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原文传递基于光纤双折射效应的时间分辨CARS显微成像装置和方法

专利名称：	基于光纤双折射效应的时间分辨CARS显微成像装置和方法
摘要：	本发明公开了一种基于光纤双折射效应的时间分辨CARS显微成像装置和方法，该装置至少包括飞秒激光器、功率调节部分、斯托克斯光路部分、泵浦光脉冲和探测光脉冲光路部分、短通二向色镜以及CARS显微成像系统；将超短脉冲的一部分沿保偏光纤快轴和慢轴的角平分线入射，利用保偏光纤快轴和慢轴折射率的不同，使保偏光纤输出端的快轴光脉冲和慢轴光脉冲产生相对时延，并将其分别用作泵浦光脉冲和探测光脉冲，同时利用超短脉冲的另一部分输入高非线性保偏光子晶体光纤，通过孤子自频移效应产生波长红移光孤子脉冲，该波长红移光孤子脉冲用作斯托克斯光脉冲。本发明在实现时间分辨CARS信号的测量的同时，减少了传统时间分辨CARS显微成像系统的复杂性。
专利类型：	发明专利
国家地区组织代码：	天津;12
申请人：	天津大学
发明人：	江俊峰;张永宁;刘铁根;刘琨;王双;张学智;丁振扬
专利状态：	有效
申请日期：	2019-08-24T00:00:00+0800
发布日期：	2019-11-19T00:00:00+0800
申请号：	CN201910786981.X
公开号：	CN110470647A
代理机构：	天津市北洋有限责任专利代理事务所
代理人：	李素兰
分类号：	G01N21/65(2006.01);G;G01;G01N;G01N21
申请人地址：	300072 天津市南开区卫津路92号
主权项：	1.一种基于光纤双折射效应的时间分辨CARS显微成像装置，其特征在于，该装置至少包括飞秒激光器(1)、功率调节部分、斯托克斯光路部分、泵浦光脉冲和探测光脉冲光路部分、短通二向色镜(18)以及CARS显微成像系统(19)，其特征在于，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，入射至所述功率调节部分；所述功率调节部分由电控液晶波片(2)和偏振分束棱镜(3)构成；在所述功率调节部分：所述超短脉冲经电控液晶波片(2)后入射至偏振分束棱镜(3)，经所述偏振分束棱镜(3)输出两部分超短脉冲：一部分是透射输出的功率可连续调节的水平线偏振超短脉冲，再入射至斯托克斯光路部分；而另一部分是反射输出的超短脉冲，经第二反射镜(12)入射至泵浦光脉冲和探测光脉冲光路部分；所述斯托克斯光路部分由功率调节由第一二分之一波片(4)、第一扩束镜(5)、第一光纤耦合镜(6)、高非线性保偏光子晶体光纤(7)、第一光纤准直扩束器(8)、第一反射镜(9)、长通滤光片(10)和可调空间光延时线(11)构成，在所述斯托克斯光路部分部分：所述透射输出的功率可连续调节的水平线偏振超短脉冲依次经所述第一二分之一波片(4)、所述第一扩束镜(5)和所述第一光纤耦合镜(6)后入射至所述高非线性保偏光子晶体光纤(7)；所述透射输出的功率可连续调节的水平线偏振超短脉冲在所述高非线性保偏光子晶体光纤(7)中传输时，产生沿着波长方向移动的光孤子脉冲即斯托克斯光脉冲，并由所述第一光纤准直扩束器(8)准直扩束输出；所述斯托克斯光脉冲经所述第一反射镜(9)转向后入射至所述长通滤光片(10)，所述长通滤光片(10)透射输出光入射至所述可调空间光延时线(11)；所述可调空间光延时线(11)由第一、第二直角反射棱镜(111)、(112)和一个高精度电控位移台(113)组成，所述第一直角反射棱镜(111)将入射的斯托克斯光脉冲反射至固定于所述高精度电控位移台(113)的第二直角反射镜(112)，所述第二直角反射棱镜(112)反射回来的光脉冲通过其另一直角边反射输出时间延迟可变的斯托克斯光脉冲；所述高精度电控位移台(113)用于调节斯托克斯光脉