浦光脉冲的光功率近似为斯托克斯光脉冲功率的两倍从而使泵浦光脉冲和斯托克斯光脉冲完全作用产生反斯托克斯拉曼散射信号；利用第二色散玻璃展宽泵浦光脉冲并使其产生线性啁啾；选择合适的第一色散玻璃和第二色散玻璃的长度使斯托克斯光脉冲和泵浦光脉冲具有相同的线性啁啾，以实现光谱聚焦；
步骤7：利用CARS显微成像***可以将合束后的泵浦光脉冲和斯托克斯光脉冲聚焦入射至待测样品中以激发反斯托克斯拉曼散射信号，即CARS信号，同时收集待测样品产生的CARS信号以分析其光谱成分以实现化学选择性成像，通过改变聚焦光斑与待测样品的相对位置，实现待测样品中目标分子的空间分布显微测量。
与传统CARS测量***相比，本发明的基于束缚态光孤子的双频CARS测量装置和方法具有如下技术优势：
1)基于高非线性保偏光子晶体光纤产生束缚态光孤子用作双频CARS***的斯托克斯光脉冲，结构简单、波长调谐范围大且波长可连续快速调节，与泵浦光脉冲具有本质上的时间同步特性；2)使用具有两个不同波长的束缚态光孤子作为斯托克斯光脉冲，可以同时实现两个拉曼共振谱线的激发和探测，通过两个拉曼共振谱线可以实现更加准确地化学选择性检测，减小拉曼共振谱重叠对待测分子精确定位的影响；3)基于束缚态光孤子的双频CARS***可以实现两个拉曼共振谱线的同时测量，因此可以同时测量两种不同的待测分子，进而观察两种不同待测分子间的相互作用，有助于揭示细胞生命活动的本质。
附图说明
图1为本发明的一种基于束缚态光孤子的双频CARS测量装置示意图；
图2为束缚态光孤子时域和光谱示意图；
图3为入射至光子晶体光纤的超短脉冲在快轴和慢轴上的电场分解示意图，
其中：E0表示入射线偏振超短脉冲的电场，图中：Eslow表示入射超短脉冲电场在慢轴方向的分解电场，Efast表示入射超短脉冲电场在快轴方向的分解电场，θ表示入射超短脉冲线偏振方向与高非线性保偏光子晶体光纤快轴方向的夹角。
附图标记：
1、飞秒激光器，2、电控液晶波片，3、偏振分束棱镜，4、二分之一波片，5、扩束镜，6、光纤耦合镜，7、高非线性保偏光子晶体光纤，8、光纤准直扩束镜，9、第一反射镜，10、第一色散玻璃，11、第二反射镜，12、可调空间光延时线，13、可调衰减片，14、第二色散玻璃，15、合束镜，16、CARS显微成像***，121、第一直角反射棱镜，122、第二直角反射棱镜，123、高精度电控位移台。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明技术方案进行详细描述。
如图1所示，为本发明的一种基于束缚态光孤子的双频CARS测量装置示意图。该装置主要包括飞秒激光器1、超短脉冲分束调节部分(由电控液晶波片2、偏振分束棱镜3组成)、斯托克斯光脉冲产生及传输光路(由二分之一波片4、扩束镜5、光纤耦合镜6、高非线性保偏光子晶体光纤7、光纤准直扩束镜8、第一反射镜9、第一色散玻璃10组成)、泵浦光传输光路(由第二反射镜11、可调空间光延时线12、可调衰减片 13、第二色散玻璃14组成)、合束镜15和CARS显微成像***16。
飞秒激光器1输出脉宽为40～200fs、线偏振的超短脉冲，入射至超短脉冲分束调节部分。
在超短脉冲分束调节部分：线偏振超短脉冲经电控液晶波片2入射至偏振分束棱镜 3。偏振分束棱镜3透射输出的超短脉冲入射至斯托克斯光脉冲产生及传输光路；偏振分束棱镜3反射输出的超短脉冲入射至泵浦光传输光路。
