一種高靈敏度全光纖反斯托克斯拉曼探測系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】一種高靈敏度全光纖反斯托克斯拉曼探測系統(tǒng)，光纖激光器的光輸出端分別連接第一光纖和第二光纖，第一光纖的出光端通過非線性光纖連接光纖高通濾波器，光纖高通濾波器的斯托克斯光輸出端通過第三光纖與所述第二光纖的泵浦光出光端共同連接第四光纖，所述第四光纖的出光端依次通過光纖光柵濾波器、光纖束和凸透鏡至樣品的入射端，所述樣品的光反射端依次通過光纖束和光纖光柵濾波器分別連接第一收集光纖和第二收集光纖，第一收集光纖的出光端連接光信號強度檢測單元，第二收集光纖出光端連接光譜信號檢測單元。本發(fā)明可以實現(xiàn)光源與epi-CARS信號探測的全光纖化，從而實現(xiàn)高靈敏度CARS探測系統(tǒng)的簡單化、小型化，擴大CARS探測系統(tǒng)的應(yīng)用范圍。
【專利說明】一種高靈敏度全光纖反斯托克斯拉曼探測系統(tǒng)

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種全光纖反斯托克斯拉曼探測技術(shù)。特別是涉及一種用光纖激光器直接結(jié)合非線性光纖產(chǎn)生超連續(xù)譜的高靈敏度全光纖反斯托克斯拉曼探測系統(tǒng)

【背景技術(shù)】
[0002]隨著納米科學(xué)的發(fā)展，微納米尺度的觀測表征已經(jīng)成為納米尺度研究的必需技術(shù)。例如生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域近年來取得的重大發(fā)現(xiàn)基本都是基于對細胞分子等微納米尺度功能結(jié)構(gòu)的觀測、表征，甚至操控。另外，隨著飛秒激光共振吸收以及脈沖序列控制等新加工方法的發(fā)展，激光微/納加工的精度越來越高，甚至可以達到納米尺度，但在微/納加工的過程中依然缺乏有效的監(jiān)測手段和診斷技術(shù)來實時在線地研究整個加工過程，對激光與材料的相互作用過程還缺乏了解，這已經(jīng)嚴重阻礙了激光微/納加工過程理論與技術(shù)的進一步發(fā)展和進步。而微納米尺度表征發(fā)展的主要障礙就是缺乏一種強有力的診斷技術(shù)來系統(tǒng)分析單一微納米結(jié)構(gòu)的特性。
[0003]拉曼散射基于分子特定的振動能級可用于表征識別不同的物質(zhì)分子，但是自發(fā)輻射拉曼散射截面僅為1-3tlCm2左右，信號強度非常弱，因此需要研究各種方法來增強其信號強度，以增強其探測靈敏度。90年代末期，研究出相干反斯托克斯拉曼散射(CARS)并用于生物成像，這種方法是利用非線性四波混頻過程產(chǎn)生信號，其信號靈敏度遠高于自發(fā)輻射拉曼散射。如圖1所示，在CARS過程中，頻率為od^pump光束和頻率為coJ^Stokes光束與樣品作用，發(fā)生四波混頻過程。當(dāng)差頻ωρ-ω3與拉曼活性分子振動能級相匹配時，入射光場將激發(fā)相干共振振蕩，從而產(chǎn)生高頻的反斯托克斯信號，信號頻率為《as = 2ωρ-ω3θ
[0004]CARS顯微鏡已經(jīng)用于不同振動模式的活體細胞成像，包括磷酸鹽拉伸振動(DNA)，氨基化合物I振動(蛋白質(zhì))，OH拉伸振動(水)，以及CH團的拉伸振動(油脂)。油脂的信號很強，從而使得單磷脂的雙分子層成像成為可能。比如跟蹤油脂小滴的生長，細胞內(nèi)的水?dāng)U散，生物組織的動態(tài)醫(yī)學(xué)成像。CARS還可以用于雙光子聚合以及碳納米管的表征。
