[发明专利]一种高灵敏度全光纤反斯托克斯拉曼探测系统

说明书

技术领域

本发明涉及一种全光纤反斯托克斯拉曼探测技术。特别是涉及一种用光纤激光器直接结合非线性光纤产生超连续谱的高灵敏度全光纤反斯托克斯拉曼探测系统

背景技术

随着纳米科学的发展，微纳米尺度的观测表征已经成为纳米尺度研究的必需技术。例如生物医学领域近年来取得的重大发现基本都是基于对细胞分子等微纳米尺度功能结构的观测、表征，甚至操控。另外，随着飞秒激光共振吸收以及脉冲序列控制等新加工方法的发展，激光微/纳加工的精度越来越高，甚至可以达到纳米尺度，但在微/纳加工的过程中依然缺乏有效的监测手段和诊断技术来实时在线地研究整个加工过程，对激光与材料的相互作用过程还缺乏了解，这已经严重阻碍了激光微/纳加工过程理论与技术的进一步发展和进步。而微纳米尺度表征发展的主要障碍就是缺乏一种强有力的诊断技术来系统分析单一微纳米结构的特性。

拉曼散射基于分子特定的振动能级可用于表征识别不同的物质分子，但是自发辐射拉曼散射截面仅为10^-30cm²左右，信号强度非常弱，因此需要研究各种方法来增强其信号强度，以增强其探测灵敏度。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，这种方法是利用非线性四波混频过程产生信号，其信号灵敏度远高于自发辐射拉曼散射。如图1所示，在CARS过程中，频率为ω_p的pump光束和频率为ω_s的Stokes光束与样品作用，发生四波混频过程。当差频ω_p-ω_s与拉曼活性分子振动能级相匹配时，入射光场将激发相干共振振荡，从而产生高频的反斯托克斯信号，信号频率为ω_as＝2ω_p-ω_s。

CARS显微镜已经用于不同振动模式的活体细胞成像，包括磷酸盐拉伸振动(DNA)，氨基化合物I振动(蛋白质)，OH拉伸振动(水)，以及CH团的拉伸振动(油脂)。油脂的信号很强，从而使得单磷脂的双分子层成像成为可能。比如跟踪油脂小滴的生长，细胞内的水扩散，生物组织的动态医学成像。CARS还可以用于双光子聚合以及碳纳米管的表征。

虽然使用两束同步皮秒(ps)或飞秒(fs)脉冲序列的激光扫描CARS显微镜已经可以实现细胞成像，但是通过调整Stokes光束频率来记录CARS光谱需要的时间很长，这就很难实现微/纳结构的动态跟踪观测。而多波长CARS(M-CARS)可以解决这一问题。多波长CARS使用飞秒(fs)脉冲pump光束(ω_p)和超连续谱的Stokes光束(ω_s)，可以快速获得CARS信号光谱。pump光束和Stokes光束都有很宽的光谱范围，可同时激发探测大范围内的拉曼位移。图2给出了M-CARS的能级示意图。

相干反斯托克斯拉曼散射(CARS)显微镜可以作为微/纳尺度表征的有力工具，分析独立的微/纳结构形貌和化学组分变化，从而探索微/纳结构的关联特性。实现微/纳尺度范围内的观测表征与操控。CARS系统比自发辐射拉曼光谱显微镜的效率高一个量级以上，可以实现低曝光高速度高灵敏度成像分析。而且，与荧光技术相比，CARS不需要外部标定，可以实时观测动态过程。CARS还可以在单光子荧光存在的情况下探测样品3D截面，其穿透深度约为0.4mm，并使光致损伤实现最小化。从而更好地了解有机生物组织的纳米尺度特性，作为实时无损伤高分辨率的监测表征以及诊断工具，可广泛用于生物学、生物化学、生物医学等领域的研究。

但目前的CARS系统基本都是采用体积庞大的固体激光器作为光源，并且需要在自由空间搭建光路以实现光束的传播，整个系统比较复杂，而且体积庞大，光路稳定性差。而利用光纤激光器以及光纤波导可以大大简化CARS系统，而且可以提高系统的稳定性，并实现系统的小型化，同时利用光纤放大技术可以对收集到的CARS信号进行放大，进一步提高系统的探测灵敏度。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种能够实现CARS系统的全光纤化，同时具有光纤信号放大功能的高灵敏度全光纤反斯托克斯拉曼探测系统。