在斯托克斯光脉冲产生及传输光路中：偏振分束棱镜3透射输出的超短脉冲依次经二分之一波片4、扩束镜5和光纤耦合镜6进入高非线性保偏光子晶体光纤7。高非线性保偏光子晶体7输出的斯托克斯光束经光纤准直扩束镜8入射至第一反射镜9，第一反射镜9输出的斯托克斯光束经第一色散玻璃10后入射至合束镜15。
在泵浦光传输光路中：偏振分束棱镜3反射输出的超短脉冲经第二反射镜11入射至可调空间光延时线12。可调空间光延时线12由两个直角反射棱镜121、122和一个高精度电控位移台123组成，第一直角反射棱镜121将入射超短脉冲反射至固定于高精度电控位移台123的第二直角反射镜122，同时将第二直角反射棱镜122反射回来的超短脉冲通过其另一直角边反射输出，高精度电控位移台123用于改变泵浦光路的时间延迟，确保泵浦光脉冲和斯托克斯光脉冲的时间重叠。可调空间光延时线12输出的超短脉冲经可调衰减片13和第二色散玻璃14入射至合束镜15。
合束镜15将斯托克斯光脉冲反射输出，同时将泵浦光脉冲透射输出，从而实现泵浦光脉冲和斯托克斯光脉冲的合束。合束镜15输出的合束后的泵浦光脉冲和斯托克斯光脉冲入射至CARS显微成像***16，以激发并收集待测样品的CARS信号，从而对待测样品实现化学选择性成像分析。
其中：
所述电控液晶波片2，可由外部电压控制，实现输出光偏振态的改变。
所述偏振分束棱镜3，用于将电控液晶波片输出的偏振态可变得超短脉冲分成透射输出的水平线偏振超短脉冲和反射输出的竖直线偏振超短脉冲。
所述二分之一波片4，用于调节进入高非线性保偏光子晶体光纤7的超短脉冲线偏振方向。
所述扩束镜5，用于实现光束直径的扩大，提高空间光经光纤耦合镜6后耦合至高非线性保偏光子晶体光纤7的耦合效率。
所述光纤耦合镜6，用于将空间传输的超短脉冲耦合进高非线性保偏光子晶体光纤 7。
所述高非线性保偏光子晶体光纤7，用于产生时域重叠、光谱有波长差的束缚态光孤子，用作双频CARS***的斯托克斯光脉冲。
所述第一色散玻璃10，用于展宽斯托克斯光脉冲并使其产生线性啁啾。
所述可调空间光延时线12，用于调节泵浦光路的延迟量，使泵浦光脉冲和斯托克斯光脉冲在待测样品处时间重叠。
所述可调衰减片13，用于调节泵浦光脉冲的光功率，使待测样品处的泵浦光功率近似为斯托克斯光功率的两倍，从而可以是泵浦光脉冲和斯托克斯光脉冲完全作用，产生反斯托克斯拉曼散射信号。
所述第二色散玻璃14，用于展宽泵浦光脉冲并使其产生线性啁啾，选择合适的第一色散玻璃10和第二色散玻璃14的长度使斯托克斯光脉冲和泵浦光脉冲具有相同的线性啁啾，以实现CARS信号的高光谱分辨率。
所述合束镜15，用于泵浦光脉冲和斯托克斯光脉冲合束输出。
所述CARS显微成像***16，用于将合束后的泵浦光脉冲和斯托克斯光脉冲聚焦至待测样品中以激发相干反斯托克斯拉曼散射信号，即CARS信号，同时对产生的CARS 信号进行收集检测分析，而且泵浦光脉冲和斯托克斯光脉冲在待测样品中的聚焦光斑与待测样品的相对位置可以改变，通过测量待测样品不同位置处CARS信号的强弱和分布即可实现待测样品的化学选择性显微成像。
本发明一种基于束缚态光孤子的双频CARS测量方法，该方法主要包括如下步骤：
步骤1：飞秒激光器输出脉宽为40～200fs、线偏振的超短脉冲入射至电控液晶波片。