[0005]雖然使用兩束同步皮秒(ps)或飛秒(fs)脈沖序列的激光掃描CARS顯微鏡已經(jīng)可以實現(xiàn)細胞成像，但是通過調(diào)整Stokes光束頻率來記錄CARS光譜需要的時間很長，這就很難實現(xiàn)微/納結(jié)構(gòu)的動態(tài)跟蹤觀測。而多波長CARS(M-CARS)可以解決這一問題。多波長CARS使用飛秒(fs)脈沖pump光束(ωρ)和超連續(xù)譜的Stokes光束(ω3)，可以快速獲得CARS信號光譜。pump光束和Stokes光束都有很寬的光譜范圍，可同時激發(fā)探測大范圍內(nèi)的拉曼位移。圖2給出了 M-CARS的能級示意圖。
[0006]相干反斯托克斯拉曼散射(CARS)顯微鏡可以作為微/納尺度表征的有力工具，分析獨立的微/納結(jié)構(gòu)形貌和化學(xué)組分變化，從而探索微/納結(jié)構(gòu)的關(guān)聯(lián)特性。實現(xiàn)微/納尺度范圍內(nèi)的觀測表征與操控。CARS系統(tǒng)比自發(fā)輻射拉曼光譜顯微鏡的效率高一個量級以上，可以實現(xiàn)低曝光高速度高靈敏度成像分析。而且，與熒光技術(shù)相比，CARS不需要外部標(biāo)定，可以實時觀測動態(tài)過程。CARS還可以在單光子熒光存在的情況下探測樣品3D截面，其穿透深度約為0.4mm,并使光致?lián)p傷實現(xiàn)最小化。從而更好地了解有機生物組織的納米尺度特性，作為實時無損傷高分辨率的監(jiān)測表征以及診斷工具，可廣泛用于生物學(xué)、生物化學(xué)、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域的研究。
[0007]但目前的CARS系統(tǒng)基本都是采用體積龐大的固體激光器作為光源，并且需要在自由空間搭建光路以實現(xiàn)光束的傳播，整個系統(tǒng)比較復(fù)雜，而且體積龐大，光路穩(wěn)定性差。而利用光纖激光器以及光纖波導(dǎo)可以大大簡化CARS系統(tǒng)，而且可以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，并實現(xiàn)系統(tǒng)的小型化，同時利用光纖放大技術(shù)可以對收集到的CARS信號進行放大，進一步提高系統(tǒng)的探測靈敏度。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是，提供一種能夠?qū)崿F(xiàn)CARS系統(tǒng)的全光纖化，同時具有光纖信號放大功能的高靈敏度全光纖反斯托克斯拉曼探測系統(tǒng)。
[0009]本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是:一種高靈敏度全光纖反斯托克斯拉曼探測系統(tǒng)，包括有光纖激光器，所述的光纖激光器的光輸出端分別連接第一光纖和第二光纖，所述的第一光纖的出光端通過非線性光纖連接光纖高通濾波器，所述的光纖高通濾波器的斯托克斯光輸出端通過第三光纖與所述第二光纖的泵浦光出光端共同連接第四光纖，所述第四光纖的出光端依次通過光纖光柵濾波器、光纖束和凸透鏡至樣品的入射端，所述樣品的光反射端依次通過光纖束和光纖光柵濾波器分別連接第一收集光纖和第二收集光纖，所述的第一收集光纖的出光端連接光信號強度檢測單元，所述的第二收集光纖出光端連接光譜信號檢測單元。
[0010]所述的光信號強度檢測單元包括有第一光纖放大器和光探測器，所述的第一光纖放大器的光輸入端連接所述的第一收集光纖的出光端，所述第一光纖放大器的光輸出端通過第一傳輸光纖連接所述的光探測器。
