[發明專利]利用光纖產生的四波混頻信號進行CARS成像的系統及方法

有效

• 申請號: 201210053798.7
• 申請日: 2012-03-02
• 公開（公告）號: CN102608100A
• 公開（公告）日: 2012-07-25
• 發明（設計）人: 楊亞良;張雨東;李喜琪
• 申請（專利權）人: 中國科學院光電技術研究所
• 主分類號: G01N21/65
• 分類號: G01N21/65
• 代理公司: 中科專利商標代理有限責任公司 11021
• 代理人: 梁愛榮

1.利用光纖產生的四波混頻信號進行CARS成像的系統，其特征在于：包括激光光源(1)、第一反射鏡(2)、第二反射鏡(3)、光學參量振蕩器(4)、第三反射鏡(5)、第四反射鏡(6)、第五反射鏡(7)、第六反射鏡(8)、第七反射鏡(9)、第八反射鏡(10)、精密位移臺(11)、第九反射鏡(12)、第一長波通二向色鏡(13)、第十反射鏡(14)、耦合物鏡(15)、光纖(16)、二維掃描器(17)、聚焦透鏡(18)、支承套(19)、樣品(20)、第二長波通二向色鏡(21)、帶通濾波片(22)、成像透鏡(23)、探測器(24)和計算機(25)，其中：

從激光光源(1)的輸出端口a發出的倍頻光束經第一反射鏡(2)和第二反射鏡(3)反射后，輸入并泵浦光學參量振蕩器(4)，由光學參量振蕩器(4)輸出的光束為CARS成像的泵浦光；從激光光源(1)的輸出端口b發出的基頻光束為CARS成像的斯托克斯光，斯托克斯光依次經第三反射鏡(5)、第四反射鏡(6)、第五反射鏡(7)、第六反射鏡(8)、第七反射鏡(9)、第八反射鏡(10)、和第九反射鏡(12)反射后至第一長波通二向色鏡(13)，這一光路為斯托克斯光路；

在斯托克斯光路中的第六反射鏡(8)和第七反射鏡(9)安裝在精密位移臺(11)上；通過調節精密位移臺(11)、以及第八反射鏡(10)與第九反射鏡(12)，分別使從光學參量振蕩器(4)輸出的泵浦光和從第九反射鏡(12)來的斯托克斯光通過第一長波通二向色鏡(13)后在時間和空間上重合；時間和空間上重合的泵浦光和斯托克斯光經第十反射鏡(14)反射至第二長波通二向色鏡(21)后，被耦合物鏡(15)耦合進光纖(16)中傳輸；時間和空間上重合的泵浦光和斯托克斯光在光纖(16)中傳輸時，激發出非相位匹配的四波混頻信號，把四波混頻信號作為CARS成像的探針光；從光纖(16)輸出的泵浦光、斯托克斯光和探針光被聚焦透鏡(18)聚焦在樣品(20)上并激發出CARS信號；光纖(16)的端部固定在二維掃描器(17)上，并使光纖(16)伸出一小段成為懸臂梁，二維掃描器(17)和聚焦透鏡(18)安裝在支承套(19)內；

由樣品(20)產生的CARS信號光和被樣品(20)后向反射或散射的泵浦光、斯托克斯光和探針光，被聚焦透鏡(18)收集并耦合進光纖(16)中傳輸，然后經耦合物鏡(15)后至第二長波通二向色鏡(21)；被樣品(20)后向反射或散射的泵浦光、斯托克斯光和探針光透過第二長波通二向色鏡(21)，CARS信號光被第二長波通二向色鏡(21)反射后經帶通濾波片(22)和成像透鏡(23)后被探測器(24)接收；

計算機(25)控制安裝在支承套(19)內的二維掃描器(17)帶著光纖端部共振，使被聚焦透鏡(18)聚焦的泵浦光、斯托克斯光和探針光在樣品(20)上進行二維掃描，計算機(25)同時控制探測器(24)同步采集CARS信號并傳輸至計算機(25)進行處理，從而得到樣品的二維CARS成像結果。

2.根據權利要求1所述的利用光纖產生的四波混頻信號進行CARS成像的系統，其特征在于：所述的激光光源(1)為具有2～7ps或者102fs量級脈沖寬度的高頻脈沖近紅外激光光源，所述高頻脈沖近紅外激光光源具有從輸出端口b發出的基頻光束、從輸出端口a發出的倍頻光束。

3.根據權利要求1所述的利用光纖產生的四波混頻信號進行CARS成像的系統，其特征在于：所述的光學參量振蕩器(4)是與激光光源(1)的脈沖寬度相匹配的、波長在近紅外波段可調的激光產生器。

4.根據權利要求1所述的利用光纖產生的四波混頻信號進行CARS成像的系統，其特征在于：所述的第五反射鏡(7)至第六反射鏡(8)的光束、和第七反射鏡(9)至第八反射鏡(10)的光束的方向都與精密位移臺(11)的位移調節方向平行。

5.根據權利要求1所述的利用光纖產生的四波混頻信號進行CARS成像的系統，其特征在于：所述的光纖(16)的輸入端端面位于耦合物鏡(15)的前焦面上。

6.根據權利要求1所述的利用光纖產生的四波混頻信號進行CARS成像的系統，其特征在于：所述的探測器(24)的感光面位于成像透鏡(23)的前焦面上。

7.一種使用權利要求1所述CARS成像系統的利用光纖產生的四波混頻信號進行CARS成像的方法，包括以下步驟：

步驟S1：把激光光源輸出的基頻光束作為CARS成像的斯托克斯光，托克斯光的頻率記為ω_s；把激光光源輸出的倍頻光束泵浦光學參量振蕩器后產生和輸出的光束作為CARS成像的泵浦光，泵浦光的頻率記為ω_p；

步驟S2：通過調節斯托克斯光路中的反射鏡，使斯托克斯光和泵浦光在通過第一長波通二向色鏡后在空間上重合；

步驟S3：通過調節斯托克斯光路中的精密位移臺，使斯托克斯光和泵浦光在通過第一長波通二向色鏡后在時間上重合；

步驟S4：通過調節光學參量振蕩器中增益介質的溫度來調節輸出的泵浦光波長，使泵浦光和斯托克斯光的頻率差與待測分子化學鍵的共振頻率Ω_vib相匹配，即滿足：Ω_vib＝ω_p-ω_s；

步驟S5：把時間和空間上重合的泵浦光和斯托克斯光在光纖中傳輸時激發出的頻率為ω_fwm＝2ω_p-ω_s的非相位匹配四波混頻信號，作為CARS成像的探針光，探針光的頻率記為ω_pr；

步驟S6：將泵浦光、斯托克斯光和探針光通過聚焦透鏡聚焦在樣品上后，激發出滿足相位匹配條件的CARS信號光，CARS信號光的頻率為ω_as＝ω_p+ω_pr-ω_s；

步驟S7：由樣品產生的CARS信號光，以及被樣品后向反射或散射的泵浦光、斯托克斯光和探針光被聚焦透鏡收集并耦合進光纖中傳輸，在光纖輸出端只有CARS信號光被第二長波通二向色鏡反射至探測器，探測器接收到的光信號被轉換成電信號后傳輸至計算機進行處理；

步驟S8：計算機控制二維掃描器帶著光纖端部共振，使聚焦光束在樣品上進行二維掃描，從而得到樣品的二維CARS成像結果。