[發明專利]圓偏振孤子產生裝置及多光子顯微成像系統

在審

• 申請號: 201910552925.X
• 申請日: 2019-06-25
• 公開（公告）號: CN110221445A
• 公開（公告）日: 2019-09-10
• 發明（設計）人: 邱娉;王科;甘夢瑤;仝申;莊自偉;劉鴻吉;程慧
• 申請（專利權）人: 深圳大學
• 主分類號: G02B27/28
• 分類號: G02B27/28;G02B21/06;G02B21/36
• 代理公司: 深圳市恒申知識產權事務所(普通合伙) 44312
• 代理人: 趙勝寶

本發明涉及一種圓偏振孤子產生裝置及多光子顯微成像系統，該圓偏振孤子產生裝置包括位于同一光路上的泵浦激光器、第一四分之一波片、第一聚焦透鏡以及光纖，其中，所述泵浦激光器產生的線偏光經過第一四分之一波片后轉變為圓偏光，圓偏光經過所述聚焦透鏡后耦合到所述光纖內，圓偏光經過所述光纖后轉變為圓偏振孤子。通過第一四分之一波片，使線偏光變為圓偏光，再將圓偏光經過光纖后變成圓偏振孤子。經過試驗證明，在同等條件下，圓偏振孤子的能量是線偏振孤子能量的1.56倍，使得多光子信號能夠在大腦中傳輸的更遠，從而使人類能夠進一步探索大腦深層的組織，進而解開大腦神秘的面紗。

技術領域

本發明涉及光學成像技術領域，尤其涉及一種圓偏振孤子產生裝置及多光子顯微成像系統。

背景技術

光孤子(Soliton，Solitons in optical fibres)是指經過長距離傳輸而保持形狀不變的光脈沖。一束光脈沖包含許多不同的頻率成分，頻率不同，在介質中的傳播速度也不同，因此，光脈沖在光纖中將發生色散，使得脈寬變寬。但當具有高強度的極窄單色光脈沖入射到光纖中時，將產生克爾效應，即介質的折射率隨光強度而變化，由此導致在光脈沖中產生自相位調制，使脈沖前沿產生的相位變化引起頻率降低，脈沖后沿產生的相位變化引起頻率升高，于是脈沖前沿比其后沿傳播得慢，從而使脈寬變窄。當脈沖具有適當的幅度時，以上兩種作用可以恰好抵消，則脈沖可以保持波形穩定不變地在光纖中傳輸，即形成了光孤子，也稱為基階光孤子。若脈沖幅度繼續增大時，變窄效應將超過變寬效應，則形成高階光孤子，它在光纖中傳輸的脈沖形狀將發生連續變化，首先壓縮變窄，然后分裂，在特定距離處脈沖周期性地復原。

光孤子是由光纖中兩種最基本的物理現象，即群速度色散(GVD)和自相位調制(SPM)共同作用形成的。

光脈沖在光纖中傳輸時總是存在一定的頻率范圍，在線性近擬中，常將光脈沖表示成在一定范圍內一系列簡諧波的疊加。由于各諧波分量相速度不同，因而光脈沖包絡的傳輸通常以群速vg＝dω/dβ來表示(β為光波波數，ω為載波頻率)。由該式可見，群速度是隨著頻率的變化而變化的，而光脈沖中不同頻率的分量則會以不同的速度進行傳播，導致脈沖的分散，這種現象稱之為群速度色散(GVD)。研究的結果表明，λd＝1310nm處為零色散波長，λ>λd稱之為反常色散區域，λ<λd稱之為正常色散區域。正常與反常色散區域光脈沖的傳輸特性是不同的，在反常色散區域，光脈沖的高頻分量(藍移)較低頻分量(紅移)傳輸得快，而在正常色散區域，情況正好相反。由于傳輸情況不同，群速度色散效應不同，最終導致了光脈沖的展寬。

自相位調制效應是光波在光纖中傳輸時光波本身引起的相移。其起源于光纖的折射率n與電場強度I之間的非線性效應—克爾(kerr)效應，即：n＝n0+n2I。上式中，n＝1.45是線性折射率，n2＝6.1×1023V/m為非線性折射率系數。由上式可知，不同強度的脈沖分量相速度是不同的，這樣，在光脈沖傳輸的過程中將會產生不同的相移，結果會造成脈沖譜的變化。例如，通過對于高斯脈沖的分析表明，自相位調制會導致脈沖前沿譜紅移，后沿譜藍移，對其它形狀脈沖的分析也有類似的結果。另外，相對在群速度色散(GVD)的反常色散區，脈沖的高頻(藍移)分量運動速度要高于低頻(紅移)分量，而自相位調制(SPM)效應所導致的脈沖前沿譜紅移又使脈沖前沿運動速度減慢和脈沖后沿由于譜藍移而加快運動速度，進而使得脈沖變窄，正好與群速度色散在反常色散區的脈沖展寬的趨勢相對應。因此，當這兩種作用在數量上達到平衡時，光脈沖就會保持不變而成為光孤粒子，即光孤子。所以說，光孤子的形成機理是光纖中群速度色散和自相位調制效應在反常色散區的精確平衡。

1986年，Mitschke和Mollenauer發現光纖中的孤子自頻移(SSFS)的非線性光學效應[1]：當超短光孤子在反常色散光纖內傳播時，會經歷連續波長向長波長轉移。由孤子自頻移技術能夠產生波長可調諧的光孤子，該光孤子具有以下特點：超短的脈沖寬度(幾十飛秒到亞皮秒量級)、優異的脈沖質量以及寬帶波長的可調諧性。這些特點使其成為多光子顯微成像技術(MPM)極為理想的光源選擇。