CN110870149A - 激光器件 - Google Patents

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朱利奥·塞鲁洛
图利奥·斯科皮诺
达里奥·波里
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Abstract

一种激光器件(10)，用于输出用于在样品(42)中诱导相干拉曼散射的经滤波的光脉冲。激光器件(10)包括：包括第一增益介质(24a)的第一光腔(20a)；和包括与第一增益介质不同的第二增益介质(24b)的第二光腔(20b)。第一增益介质(24a)和第二增益介质(24b)中的每一个均能够由泵浦光源(22a，22b)激发，以产生处于各自不同的波长范围的光。同步器(30)光耦合到第一光腔(20a)和第二光腔(20b)。同步器(30)被配置为对来自第一光腔(20a)和第二光腔(20b)的光进行同步和锁模。激光器件(10)还包括第一光滤波器(34a)和第二光滤波器(34b)。第一光滤波器(34a)和第二光滤波器(34b)被配置为对来自第一光腔(20a)和第二光腔(20b)的光分别进行滤波，以输出处于第一预定波长范围的第一经滤波的光脉冲以及处于第二预定波长范围的第二经滤波的光脉冲。

Description

激光器件
技术领域
本发明涉及激光器件，具体地，涉及用于与相干拉曼光谱结合使用的激光器件。
背景技术
拉曼光谱技术(Raman spectroscopy)能够实现组织和细胞的无标签化学特征。它是基于使用单连续波激光器的分子的拉曼散射效应。这种自发式拉曼散射是弱的，因此拉曼光谱技术通常很慢。相干拉曼光谱技术(coherent Raman spectroscopy，CRS)包括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)，并依赖于分子的非线性激发，以及可以使拉曼强度提高数个量级。从理论上讲，这种拉曼强度的增强允许以视频速率的成像速度来进行测量，因而从理论上讲，意味着CRS可以被应用到多种不同的领域的多种应用中。
CRS需要使用来自两个激光源的同步的且处于至少皮秒(pico-second)级的超快的激光器，其中与拉曼频率和带宽相匹配的泵浦和斯托克斯脉冲被用于建立和检测样品中的振动相干性。目前，固态激光器泵浦光参量振荡器已经被广泛地用作CRS的激光源，因为这些激光源可以通入全拉曼光谱(0～4000cm-1)。这种固态激光器件包括作为增益介质的块状掺杂晶体或玻璃，并且需要使用庞大的光学器件。因此，这些器件不仅容易出现错位和不稳定的情况，而且使用它们也会产生高昂的成本。此外，相对较大的占用空间使得它们无法被有效地部署在临床环境中，例如，它们不能轻易地在医院内绕不同的病房进行移动，也不能方便地对它们进行操作。
近年来，光纤式激光器的应用越来越受到欢迎，因为这种激光器件提供了一个更简单、更经济的激发源，并且具有更小的占用空间。与固态激光器泵浦光参量振荡器相比，这种激光器件更加可靠并且不需要进行校准。
美国专利US7372880公开了一种能够产生超短光脉冲的脉冲光纤激光器。这种脉冲光纤激光器包括光环谐振器，该光环谐振器具有一段掺杂稀土的光纤作为增益介质。在使用中，该增益介质响应经泵浦的光源，以在谐振器中产生光增益。为了便于脉冲的产生，采用碳纳米管(carbon nanotube，CNT)作为非线性光学或可饱和吸收器材料，以将连续波激光转换为超快光脉冲序列。可饱和吸收器是具有一定光损耗的光学元件，其中光损耗在高的光强度下会降低。随着脉冲在光环谐振器中循环，当脉冲每次击中可饱和吸收器时，其使可饱和吸收器的吸收饱和，从而暂时降低了损耗。在每一个谐振器的环路行程中，可饱和吸收器将偏好强度较高的光，因为这种光与强度较低的光相比可以稍微更多地使吸收饱和。经过多次环路行程之后，将维持单一的脉冲。
为了从两种不同的激光源中产生同步的光脉冲，目前，对利用被动锁模技术同步双波长超快激光源进行了研究。这种技术需要使用由两个激光源共用的通用可饱和吸收器，例如，将通用可饱和吸收器光耦合到掺杂有不同的稀土材料的两个光纤腔中。