冲的时间延迟；所述时间延迟可变的斯托克斯光脉冲入射至短通二向色镜(18)，并由所述短通二向色镜(18)反射输出；所述泵浦光脉冲和探测光脉冲光路部分由第二二分之一波片(13)、第二扩束镜(14)和第二光纤耦合镜(15)入射至保偏光纤(16)和第二光纤准直扩束器(17)，在所述泵浦光脉冲和探测光脉冲光路部分：所述时间延迟可变的斯托克斯光脉冲依次经第二二分之一波片(13)、第二扩束镜(14)和第二光纤耦合镜(15)入射至保偏光纤(16)，经保偏光纤(16)分别作为时泵浦光脉冲和探测光脉冲输出；所述保偏光纤(16输出的泵浦光脉冲和探测光脉冲经过第二光纤准直扩束器(17)实现光束准直扩束后，由短通二向色镜透射(18)输出；经所述短通二向色镜(18)将反射输出的斯托克斯光脉冲和透射输出的泵浦光脉冲及探测光脉冲合束输出后，入射至CARS显微成像系统(19)，实现对待测样品CARS信号的共焦激发及检测。 2.一种基于光纤双折射效应的时间分辨CARS显微成像方法，其特征在于，该方法至少包括如下步骤：步骤1：飞秒激光器输出的脉宽为40～200fs、线偏振的超短脉冲入射至电控液晶波片，电控液晶波片通过电压调节透射输出的超短脉冲偏振态，使其在水平线偏光、椭偏光、圆偏光、竖直线偏光之间连续变化；经电控液晶波片输出的偏振态可连续变化的超短脉冲入射至偏振分束棱镜实现偏振相关分束，其中透射输出的超短光脉冲的偏振态为水平线偏振，反射输出的超短光脉冲的偏振态为竖直线偏振方向；通过改变入射至偏振分束棱镜的偏振态来改变透射输出的超短光光脉冲的光功率和反射输出的超短光脉冲的光功率；实现偏振分束棱镜输出光功率的电控连续可调；步骤2：偏振分束棱镜透射输出的功率可连续调节的水平线偏振超短脉冲依次经第一二分之一波片、第一扩束镜和第一光纤耦合镜入射至高非线性保偏光子晶体光纤，所述功率可连续调节的水平线偏振超短脉冲在高非线性保偏光子晶体光纤中传输时，产生波长向长波长方向移动的光孤子，且孤子频移量随入射超短脉冲光功率的增加而增加，将此波长红移的光孤子用作系统中的斯托克斯光脉冲；其中，第一二分之一波片用于调节超短脉冲偏振态，使之沿高非线性保偏光子晶体光纤的光轴入射，实现孤子波长的最大范围移动，第一扩束镜用于将光束直径扩展，提高空间光束耦合进入高非线性保偏光子晶体光纤的耦合效率；第一光纤耦合镜用于将空间光束耦合镜高非线性保偏光子晶体光纤中；步骤3：高非线性保偏光子晶体光纤输出的斯托克斯光脉冲依次经第一反射镜、长通滤光片和可调空间光延时线入射至短通二向色镜反射输出，通过第一反射镜改变斯托克斯光脉冲的传输方向，通过长通滤光片消除残余的泵浦光脉冲的影响，通过可调空间光延时线改变斯托克斯光脉冲的相对时延，使之与泵浦光脉冲实现时间重叠；步骤4：偏振分束棱镜反射输出的功率可连续调节的竖直线偏振超短脉冲经第二反射镜入射至第二二分之一波片，经第二二分之一波片调节线偏振方向后依次经第二扩束镜、第二光纤耦合镜入射至保偏光纤；调节第二二分之一波片使其透射输出的超短脉冲线偏振方向沿保偏光纤快轴和慢轴之间的角平分线，使超短脉冲在其中传输时快轴和慢轴方向的分量产生走离效应，即沿快轴方向传输的超短脉冲和沿慢轴传输的超短脉冲在时域上相互分离且快轴方向传输的超短脉冲较快，将快轴方向输出的超短脉冲用作系统的泵浦光脉冲，相应的慢轴方向输出的超短脉冲则用作系统的探测光脉冲，通过调节保偏光纤长度即可调节保偏光纤输出端泵浦光脉冲和探测光脉冲的相对延迟；步骤5：保偏光纤输出的泵浦光脉冲和探测光脉冲经第二光纤准直扩束器准直扩束后，经短通二向色镜透射输出，并与步骤3中由短通二向色镜反射输出的斯托克斯光脉冲合束；步骤6：合束后的泵浦光脉冲、探测光脉冲和斯托克斯光脉冲同时入射至CARS显微成像系统，激发并收集待测样品中目标化学键的CARS信号，通过对CARS信号的分析与重构即可实现待测样品的非接触、无标记以及化学选择性成像。
所属类别：	发明专利