步骤2：电控液晶波片透射输出的超短脉冲偏振态受电控液晶波片施加电压的影响，可以在水平线偏振光、椭偏振光、圆偏振光、竖直线偏振光之间连续变化。因此，当电控液晶波片所施加的电压变化时，偏振分束棱镜反射和透射输出的水平超短脉冲的光功率随之变化。其中偏振分束棱镜反射输出的超短脉冲用作双频CARS***的泵浦光脉冲，透射输出的超短脉冲用于产生束缚态光孤子，用作双频CARS***的斯托克斯光脉冲。
步骤3：偏振分束棱镜透射输出的光功率可调的超短脉冲依次经二分之一波片、扩束镜和光纤耦合镜进入高非线性保偏光子晶体光纤。其中，二分之一波片用于调节进入高非线性保偏光子晶体光纤的超短脉冲的线偏振方向，使其沿某一特定方向入射时可以在高非线性保偏光子晶体光纤的输出端产生束缚态光孤子(如图2所示)；扩束镜用于扩展空间传输的超短脉冲光束直径以提高光纤耦合镜的耦合效率，进而提高超短脉冲光功率的利用效率；光纤耦合镜用于将空间传输的超短脉冲耦合进高非线性保偏光子晶体光纤；高非线性保偏光子晶体光纤用于产生波长随入射超短脉冲光功率变化的束缚态光孤子，用作双频CARS***的斯托克斯光脉冲。
步骤4：束缚态光孤子的产生过程如下：高非线性保偏光子晶体光纤的快轴和慢轴具有不同的有效折射率，从而使得超短脉冲在高非线性保偏光子晶体光纤中传输时在快轴和慢轴方向具有不同的传输速度。因此，通过同一段高非线性保偏光子晶体光纤时，沿快轴传输的超短脉冲和沿慢轴传输的超短脉冲所需要的传输时间不同。由于快轴有效折射率小于慢轴有效折射率，所以沿快轴方向的超短脉冲传输时间小于沿慢轴方向的超短脉冲。由于孤子自频移效应的影响，超短脉冲在高非线性保偏光子晶体光纤中传输时，其快轴方向和慢轴方向的孤子演化是同时进行的，并且两者之间相互影响很小。调节二分之一波片使超短脉冲在快轴方向的功率分量大于慢轴方向的功率分量(如图3所示)，从而可以使得快轴方向产生的光孤子具有更长的波长而慢轴方向产生的光孤子则波长较短。由于色散效应的影响，当沿快轴和慢轴方向传输的光孤子的波长均位于高非线性保偏光子晶体光纤的反常色散区时，在同一段高非线性保偏光子晶体光纤中传输的过程中，波长较长的快轴光孤子所需的时间大于波长较短的慢轴光孤子。当具有波长差的快慢轴光孤子在高非线性保偏光子晶体光纤中传输时，调节合适的进入高非线性保偏光子晶体光纤的超短脉冲线偏振方向，可以使色散效应引起的时间差与双折射效应引起的时间差相互补偿，从而使高非线性保偏光子晶体光纤输出端的快轴孤子和慢轴孤子在时域上相互重叠而在光谱上具有一定的波长差，如图2所示，这样的光孤子脉冲即为束缚态光孤子。
步骤5：高非线性保偏光子晶体光纤输出的束缚态光孤子经光纤准直扩束镜转换为空间传输的光束，并用作双频CARS***的斯托克斯光脉冲。光纤准直扩束镜输出的斯托克斯光束第一反射镜和第一色散玻璃传输后由合束镜反射输出。其中第一色散玻璃用于展宽斯托克斯光脉冲并使其产生线性啁啾。
步骤6：偏振分束棱镜反射输出的超短脉冲用作双频CARS***的泵浦光脉冲，依次经第二反射镜、可调空间光延时线、可调衰减片和第二色散玻璃传输后由合束镜透射输出。其中可调空间光延时线用于调节泵浦光脉冲的时间延迟，使泵浦光脉冲和斯托克斯光脉冲在待测样品处时间重叠；可调衰减片用于调节泵浦光脉冲的光功率，使泵浦光脉冲的光功率近似为斯托克斯光脉冲功率的两倍从而使泵浦光脉冲和斯托克斯光脉冲完全作用产生反斯托克斯拉曼散射信号；第二色散玻璃用于展宽泵浦光脉冲并使其产生线性啁啾。选择合适的第一色散玻璃和第二色散玻璃的长度使斯托克斯光脉冲和泵浦光脉冲具有相同的线性啁啾，以实现光谱聚焦，提高测量CARS信号的光谱分辨能力。