张(Zhang)等人在2011年的《光学快报(Optics Letter)》中的“Passivesynchronization of all-fiber lasers through a common saturable absorber(凭借通用可饱和吸收器来被动同步全光纤激光器)”中公开了两个全光纤锁模激光器的同步，这两个全光纤锁模激光器工作在1μm和1.54μm，并且凭借使用共用的单壁碳纳米管吸收器来进行耦合。此外，张等人在2014年的《光纤技术(Optical Fiber Technology)》中的“Ultrafast fibre laser sources:Example of recent developments(超快光纤激光源：当前发展的示例)”中概述了在超快紧凑型全光纤激光器的领域中的当前发展情况。具体地，张公开了使用石墨烯和单壁碳纳米管作为被动元件，以在两个耦合的光腔中实现激光脉冲的同步和被动锁模。光腔包括掺杂镱或铒的光纤增益介质，用于产生用于泵浦探测光谱技术的双波长光脉冲。
索托(Sotor)等人在2014年的《光学快讯(Optics Express)》中的“Passivesynchronization of erbium and thulium doped fiber mode-locked lasers enhancedby common graphene saturable absorber(由通用石墨烯可饱和吸收器来增强掺杂铒和铥的光纤的锁模激光器的被动同步)”中公开了使用通用石墨烯可饱和吸收器来同步来自两个环路谐振器的光脉冲，每个环路谐振器包含掺杂铒和铥的光纤增益介质中的一种。在索托所公开的内容中，为了以2μm产生光脉冲，1569nm的激光二极管被用于激发铥增益介质。提供有波分复用(wavelength division multiplexer，WDM)滤波器来滤除波长为1569nm的任何未吸收的泵浦光，其中所述未吸收的泵浦光被清除到将要输出1.5μm光脉冲的铒环路谐振器。
发明内容
光纤激光器的使用，特别是全光纤激光器的使用导致用于CRS的激光源的小型化，从而实现了移动式或便携式测量***。这种激光器也不需要校准。特别是，其潜在用途被扩展到不同的领域。然而，在光纤激光器中产生的同步锁模的双激光脉冲典型地分布于宽波长范围，或者在索托公开的情况下，激光脉冲包括未吸收的泵浦光，该未吸收的泵浦光在不希望的波长上出现峰值。因此，当这种光纤激光器在CRS中使用时显著地降低了测量精度。
苏(Su)等人在2013年的《美国光学会杂志》B辑中的“Single-fiber-laser-basedwavelength tunable excitation for coherent Raman spectroscopy(用于相干拉曼光谱技术的基于单光纤激光器的波长可调谐激发)”中公开了一种用于相干拉曼光谱技术的单激光器光源。在苏所公开的内容中，泵浦和斯托克斯脉冲之间的频率差是由非线性光纤中的孤子(soliton)自频移产生的(孤子是维持其形状的同时以恒定的速度进行传播的波包)。其公开了另一种提高CRS光谱分辨率的可能行方式是在泵浦和斯托克斯束上应用窄带光滤波器。然而，其还公开了这将显著地降低泵浦和斯托克斯束的光功率，因此，啁啾(chirping，信号的频率随时间变化)被认为是比光学滤波更好的选择。
本申请人通过提供一种用于输出用于在样品中诱导相干拉曼散射的经滤波的光脉冲的激光器件，缓解上述的CRS测量精度的提高的问题，其中该激光器件包括：包括第一增益介质的第一光腔；以及包括有与所述第一增益介质不同的第二增益介质的第二光腔。所述第一增益介质和所述第二增益中的每一个均能够由泵浦光源激发，以产生处于各自不同的波长范围的光。换言之，提供了两个光腔。所述激光器件还包括同步器，以及第一光滤波器和第二光滤波器，所述同步器光耦合到所述第一光腔和所述第二光腔，其中所述同步器被配置为对来自所述第一光腔和所述第二光腔的光进行同步和锁模，所述第一光滤波器和所述第二光滤波器被配置为对来自所述第一光腔和所述第二光腔的光分别进行滤波，以输出处于第一预定波长范围的第一经滤波的光脉冲以及处于第二预定波长范围的第二经滤波的光脉冲。
以这种方式，显著地，提供了一种能够使CRS以足够快的速度进行无损成像的激光器件。也就是说，通过由CRS检测的振动响应来测量组织的详细分子组成，从而获得该组织的客观的和定量的信息。所述激光器件的示例也为泵浦探测实验提供了便利的工具，并且为参量混合和频率上/下转换提供了合适的泵浦源。