[0011]所述的光譜信號檢測單元包括有第二光纖放大器和光譜儀，所述的第二光纖放大器的光輸入端連接所述的第二收集光纖的出光端，所述第二光纖放大器的光輸出端通過第二傳輸光纖連接所述的光譜儀。
[0012]本發(fā)明的一種高靈敏度全光纖反斯托克斯拉曼探測系統(tǒng)，可以實現(xiàn)光源的全光纖化，可以實現(xiàn)光源與ep1-CARS信號探測的全光纖化，可以將光纖束插入被測樣本的內(nèi)部實現(xiàn)光纖內(nèi)窺式探測，可以實現(xiàn)CARS信號的光纖放大，從而實現(xiàn)高靈敏度CARS探測系統(tǒng)的簡單化、小型化，擴大CARS探測系統(tǒng)的應(yīng)用范圍，并降低CARS系統(tǒng)的搭建成本，具有可操作性，使得便攜的CARS探測系統(tǒng)成為可能，同時提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0013]圖1是CARS過程能級不意圖；
[0014]圖2a是普通M-CARS能級示意圖；
[0015]圖2b是寬帶M-CARS能級不意圖；
[0016]圖3是本發(fā)明的整體結(jié)構(gòu)示意圖。
[0017]圖中
[0018]1:光纖激光器2:第一光纖
[0019]3:第二光纖4:非線性光纖
[0020]5:光纖高通濾波器6:第三光纖
[0021]7:第四光纖8:光纖光柵濾波器
[0022]9:光纖束10:凸透鏡
[0023]11:第一收集光纖12:第二收集光纖
[0024]13:光信號強度檢測單元14:光譜信號檢測單元
[0025]131:第一傳輸光纖132:第一光纖放大器
[0026]133:光探測器141:第二傳輸光纖
[0027]142:第二光纖放大器143:光譜儀

【具體實施方式】
[0028]下面結(jié)合實施例和附圖對本發(fā)明的一種高靈敏度全光纖反斯托克斯拉曼探測系統(tǒng)做出詳細說明。
[0029]本發(fā)明的一種高靈敏度全光纖反斯托克斯拉曼探測系統(tǒng)，將一段非線性光柵直接與光纖激光器焊接在一起，直接產(chǎn)生超連續(xù)譜，作為CARS探測的一路入射光(stokes光)，另一路直接使用光纖激光器輸出光(pump光)，再將兩根光纖融合到一起實現(xiàn)pump光與stokes光在空間上的重疊，兩束光在時間上的重疊可以通過設(shè)計調(diào)整某一路的光纖長度或引入脈沖延遲技術(shù)實現(xiàn)。然后將兩束光通過光纖耦合輸出匯聚到所需探測的樣品上，并用光纖系統(tǒng)收集樣品產(chǎn)生的CARS信號，在用光纖放大器進一步增強CARS信號，從而實現(xiàn)全光纖的CARS探測系統(tǒng)，最后采用光電倍增管或光譜儀實現(xiàn)光信號的讀取分析。本發(fā)明無自由空間稱合，與光纖激光器直接輸出的pump光結(jié)合,可實現(xiàn)CARS系統(tǒng)光源的全光纖化。米用單向濾波器過濾CARS信號,形成集成光源與探測功能的光纖束，可實現(xiàn)ep1-CARS信號的全光纖化探測系統(tǒng)，從而可以將光纖束插入被測樣本的內(nèi)部實現(xiàn)光纖內(nèi)窺式探測。本發(fā)明將光纖放大器與探測光纖束連接集成在一起，無自由空間耦合，降低信號損耗的同時對信號進行增益放大?？梢缘糜帽景l(fā)明的系統(tǒng)放大不同的探測信號，如ep1-CARS信號，F(xiàn)-CARS信號，以及其他系統(tǒng)產(chǎn)生的微弱光信號。