步骤7：泵浦光脉冲和斯托克斯光脉冲经合束镜合束输出后入射至CARS显微成像***。CARS显微成像***可以将合束后的泵浦光脉冲和斯托克斯光脉冲聚焦入射至待测样品中以激发反斯托克斯拉曼散射信号，即CARS信号，同时收集待测样品产生的 CARS信号以分析其光谱成分以实现化学选择性成像，通过改变聚焦光斑与待测样品的相对位置可以实现待测样品中目标分子的空间分布显微测量。

Claims (3)

1.一种基于束缚态光孤子的双频CARS测量装置，其特征在于，该装置至少包括依序连接的飞秒激光器（1）、超短脉冲分束调节部分、斯托克斯光脉冲产生及传输光路、泵浦光传输光路、合束镜（15）和CARS显微成像***（16）；
所述超短脉冲分束调节部分由依序连接的电控液晶波片（2）和偏振分束棱镜（3）组成；所述斯托克斯光脉冲产生及传输光路由依序连接的二分之一波片（4）、第一扩束镜（5）、光纤耦合镜（6）、高非线性保偏光子晶体光纤（7）、光纤准直扩束镜（8）、第一反射镜（9）和第一色散玻璃（10）组成；所述泵浦光传输光路由依序连接的第二反射镜（11）、可调空间光延时线（12）、可调衰减片（13）和第二色散玻璃（14）组成；
所述偏振分束棱镜（3）输出端与所述二分之一波片（4）的输入端连接，所述第一色散玻璃（10）的输出端和所述第二色散玻璃（14）的输出端分别与所述合束镜（15）的输入端连接，所述合束镜（15）的输出端与所述CARS显微成像***（16）的输入端连接；
其中：
所述飞秒激光器（1）输出脉宽为40~200fs、线偏振的超短脉冲，入射至超短脉冲分束调节部分；
所述电控液晶波片（2），实现输出光偏振态的改变；
所述偏振分束棱镜（3），用于将电控液晶波片输出的偏振态可变得超短脉冲分成透射输出的水平线偏振超短脉冲和反射输出的竖直线偏振超短脉冲；
所述二分之一波片（4），用于调节进入高非线性保偏光子晶体光纤（7）的超短脉冲线偏振方向；
所述第一扩束镜（5），用于实现光束直径的扩大；
所述光纤耦合镜（6），用于将空间传输的超短脉冲耦合进高非线性保偏光子晶体光纤7；
所述高非线性保偏光子晶体光纤（7），用于产生时域重叠、光谱有波长差的束缚态光孤子，用作双频CARS***的斯托克斯光脉冲；
所述第一色散玻璃（10），用于展宽斯托克斯光脉冲并使其产生线性啁啾；
所述可调空间光延时线（12），用于调节泵浦光路的延迟量，使泵浦光脉冲和斯托克斯光脉冲在待测样品处时间重叠；
所述可调衰减片（13），用于调节泵浦光脉冲的光功率，使待测样品处的泵浦光功率近似为斯托克斯光功率的两倍，产生反斯托克斯拉曼散射信号；
所述第二色散玻璃（14），用于展宽泵浦光脉冲并使其产生线性啁啾；
所述合束镜（15），用于泵浦光脉冲和斯托克斯光脉冲合束输出；
所述CARS显微成像***（16），用于将合束后的泵浦光脉冲和斯托克斯光脉冲聚焦至待测样品中以激发相干反斯托克斯拉曼散射信号，即CARS信号，同时对产生的CARS信号进行收集检测分析。
2.如权利要求1所述的一种基于束缚态光孤子的双频CARS测量装置，其中所述可调空间光延时线（12）由两个直角反射棱镜（121、122）和一个高精度电控位移台（123）组成，其中，第二直角反射镜（122）固定设于高精度电控位移台（123），入射超短脉冲由第一直角反射棱镜（121）反射至第二直角反射镜（122），同时将第二直角反射棱镜（122）反射回来的超短脉冲通过其另一直角边反射输出，所述高精度电控位移台（123）用于改变泵浦光路的时间延迟，确保泵浦光脉冲和斯托克斯光脉冲的时间重叠。