通常，在所描述的激光器件中，激光器件的每一个光腔包括增益元件以及各向同性的单模光纤。利用插置在其中一个光腔中的光纤尾纤式光延迟线来匹配光腔长度。可饱和吸收器被用于：通过强度相关损耗来启动和促进强腔内脉冲发生，并通过吸收性非线性耦合来对同步进行协调，即脉冲(探头)观察到更高能脉冲(泵浦)引起的损耗减小。频率调谐由位于在光腔内部或其输出端的可调谐滤波级来实现。在经同步的振荡器之后，光纤放大器将两个分支的平均功率提高到应用所需的数百毫瓦级别。换句话说，两个独立的激光介质是同步锁模的，以为CRS提供多色脉冲序列。被动同步是通过共享使用纳米材料的可饱和吸收器来实现的。频率失谐是通过位于腔体内或腔体外的可调谐滤波级来实现的。
具体地，在所描述的示例中，对于CRS，激光器件使用纳米材料同步的超快光纤激光器。两个独立的锁模光纤激光器通过基于纳米材料的可饱和吸收器或同步器的共享相互作用而锁定在同步(即具有相同的重复速率的脉冲)，其中所述纳米材料包括例如：石墨烯、碳的同素异构物、层状晶体和混合纳米材料。
与已知的CRS的实现方式(其中两个需要的不同频率的独立皮秒级脉冲中的一个是通过参量放大而产生)相比，在本文所述的激光器件中，通过使用纳米材料将以不同频率发射的不同的激光介质进行被动地同步，从而大大简化了CRS所需的多色(多频)脉冲序列的产生。
在所描述的示例中，提供了两个独立的锁模振荡器或光腔，它们通过共同的腔部分中的可饱和吸收器的共享相互作用来进行同步，其中所述可饱和吸收器是基于石墨烯的聚合物复合材料可饱和吸收器(graphene-based polymer-composite saturableabsorber，GSA)的形式。所述GSA是通过轻度超声处理来剥离块状石墨而制备的。然后利用单层石墨烯和少层石墨烯富集的分散体与聚乙烯醇水溶液混合，从而获得聚合物复合材料。每一个振荡器包括Yb和Eb的增益元件、光隔离器和可调谐带通滤波器。熔接式光纤耦合器(fused fiber coupler)独立地为每一个腔提供30％的输出。利用插置到激光器件的铒腔、臂或环路中，并在同步状态下与大约18MHz的脉冲重复速率相对应的光纤尾纤式光延迟线，匹配光腔长度。
在所描述的示例中，利用石墨烯的独特的超宽带非线性响应，GSA既用于启动和促进锁模操作，也用于协调同步。在掺镱和掺铒的光纤放大器中，处于镱(泵浦)和铒(斯托克斯)波长的同步的双色激光的双输出被独立地放大到100mW的平均功率。然后在两束光束被聚焦到甲醇测试样品和被带通滤波以进行CARS检测之前，将这两束光束进行准直、同步并且使用分色镜布置将它们组合。调谐腔内延迟线的光程，将激光特性转换为被动同步的锁模。通过用于激光器件的每一个臂或环路的腔内可调谐滤波器，所述激光器的工作波长可以在1040nm～1080nm(镱)和1535nm～1560nm(铒)范围内(对应于大约2750cm-1～3200cm-1频率失谐)进行调谐。
本文所描述的激光器件被动地同步光纤激光器，为CRS提供了非常简单且低成本的激光源。所述光纤激光器由于其简单、紧凑且节省成本的设计能够提供健壮且稳定的源，并且能够实现不需要庞大的光学装置的免校准操作。
如下所述，本文所描述的激光器件的示例已经被应用于CARS，从而证明了上述观点。由于其紧凑性和全光学同步性，所描述的示例是高波数范围中的CRS的良好的源。
本发明的各个方面在独立权利要求中被限定，现在将参考这些权利要求。从属权利要求中限定了可选的特征。
多种布置方式将在下文中进行更详细地描述并且采取用于输出用于在样品中诱导相干拉曼散射的经滤波的光脉冲的激光器件的形式。所述激光器包括：包括第一增益介质的第一光腔；以及包括与所述第一增益介质不同的第二增益介质的第二光腔。所述第一增益介质和所述第二增益介质中的每一个均能够由泵浦光源激发，以产生处于各自不同的波长范围的光。同步器光耦合到所述第一光腔和所述第二光腔。所述同步器被配置为对来自所述第一光腔和所述第二光腔的光进行同步和锁模。所述激光器还包括第一光滤波器和第二光滤波器。所述第一光滤波器和所述第二光滤波器被配置为对来自所述第一光腔和所述第二光腔的光分别进行滤波，以输出处于第一预定波长范围的第一经滤波的光脉冲以及处于第二预定波长范围的第二经滤波的光脉冲。