[0030]如圖3所示，本發(fā)明的一種高靈敏度全光纖反斯托克斯拉曼探測系統(tǒng)，具體包括有光纖激光器1，所述的光纖激光器I的光輸出端分別連接第一光纖2和第二光纖3，所述的第一光纖2的出光端通過非線性光纖4連接光纖高通濾波器5，所述的光纖高通濾波器5的斯托克斯光輸出端通過第三光纖6與所述第二光纖3的泵浦光出光端共同連接第四光纖7，所述第四光纖7的出光端依次通過光纖光柵濾波器8、光纖束9和凸透鏡10至樣品的入射端，所述樣品的光反射端依次通過光纖束9和光纖光柵濾波器8分別連接第一收集光纖11和第二收集光纖12，所述的第一收集光纖11的出光端連接光信號強度檢測單元13，所述的第二收集光纖12出光端連接光譜信號檢測單元14。
[0031]所述的光信號強度檢測單元13包括有第一光纖放大器132和光探測器133，所述的第一光纖放大器132的光輸入端連接所述的第一收集光纖11的出光端，所述第一光纖放大器132的光輸出端通過第一傳輸光纖131連接所述的光探測器133。
[0032]所述的光譜信號檢測單元14包括有第二光纖放大器142和光譜儀143，所述的第二光纖放大器142的光輸入端連接所述的第二收集光纖12的出光端，所述第二光纖放大器142的光輸出端通過第二傳輸光纖141連接所述的光譜儀143。
[0033]本發(fā)明的一種高靈敏度全光纖反斯托克斯拉曼探測系統(tǒng)，光纖激光器可采用較為成熟的飛秒或皮秒脈沖激光器，可將其輸出分成兩束光纖，其中一束米用光纖焊接技術(shù)與非線性光纖直接焊接在一起，利用高脈沖功率的光纖激光器直接泵浦非線性光纖，從而直接輸出超連續(xù)譜，然后過濾掉泵浦光與超連續(xù)譜的短波長波段，使用長波長波段作為CARS探測的stokes光。另一束由光纖激光器直接輸出作為pump光,可根據(jù)stokes光路的光程計算光程差，采用合適的光纖長度或直接引入脈沖延遲技術(shù)實現(xiàn)stokes光脈沖與pump光脈沖在時間上的重合，再將兩束光纖融合或捆綁到一起，實現(xiàn)兩束光的空間重合，這樣即可實現(xiàn)CARS系統(tǒng)光源部分的全光纖化。CARS信號產(chǎn)生后可分為向前傳播的F-CARS信號以及向后傳播的ep1-CARS信號。F-CARS信號的收集還可采用獨立的光纖波導(dǎo)系統(tǒng)，將收集的信號直接傳入光電倍增管或光譜儀分析。ep1-CARS信號的收集同樣可以采用光纖波導(dǎo)系統(tǒng)，并可以將收集光纖與激光源光纖捆綁在一起，形成光纖束。在束端集成光纖光柵濾波器，可以實現(xiàn)光源信號(pump光,stokes光)與ep1-CARS信號的隔離。本發(fā)明可實現(xiàn)CARS光源與探測收集的全光纖化，從而可以將光纖束插入被測樣本的內(nèi)部實現(xiàn)光纖內(nèi)窺式探測，收集到的CARS信號可以通過一段增益光纖，實現(xiàn)信號放大，從而提高系統(tǒng)的探測靈敏度。
[0034]實施例1:
[0035]如圖1所示的系統(tǒng)，光纖激光器可根據(jù)所需的峰值功率以及脈沖寬度進行選擇，以中心波長為780nm的飛秒(fs)光纖激光器為例，其脈沖寬度為70fs，平均功率200mW。將其分成兩路光纖輸出，一路直接作為CARS探測的pump光束。另一路輸入非線性光纖產(chǎn)生超連續(xù)譜，濾除780nm以下波長，作為CARS探測的stokes光束，考慮到濾波器的帶寬，實際輸出作為stokes光束的波長范圍約在790nm以上。如需覆蓋到4000波數(shù)(基本上所有物質(zhì)的分子化學(xué)鍵探測均在這個波數(shù)范圍以內(nèi))的拉曼探測區(qū)間，則需stokes光束的最大波長達到1150nm左右，也就是說所產(chǎn)生超連續(xù)譜的覆蓋范圍在長波長一側(cè)要達到1150nm以上即可滿足CARS系統(tǒng)探測的要求。當(dāng)然光纖激光器的中心波長可以有多種選擇，如I μ m，
