[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

说明书

本发明公开了一种基于锥形光纤探针激发的CARS显微成像装置和方法，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)，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。本发明结构简单、调节方便，可以实现光谱聚焦，充分利用超短脉冲的光谱能量并且提高拉曼共振谱分辨率。

技术领域

本发明属于光纤光学及共振谱显微成像领域，涉及一种CARS显微成像装置和方法。

背景技术

相干反斯托克斯拉曼散射(coherent anti-Stokes Raman scattering，CARS)显微成像技术是一种基于四波混频效应的共振光谱显微成像技术，将泵浦光脉冲和斯托克斯光脉冲同时入射至待测样品中，当两束光脉冲的能量差等于待测样品中目标化学键的共振能级时，发生四波混频效应，产生反斯托克斯拉曼散射光，即CARS信号。因此，通过检测待测样品中CARS信号的空间分布即可实现待测样品的无标记、非接触和化学选择性显微成像。由于CARS显微成像系统中泵浦光脉冲和斯托克斯光脉冲需同时入射至待测样品的同一位置以实现待测样品中某一点位置处CARS信号的激发，且两束光的聚焦光斑应足够小以实现待测样品的三维空间成像，同时满足四波混频过程中的相位匹配条件、提高CARS信号激发效率。因此，传统CARS显微成像系统中多使用空间光路实现泵浦光脉冲和斯托克斯光脉冲的合束并通过高数值孔径物镜将两束脉冲紧聚焦至待测样品。但是，空间光束的使用使得传统CARS显微成像系统体积庞大、调节复杂、需要专业人员定期维护、运行成本高昂。而光纤由于具有无校准、免维护、空间布置灵活方便等特点，将光纤用于CARS显微成像系统可以减少系统复杂性、提高系统使用效率、降低系统运行成本等优势。因此，光纤技术和CARS显微成像系统的结合引起广大研究者的热切关注。

发明内容

本发明旨在提出一种基于锥形光纤探针激发的CARS显微成像装置和方法，使用光纤合束器代替传统的空间合束光路，并将合束后的泵浦光脉冲和斯托克斯光脉冲经锥形光纤入射至待测样品，实现CARS显微的成像装置和成像方法。本发明摒弃了传统CARS显微成像系统中的空间激发光路，具有泵浦光脉冲和斯托克斯光脉冲本质上的空间位置重合特性以及本质上的光谱聚焦特性。

本发明的一种基于锥形光纤探针激发的CARS显微成像装置，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；所述第二光纤耦合镜7的输出端将斯托克斯光路入射至所述连接反射镜8；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；所述反射镜8入射至可调空间光延时线9；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；