可选地，所述激光器件为光纤激光器。可选地，所述激光器是全光纤激光器。可选地，所述第一光腔和所述第二光腔包括各向同性光纤。可选地，所述第一光腔和所述第二光腔中的每一个均包括单模光纤。
所述同步器允许超快激光脉冲的同步和锁相，这允许来自光纤激光源的两个激光脉冲相结合，从而减少了相干拉曼光谱技术所需的总占用空间。光脉冲被滤波，使得仅在限定波长范围内的光脉冲输出到相干拉曼光谱，从而获得了更精确的测量值。此外，使用两个同步的并锁模的激光源显著地降低了光滤波器对泵浦和斯托克斯脉冲的光功率的影响，使其成为用于CRS的通用选择。
在另一个实施例中，提供了一种用于输出在样品中诱导相干拉曼散射的经滤波的光脉冲的激光器件，所述激光器件包括：第一光腔和第二光腔，所述第一光腔包括第一增益介质，所述第二光腔包括与所述第一增益介质不同的第二增益介质，其中，所述第一增益介质和所述第二增益介质中的每一个均能够由泵浦光源激发，以产生处于各自不同的波长范围的光；同步器，其光耦合到所述第一光腔和所述第二光腔，其中，所述同步器被配置为对来自所述第一光腔和所述第二光腔的所述光进行同步和锁模；以及第一光滤波器和第二光滤波器，其中，所述第一光滤波器和所述第二光滤波器被配置为对来自所述第一光腔和所述第二光腔的所述光分别进行滤波，以输出处于第一预定波长范围的第一经滤波的光脉冲以及处于第二预定波长范围的第二经滤波的光脉冲。
可选地，所述第一光滤波器或所述第二光滤波器中的至少一个是可调谐光滤波器，并且被配置为分别改变所述第一预定波长范围或所述第二预定波长范围。
可选地，所述第一光滤波器和所述第二光滤波器均是可调谐光滤波器，并被配置为分别改变所述第一预定波长范围或所述第二预定波长范围。可调谐光滤波器允许用户指定波长范围，以使泵浦和斯托克斯光脉冲的波长范围可以随被测量的样品而改变。
可选地，所述可调谐光滤波器包括基于光纤可调谐光滤波器的标准具。标准具是一种介电材料，其特定厚度和折射率决定了每一个传播峰的带宽，并且只有一个波长以最大传输方式传输。基于光纤可调谐光滤波器的标准具通过选择材料的介质的折射率以选择特定的谐振波长而工作。与腔体的光学长度产生共振的波长被传输，而其他波长被反射。
可选地，所述第一光滤波器和所述第二光滤波器被分别设置在所述第一光腔和所述第二光腔的内部，并且所述第一光腔和所述第二光腔在第一光出口和第二光出口分别输出所述经滤波的光脉冲。将光滤波器设置在光腔的内部确保了在产生光脉冲之后，对具有不期望的波长范围的光脉冲立即进行滤波。
可选地，所述第一光滤波器和所述第二光滤波器被分别设置在所述第一光腔和所述第二光腔的外部，并且所述第一光腔和所述第二光腔在第一光出口和第二光出口分别输出所述光脉冲。将光滤波器设置在光腔的外部，无需对再循环的经滤波的光脉冲进行重复地滤波，并且使光腔的构造简单且紧凑。
可选地，所述激光器件还包括：第一光纤放大器和第二光纤放大器，所述第一光纤放大器在所述第一光出口处并且掺杂有所述第一增益介质，所述第二光纤放大器在所述第二光出口处并且掺杂有所述第二增益介质，所述第一光纤放大器和所述第二光纤放大器用于放大所述光或所述经滤波的光脉冲。这保证了放大的光脉冲以正确的波长放大。放大器的使用减轻了在安装有光滤波器的情况下光功率的降低。
可选地，所述同步器包括石墨烯或碳的同素异构物，例如碳纳米管。可选地，所述同步器包括石墨烯，因为事实上石墨烯能够同步红外线中处于任意波长的激光。
可选地，所述同步器包括可饱和吸收器，并且被配置为对来自所述第一光腔和所述第二光腔的光脉冲进行同步和被动锁模。可饱和吸收器的使用能够从不同的激光源产生同步的超快锁模激光脉冲。
可选地，所述第一光腔和所述第二光腔中的一个包括用于匹配所述第一光腔和所述第二光腔的长度的光延迟线。可选地，所述光延迟线包括光纤尾纤式光延迟线。在其中一个光腔中使用延迟线可以通过使光腔长度相等来实现不相同的光腔的配对。
可选地，所述激光增益介质包括镱或铒，其中可选地，由所述激光增益介质产生的预定波长范围对应于0～4000cm-1的全拉曼光谱。
可选地，所述预定波长范围包括：1040nm至1080nm的范围和/或1535nm至1600nm的范围
在另一个实施例中，提供了一种光学器件和两个准直器，所述两个准直器被配置为将所述经滤波的光脉冲进行准直。这限制了经滤波的脉冲的发散度。可选地，所述准直器中的一个包括延迟级，该延迟级被配置为在测量的样品上实现叠加。
可选地，所述光学器件还包括两个分色镜，所述两个分色镜被配置为将来自所两个述准直器的经准直的光脉冲进行组合。