1.5 μ m，2 μ m等等，只要可以找到能與之相匹配的相關(guān)器件即可，如超連續(xù)譜光纖，濾波器，光纖放大器，信號探測器等。然后將pump光與stokes光合并為一路，實現(xiàn)兩光束的空間重合，兩束脈沖的時間重合可以通過不同的光纖長度實現(xiàn)，也可以引入光纖脈沖延遲器實現(xiàn)。在時間和空間上均重合的pump光與stokes光即為CARS探測系統(tǒng)所需的光源，可將其直接聚焦到所需探測的樣品上，在同向方向上可利用光纖束收集F-CARS信號，在背向方向上可利用與光源光纖捆綁在一起的光纖束收集到ep1-CARS信號。收集到信號的光纖束可直接連接增益光纖，進行信號的光纖放大。最后是收集信號的探測分析過程，可與常用的自由空間CARS系統(tǒng)一致，采用光電探測器或者光譜儀作為信號探測終端。
[0036]利用上述方法可以獲得全光纖的CARS探測系統(tǒng)，該系統(tǒng)簡單可靠，搭建制造成本低，而且可以實現(xiàn)小型化，滿足便攜系統(tǒng)的要求，還可利用光纖束實現(xiàn)內(nèi)窺式的CARS探測，可大大擴展CARS探測的應(yīng)用范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種高靈敏度全光纖反斯托克斯拉曼探測系統(tǒng)，包括有光纖激光器(I)，其特征在于，所述的光纖激光器(I)的光輸出端分別連接第一光纖(2)和第二光纖(3)，所述的第一光纖(2)的出光端通過非線性光纖(4)連接光纖高通濾波器(5)，所述的光纖高通濾波器(5)的斯托克斯光輸出端通過第三光纖(6)與所述第二光纖(3)的泵浦光出光端共同連接第四光纖(7)，所述第四光纖(7)的出光端依次通過光纖光柵濾波器(8)、光纖束(9)和凸透鏡(10)至樣品的入射端，所述樣品的光反射端依次通過光纖束(9)和光纖光柵濾波器(8)分別連接第一收集光纖(11)和第二收集光纖(12)，所述的第一收集光纖(11)的出光端連接光信號強度檢測單元(13)，所述的第二收集光纖(12)出光端連接光譜信號檢測單元(14)ο
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高靈敏度全光纖反斯托克斯拉曼探測系統(tǒng)，其特征在于，所述的光信號強度檢測單元(13)包括有第一光纖放大器(132)和光探測器(133)，所述的第一光纖放大器(132)的光輸入端連接所述的第一收集光纖(11)的出光端，所述第一光纖放大器(132)的光輸出端通過第一傳輸光纖(131)連接所述的光探測器(133)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高靈敏度全光纖反斯托克斯拉曼探測系統(tǒng)，其特征在于，所述的光譜信號檢測單元(14)包括有第二光纖放大器(142)和光譜儀(143)，所述的第二光纖放大器(142)的光輸入端連接所述的第二收集光纖(12)的出光端，所述第二光纖放大器(142)的光輸出端通過第二傳輸光纖(141)連接所述的光譜儀(143)。
【文檔編號】G01N21/65GK104390951SQ201410669729
【公開日】2015年3月4日 申請日期:2014年11月20日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月20日
【發(fā)明者】史偉, 郭寶山 申請人:天津大學(xué)