[发明专利]基于锥形光纤探针激发的CARS显微成像装置和方法

权利要求书

1.一种基于锥形光纤探针激发的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）、电控液晶波片（2）、偏振分束棱镜（3）、斯托克斯光路部分、第二光纤耦合镜（7）、泵浦光路部分、反射镜（8）、泵浦光路、锥形光纤合束器（11）以及信号采集及处理系统（15）；其中：所述飞秒激光器（1）输出脉宽为百飞秒量级、水平线偏振的超短脉冲，入射至电控液晶波片（2）；电控液晶波片（2）透射输出的超短脉冲经偏振分束棱镜（3）分为透射输出的斯托克斯光路部分和反射输出泵浦光路部分；所述斯托克斯光路部分由依序连接的第一光纤耦合镜（4）、高非线性保偏光子晶体光纤（5）、光纤准直扩束镜（6）组成；由所述偏振分束棱镜（3）一个输出端与所述第一光纤耦合镜（4）的输入端连接，所述光纤准直扩束镜（6）的输出端与所述第二光纤耦合镜（7）的输入端连接；所述偏振分束棱镜（3）反射输出的超短脉冲经所述反射镜（8）入射至可调空间光延时线（9）；所述泵浦光路部分由依序连接的可调空间光延时线（9）、第三光纤耦合镜（10）组成；所述第三光纤耦合镜（10）的输出端与所述锥形光纤合束器（11）连接，所述锥形光纤合束器输出的时间重叠、空间重叠、具有相同线性啁啾的斯托克斯光脉冲和泵浦光脉冲入射至位于三维电控载物台上的待测样品中，以激发待测样品焦点处的CARS信号；所述CARS信号作为信号采集及处理系统的输入，以实现CARS信号的采集和处理；

所述电控液晶波片（2），由外加电压控制透射输出的超短脉冲偏振态，使其在水平线偏振、椭偏光、圆偏光和竖直线偏振之间连续变化，实现输出光功率的电控连续可调；

所述偏振分束棱镜（3），用于实现偏振相关分束；

第一光纤耦合镜（4），用于将偏振分束棱镜（3）透射输出的超短脉冲耦合进高非线性保偏光子晶体光纤；

所述高非线性保偏光子晶体光纤（5），用于产生波长可大范围连续调节的光孤子，用作斯托克斯光脉冲；

所述光纤准直扩束镜（6），用于准直扩束输出的斯托克斯光脉冲；

所述第二光纤耦合镜（7），用于将经光纤准直扩束镜（6）准直扩束输出的斯托克斯光脉冲再经第二光纤耦合镜（7）耦合至锥形光纤合束器（11）的斯托克斯光传输光纤（111）；

所述可调空间光延时线（9），用于调节泵浦光脉冲的时间延迟，使泵浦光

脉冲和斯托克斯光脉冲同时入射至待测样品中；

所述第三光纤耦合镜（10），用于将所述可调空间光延时线（9）输出的延时可变的超短脉冲经第三光纤耦合镜（10）耦合至锥形光纤合束器（11）的泵浦光传输光纤（112）；所述锥形光纤合束器（11），用于使斯托克斯光脉冲和泵浦光脉冲具有相同的线性啁啾以及对斯托克斯光脉冲和泵浦光脉冲的光纤聚焦。

2.如权利要求1所述的基于锥形光纤探针激发的CARS显微成像装置，其特征在于，所述锥形光纤合束器（11）由斯托克斯光传输光纤（111）、泵浦光传输光纤（112）、合束器（113）和锥形激发光纤（114）构成所述；斯托克斯光脉冲经所述斯托克斯光传输光纤（111）传输至所述合束器（113），并在此处与由所述泵浦光传输光纤（112）传输的泵浦光脉冲合束，合束后的斯托克斯光脉冲和泵浦光脉冲经所述锥形激发光纤（114）传输并聚焦至位于三维电控载物台（12）的待测样品上。

3.如权利要求2所述的基于锥形光纤探针激发的CARS显微成像装置，其特征在于，锥形激发光纤（114）由普通单模光纤经光纤拉锥制成，锥区直径小于500nm。

4.一种基于锥形光纤探针激发的CARS显微成像方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤1：飞秒激光器输出百飞秒量级、水平线偏振的超短脉冲，入射至电控液晶波片；通过加在电控液晶波片的电压调节，透射输出具有在水平线偏振、椭偏振、圆偏振、竖直线偏振之间可连续变化的偏振态的超短脉冲，所述超短脉冲入射至偏振分束棱镜实现偏振相关分束，其中透射输出光脉冲的偏振态为水平线偏振，反射输出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，改变偏振分束棱镜透射输出超短脉冲和反射输出超短脉冲的光功率，即得到偏振分束棱镜透射输出的功率可调的超短脉冲和；

步骤2：所述偏振分束棱镜透射输出的功率可调的超短脉冲经第一光纤耦合镜耦合至高非线性保偏光子晶体光纤；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，由高非线性保偏光子晶体光纤孤子自频移效应所产生的光孤子用作斯托克斯光脉冲；

步骤3：偏振分束棱镜反射输出的功率可调的超短脉冲经反射镜入射至可调空间光延时线，通过可调空间光延时线实现光束的时间延迟，可调空间光延时线输出的时延可变超短脉冲用作泵浦光脉冲；

步骤4：所述斯托克斯光脉冲经第二光纤耦合镜耦合进锥形光纤合束器的斯托克斯光传输光纤，而所述泵浦光脉冲则经第三光纤耦合镜耦合进锥形光纤合束器的泵浦光传输光纤，所述斯托克斯光脉冲和所述泵浦光脉冲分别经各自的传输光纤传输后在合束器位置处合束并输出至锥形激发光纤；调节斯托克斯光传输光纤和泵浦光传输光纤的长度，使斯托克斯光脉冲和泵浦光脉冲具有相同的线性啁啾，以实现光谱聚焦；通过调节锥形光纤锥区长度以及输出端直径，以实现锥形光纤对斯托克斯光脉冲和泵浦光脉冲的光纤聚焦；

步骤5：调节可调空间光延时线，使斯托克斯光脉冲和泵浦光脉冲在锥形光纤合束器的输出端实现时间重叠；

步骤6：将锥形光纤合束器输出的时间重叠、空间重叠、具有相同线性啁啾的斯托克斯光脉冲和泵浦光脉冲入射至位于三维电控载物台上的待测样品中，以激发待测样品焦点处的CARS信号；

步骤7：由待测样品透射输出的CARS信号经集光物镜收集和滤光片滤除残余的泵浦光脉冲和斯托克斯光脉冲后，入射至信号采集及处理系统，以实现CARS信号的采集和处理；

步骤8：调节斯托克斯光脉冲波长，实现焦点处待测样品的完整拉曼共振谱测量，通过移动三维电控载物台使焦点在待测样品中逐点移动，实现待测样品中不同位置处CARS信号的测量，即实现对待测样品中目标化学键的无标记、非接触、化学选择性的CARS显微成像。