可选地，所述激光器件包括带通或短通滤波器，该带通或短通滤波器用于在CARS检测之前去除经滤波的光脉冲对。
在另一个实施例中，提供了一种从激光器件输出用于在样品中诱导相干拉曼散射的经滤波的光脉冲的方法，该方法包括：利用包括第一增益介质的第一光腔以及包括与所述第一增益介质不同的第二增益介质的第二光腔来产生处于各自不同的波长范围的光，其中，所述第一增益介质和所述第二增益介质中的每一个均能够由泵浦光源激发。换句话说，需要两个光腔来输出用于在样品中诱导相干拉曼散射的经滤波的光脉冲。所述方法还包括：利用与所述第一光腔和所述第二光腔光耦合的同步器对来自所述第一光腔和所述第二光腔的所述光进行同步和锁模；利用第一光滤波器和第二光滤波器对来自所述第一光腔和所述第二光腔的所述光分别进行滤波；从所述第一光滤波器输出处于第一预定波长范围的第一经滤波的光脉冲以及从所述第二光滤波器输出处于第二预定波长范围的第二经滤波的光脉冲。
附图说明
将参考附图以示例的形式来更详细地描述本发明，附图中：
图1是体现了本发明的一个方面的光纤激光器装置的示意图；
图2是示出了从图1的光纤激光器装置中输出的未滤波的同步锁定的铒激光器脉冲的光谱和脉冲持续时间的图；
图3是示出了从图1的光纤激光器装置中输出的同步锁定的镱激光器脉冲的光谱的图；
图4是示出了从图1的光纤激光器装置中输出的同步锁定的铒激光器脉冲的光谱的图；
图5是示出了利用如图1所示的光纤激光器装置测量的甲醇样品的CARS光谱的图。
具体实施方式
下面参考图1至图5来描述根据本发明的示例的输出用于在样品42中诱导相干拉曼散射的经滤波的光脉冲的激光器件10和方法。
首先参考图1，通常，激光器件10具有两个独立的锁模光腔、振荡器或谐振器20a、20b，以用于在适合于CRS的不同的波长范围内，以皮秒级的持续时间来产生两组光脉冲。对于激光器件10，图1的布置14还包括光学元件12，光学元件12引导来自激光器件的光脉冲，以照射进行相干拉曼散射所处的样品42。来自样品的散射在进入光谱仪46之前，被短通或带通滤波器44进行滤波。
更详细地，继续参考图1的激光器件10，图1的激光器件的两个光腔20a、20b中的每一个以环路的形式进行布置。为了使这些光脉冲在环路中循环直到它们分别在各自的光出口26a、26b处离开光腔，利用任何合适的耦合器将构成光腔的光纤的端部光学连接。此外，每一个光出口包括熔接式光纤耦合器，从而为其各自的腔提供大约30％的输出。锁模光腔均包括用于每一个光腔20a、20b的泵浦光源22a、22b，以激发位于或设置在光腔20a、20b的内部的增益元件24a、24b。在该示例中，增益元件24a、24b是掺有稀土增益元素的光纤。使用这种增益元素的激光器通常被称为光纤激光器。
对于泵浦光源22a、22b和增益元件24a、24b的选择取决于CRS所需的光谱。图1所示的示例使用两种不同的光纤作为增益元件。一种光纤掺杂有以镱(Yb)的形式的稀土增益元件24a，另一种光纤掺杂有以铒(Er)的形式的稀土增益元件24b。在该示例中，激发增益元件的泵浦光源是用于激发掺镱光纤的976nm波长泵浦光源22a，以及用于激发掺铒光纤的980nm波长泵浦光源22b。从镱和铒增益介质中产生的光脉冲在所期望的泵浦波长和斯托克斯波长范围内。
光隔离器28a、28b光耦合到每一个光腔20a、20b中的相应的增益介质22a、22b的出口。这是为了确保由光腔中的增益介质22a、22b产生的光脉冲在形成光腔的环路中以单一方向或一个方向且仅以一个方向传播。也就是说，从增益介质22a、22b中产生的光脉冲被导向到光输出端。在该示例中，光隔离器28a、28b是基于法拉第隔离器的光纤隔离器。
使用合适的同步器30将在每一个光腔20a、20b中产生的光脉冲对进行同步。同步器由形成光腔20a、20b的两个环路共用。同步器形成两个环路的一部分。在该示例中，同步器采用可饱和吸收器30的形式。可饱和吸收器的功能在上面的背景技术部分已进行了描述。可饱和吸收器是一种在高的光学强度下吸收度降低的光吸收器。在激光器件10中，这允许被动锁模脉冲在每一个光腔中循环。更具体地，可饱和吸收器的功能是启动和促进锁模操作，并且协调光脉冲的同步。也就是说，被动锁模允许飞秒(femtosecond)级的光脉冲的产生。饱和的吸收器具有足够短的恢复时间，从而实现了快速的损耗调制。