3.一种基于束缚态光孤子的双频CARS测量方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤1：飞秒激光器输出脉宽为40~200fs、线偏振的超短脉冲入射至电控液晶波片；
步骤2：当电控液晶波片所施加的电压变化时，偏振分束棱镜反射和透射输出的水平超短脉冲的光功率随之变化；其中偏振分束棱镜反射输出的超短脉冲用作双频CARS***的泵浦光脉冲，透射输出的超短脉冲用于产生束缚态光孤子，用作双频CARS***的斯托克斯光脉冲；
步骤3：偏振分束棱镜透射输出的光功率可调的超短脉冲依次经二分之一波片、第一扩束镜和光纤耦合镜进入高非线性保偏光子晶体光纤，利用二分之一波片调节进入高非线性保偏光子晶体光纤的超短脉冲的线偏振方向，使其沿某一特定方向入射时，在高非线性保偏光子晶体光纤的输出端产生束缚态光孤子；利用扩束镜扩展空间传输的超短脉冲光束直径以提高光纤耦合镜的耦合效率；利用光纤耦合镜将空间传输的超短脉冲耦合进高非线性保偏光子晶体光纤；利用高非线性保偏光子晶体光纤产生波长随入射超短脉冲光功率变化的束缚态光孤子，用作双频CARS***的斯托克斯光脉冲；
步骤4：调节二分之一波片使超短脉冲在快轴方向的功率分量大于慢轴方向的功率分量，使得快轴方向产生的光孤子具有更长的波长而慢轴方向产生的光孤子则波长较短；当沿快轴和慢轴方向传输的光孤子的波长均位于高非线性保偏光子晶体光纤的反常色散区时，在同一段高非线性保偏光子晶体光纤中传输的过程中，波长较长的快轴光孤子所需的时间大于波长较短的慢轴光孤子；当具有波长差的快/慢轴光孤子在高非线性保偏光子晶体光纤中传输时，调节合适的进入高非线性保偏光子晶体光纤的超短脉冲线偏振方向，使色散效应引起的时间差与双折射效应引起的时间差相互补偿，从而使高非线性保偏光子晶体光纤输出端的快轴孤子和慢轴孤子在时域上相互重叠而在光谱上具有一定的波长差，由此，产生束缚态光孤子；
步骤5：将高非线性保偏光子晶体光纤输出的束缚态光孤子经光纤准直扩束镜转换为空间传输的光束，并用作双频CARS***的斯托克斯光脉冲；光纤准直扩束镜输出的斯托克斯光束第一反射镜和第一色散玻璃传输后由合束镜反射输出，利用第一色散玻璃用于展宽斯托克斯光脉冲并使其产生线性啁啾；
步骤6：偏振分束棱镜反射输出的超短脉冲用作双频CARS***的泵浦光脉冲，依次经第二反射镜、可调空间光延时线、可调衰减片和第二色散玻璃传输后由合束镜透射输出；利用可调空间光延时线调节泵浦光脉冲的时间延迟，使泵浦光脉冲和斯托克斯光脉冲在待测样品处时间重叠；利用可调衰减片调节泵浦光脉冲的光功率，使泵浦光脉冲的光功率近似为斯托克斯光脉冲功率的两倍从而使泵浦光脉冲和斯托克斯光脉冲完全作用产生反斯托克斯拉曼散射信号；利用第二色散玻璃展宽泵浦光脉冲并使其产生线性啁啾；选择合适的第一色散玻璃和第二色散玻璃的长度使斯托克斯光脉冲和泵浦光脉冲具有相同的线性啁啾，以实现光谱聚焦；
步骤7：利用CARS显微成像***可以将合束后的泵浦光脉冲和斯托克斯光脉冲聚焦入射至待测样品中以激发反斯托克斯拉曼散射信号，即CARS信号，同时收集待测样品产生的CARS信号以分析其光谱成分以实现化学选择性成像，通过改变聚焦光斑与待测样品的相对位置，实现待测样品中目标分子的空间分布显微测量。
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