图1中的可饱和吸收器30是一种基于聚合物复合材料的石墨烯可饱和吸收器，其具有超快的恢复时间和宽带操作。石墨烯被用作无源元件，以同步红外线中的任意波长的激光，这是由于其具有利用在狄拉克点(Dirac point)处的点带隙的线性的电子色散。本文所应用的石墨烯可饱和吸收器30是通过利用轻度超声处理来剥离块状石墨而制备的，其中首先富集有已获得的单层石墨烯和少层石墨烯的分散体与聚乙烯醇水溶液混合，从而获得聚合物复合材料。其他可饱和吸收器也可以选择性地用于实现光脉冲的被动锁模和同步，例如包括单壁碳纳米管(CNT)的可饱和吸收器。
这一对光腔20a、20b并不需要是相同的。通过在任意一个光腔中添加光延迟线32来补偿两个光腔20a、20b之间的腔长度的差异。在该示例中，光延迟线32位于包括使用铒作为增益介质的光腔的环路或光腔20b中并且在隔离器28b之后。光延迟线是光纤尾纤式延迟线32。该光纤尾纤式延迟线光耦合到使用铒作为增益介质的光腔中的隔离器的出口。这对应于在同步状态下的大约18MHz的脉冲的重复率。
在每一个光腔20a、20b处产生的光脉冲的波长范围由在各自的光腔中被激发的增益介质的类型来决定。例如，如图2所示，由铒产生的光脉冲分布在大约1500nm(纳米)至1650nm之间的相对宽的光谱上，这对于宽带CARS是有用的。也就是说，可以产生小于100fs(飞秒)的脉冲。
但是，具有这种宽的光谱的光脉冲可能会影响CRS的精度，这就不能满足宽带激光脉冲的需要。因此，如图1所示，在每一个光腔20a、20b中安装光滤波器34a、34b，以光学地过滤掉落在在所期望的波长范围之外的光脉冲。在该示例中，光滤波器位于第一(镱)光腔20a中的隔离器28a的下游或直接地在隔离器28a之后，光滤波器还位于第二(铒)光腔20b中的光学延迟线32的下游或直接地在光学延迟线32之后。在该示例中，光滤波器是可调谐的光滤波器，从而可以调谐出所期望的波长范围并将其应用到拉曼光谱技术中。然而，光滤波器34a、34b可以是固定的或者是不可调谐的光滤波器，或者是通带滤波器，例如立奥(Lyot)滤波器。
每一个光腔20a、20b具有出口26a、26b，以将处于第一预定波长范围的第一经滤波的脉冲以及处于第二预定波长范围的第二经滤波的脉冲从激光器件10一起输出。在图1的示例中，出口26a、26b位于光滤波器34a、34b的下游。光出口被分别耦合到不同的光纤放大器36a、36b。相关的光纤放大器掺杂有与增益介质24a、24b对应的增益元素，其中增益介质24a、24b用于产生光脉冲。在图1的示例中，为了将镱(泵浦)和铒(斯托克斯)波长的光脉冲放大到100mW(毫瓦)平均功率，掺杂镱和铒的光纤放大器36a、36b分别被提供给光腔20a、20b。
图1所示的布置或装置14的光学元件12包括准直器38a、38b。激光器件10输出两个经滤波的光脉冲，且每一个光脉冲均通过准直器。因此，为了在随后的组合步骤中通过如下所述的分色镜40a和40b对光脉冲进行组合时而限制光脉冲束的发散，两个经滤波的光脉冲在它们各自的准直器38a、38b中被准直。在一些情况下，如果需要在样品42上实现叠加，可以将两个准直器中的一个放置于延迟级38c。
图1所示的布置或装置14的光学元件12还包括分色镜40a、40b。分色镜位于每一个准直器38a、38b的下游。分色镜是在不同波长下具有不同反射和透射特性的镜子。利用分色镜40a、40b将来自不同腔的两个经准直的光脉冲进行组合。然后，它们聚焦到样品42中。短通滤波器44和光谱仪46位于样品的下游。利用短通滤波器44来去除来自样品的泵浦和斯托克斯光脉冲。短通滤波器是从透射急剧过渡到反射的滤波器。所产生的CARS光谱在光谱仪46处进行测量。
在相对于图1所示的激光器件的可替选的激光器件中，来自每一个光腔20a、20b的同步并锁模的光脉冲并未在各自的光腔中进行滤波。更具体地，未经滤波的宽带光脉冲，例如图2所示的宽带光脉冲，可以从每一个光腔中输出，然后利用位于光腔外部的光滤波器进行滤波。例如，光滤波器可以被设置在光出口26a、26b和放大器36a、36b的入口之间，以在对所产生的光脉冲进行放大之前对其进行滤波，或者可以将光滤波器连接到其各自的放大器的输出端，以能够对经放大的光脉冲进行滤波。由于从光腔中去除了光滤波器，因此这些布置使结构更简单和/或使光腔更小。
在图1所示的示例中，如上文所述，可调谐光滤波器34a、34b被配置为将镱和铒光脉冲的波长分别调谐到1040nm～1080nm和1535nm～1560nm的范围，对应于大约2750cm-1～3200cm-1的频率失谐。在图3和图4中分别示出了在同步锁定状态中的经滤波的镱光脉冲和铒光脉冲的测量光谱，其中它们在调谐范围内的半峰全宽(full width at half maximum，FWHM)分别为大约1.2nm和2nm。与图2中的未经滤波的铒光脉冲的光谱相比，图4中的经滤波的铒光脉冲的光谱聚焦在所期望的波长上，从而提高了CARS的测量精度。此外，利用无本底强度自相关器来测量两个光脉冲的时域输出。对于镱光脉冲和铒光脉冲，分别在1060nm和1550nm处测量的去卷积FWHM脉冲持续时间大约为5皮秒。这使得单频CARS显微技术能够覆盖CH(碳氢键)伸缩谱带。
图5示出了测试甲醇样品的已测量的CARS光谱。在对应于在甲醇中伸缩的CH3的大约2840cm-1的失谐处，出现了尖锐的共振发射峰。该测量示出了根据本发明的示例的激光器件适合于产生用于相干拉曼光谱技术的光脉冲，从而获得了精确的CARS测量值。
上文已经描述了本发明的实施例。应当理解的是，可以在本发明的范围内对所描述的实施例做出变化和修改。

Claims (34)

1.一种激光器件，用于输出用于在样品中诱导相干拉曼散射的经滤波的光脉冲，所述激光器件包括：
第一光腔和第二光腔，所述第一光腔包括第一增益介质，所述第二光腔包括与所述第一增益介质不同的第二增益介质，其中，所述第一增益介质和所述第二增益介质中的每一个均能够由泵浦光源激发，以产生处于各自不同的波长范围的光；
同步器，其光耦合到所述第一光腔和所述第二光腔，其中，所述同步器被配置为对来自所述第一光腔和所述第二光腔的所述光进行同步和锁模；以及
第一光滤波器和第二光滤波器，其中，所述第一光滤波器和所述第二光滤波器被配置为对来自所述第一光腔和所述第二光腔的所述光分别进行滤波，以输出处于第一预定波长范围的第一经滤波的光脉冲以及处于第二预定波长范围的第二经滤波的光脉冲；
其中，所述第一光滤波器或所述第二光滤波器中的至少一个是可调谐光滤波器，并且被配置为分别改变所述第一预定波长范围或所述第二预定波长范围；并且其中，所述同步器包括可饱和吸收器，并且被配置为对来自所述第一光腔和所述第二光腔的光脉冲进行同步和被动锁模。
2.根据权利要求1所述的激光器件，其特征在于，所述可调谐光滤波器包括基于光纤可调谐光滤波器的标准具。
3.根据权利要求1或2所述的激光器件，其特征在于，所述第一光滤波器和所述第二光滤波器被分别设置在所述第一光腔和所述第二光腔的内部，并且所述第一光腔和所述第二光腔在第一光出口和第二光出口分别输出所述经滤波的光脉冲。
4.根据权利要求1或2所述的激光器件，其特征在于，所述第一光滤波器和所述第二光滤波器被分别设置在所述第一光腔和所述第二光腔的外部，并且所述第一光腔和所述第二光腔在第一光出口和第二光出口分别输出所述光。
5.根据权利要求3或4所述的激光器件，其特征在于，还包括：第一光纤放大器和第二光纤放大器，所述第一光纤放大器在所述第一光出口处并且掺杂有所述第一增益介质，所述第二光纤放大器在所述第二光出口处并且掺杂有所述第二增益介质，所述第一光纤放大器和所述第二光纤放大器用于放大所述光或所述经滤波的光脉冲。
6.根据前述权利要求中任一项所述的激光器件，其特征在于，所述同步器包括石墨烯或碳的同素异构物。
7.根据前述权利要求中任一项所述的激光器件，其特征在于，所述激光器件是光纤激光器。
8.根据权利要求7所述的激光器件，其特征在于，所述激光器件是全光纤激光器。
9.根据权利要求7或8所述的激光器件，其特征在于，所述第一光腔和所述第二光腔中的每一个均包括各向同性光纤。
10.根据权利要求7至9中任一项所述的激光器件，其特征在于，所述第一光腔和所述第二光腔中的每一个均包括单模光纤。
11.根据前述权利要求中任一项所述的激光器件，其特征在于，所述第一光腔和所述第二光腔中的一个包括光延迟线，该光延迟线用于将所述第一光腔和所述第二光腔的长度进行匹配。
12.根据权利要求11所述的激光器件，其特征在于，所述光延迟线包括光纤尾纤式光延迟线。
13.根据前述权利要求中任一项所述的激光器件，其特征在于，所述增益介质包括镱或铒中的任一种。
14.根据前述权利要求中任一项所述的激光器件，其特征在于，所述预定波长范围对应于0～4000cm-1的全拉曼光谱。
15.根据权利要求14所述的激光器件，其特征在于，所述预定波长范围包括：1040nm至1080nm的范围和/或1535nm至1600nm的范围。
16.一种光学设备，包括：前述权利要求中任一项所述的激光器件；以及两个准直器，所述两个准直器被配置为将所述经滤波的光脉冲进行准直。
17.根据权利要求16所述的光学设备，其特征在于，还包括：两个分色镜，所述两个分色镜被配置为将来自所述两个准直器的经准直的光脉冲进行组合。
18.一种从激光器件输出用于在样品中诱导相干拉曼散射的经滤波的光脉冲的方法，所述方法包括：
利用包括第一增益介质的第一光腔以及包括与所述第一增益介质不同的第二增益介质的第二光腔来产生处于各自不同的波长范围的光，其中，所述第一增益介质和所述第二增益介质中的每一个均能够由泵浦光源激发；
利用与所述第一光腔和所述第二光腔光耦合的同步器对来自所述第一光腔和所述第二光腔的所述光进行同步和锁模；
利用第一光滤波器和第二光滤波器对来自所述第一光腔和所述第二光腔的所述光分别进行滤波；
从所述第一光滤波器输出处于第一预定波长范围的第一经滤波的光脉冲以及从所述第二光滤波器输出处于第二预定波长范围的第二经滤波的光脉冲；以及
利用所述同步器对来自所述第一光腔和所述第二光腔的所述光进行同步和被动锁模，其中所述同步器包括可饱和吸收器；
其中，所述第一光滤波器或所述第二光滤波器中的至少一个是可调谐光滤波器，并且所述滤波的步骤包括：对所述可调谐光滤波器进行调谐，以改变所述第一预定波长范围或所述第二预定波长范围。
19.根据权利要求18所述的方法，其特征在于，所述可调谐光滤波器包括基于光纤可调谐光滤波器的标准具。
20.根据权利要求18或19所述的方法，其特征在于，所述第一光滤波器和所述第二光滤波器被分别设置在所述第一光腔和所述第二光腔的内部，并且所述方法还包括：从处于所述第一光腔的第一光出口以及从处于所述第二光腔的第二光出口输出所述经滤波的光脉冲。
21.根据权利要求18或19所述的方法，其特征在于，所述第一光滤波器和所述第二光滤波器被分别设置在所述第一光腔和所述第二光腔的外部，并且所述方法还包括：从处于所述第一光腔的第一光出口以及从处于所述第二光腔的第二光出口输出所述光。
22.根据权利要求20或21所述的方法，其特征在于，还包括：利用第一光纤放大器和第二光纤放大器来放大所述光或所述经滤波的光脉冲，所述第一光纤放大器在所述第一光出口处并且掺杂有所述第一增益介质，所述第二光纤放大器在所述第二光出口处并且掺杂有所述第二增益介质。
23.根据权利要求18至22中任一项所述的方法，其特征在于，所述同步器包括石墨烯或碳的同素异构物。
24.根据权利要求18至23中任一项所述的方法，其特征在于，所述激光器件是光纤激光器。
25.根据权利要求24所述的方法，其特征在于，所述激光器件是全光纤激光器。
26.根据权利要求24或25所述的方法，其特征在于，所述第一光腔和所述第二光腔中的每一个均包括各向同性光纤。
27.根据权利要求18至26任一项所述的方法，其特征在于，所述第一光腔和所述第二光腔中的每一个均包括单模光纤。
28.根据权利要求18至27中任一项所述的方法，其特征在于，利用所述第一光腔和所述第二光腔中的一个光腔中的光延迟线将所述第一光腔和所述第二光腔的长度进行匹配。
29.根据权利要求28所述的方法，其特征在于，所述光延迟线包括光纤尾纤式光延迟线。
30.根据权利要求18至29中任一项所述的方法，其特征在于，所述增益介质包括镱或铒中的任一种。
31.根据权利要求18至30中任一项所述的方法，其特征在于，所述预定波长范围对应于0～4000cm-1的全拉曼光谱。
32.根据权利要求18至31中任一项所述的方法，其特征在于，所述预定波长范围包括：1040nm至1080nm的范围和/或1535nm至1600nm的范围。
33.根据权利要求18至32中任一项所述的方法，其特征在于，还包括：利用两个准直器将从所述激光器件输出的所述经滤波的光脉冲进行准直。
34.根据权利要求33所述的方法，其特征在于，还包括：利用两个分色镜将来自所述两个准直器的经准直的光脉冲进行组合。
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