一种高灵敏度全光纤反斯托克斯拉曼探测系统技术方案

一种高灵敏度全光纤反斯托克斯拉曼探测系统，光纤激光器的光输出端分别连接第一光纤和第二光纤，第一光纤的出光端通过非线性光纤连接光纤高通滤波器，光纤高通滤波器的斯托克斯光输出端通过第三光纤与所述第二光纤的泵浦光出光端共同连接第四光纤，所述第四光纤的出光端依次通过光纤光栅滤波器、光纤束和凸透镜至样品的入射端，所述样品的光反射端依次通过光纤束和光纤光栅滤波器分别连接第一收集光纤和第二收集光纤，第一收集光纤的出光端连接光信号强度检测单元，第二收集光纤出光端连接光谱信号检测单元。本实用新型专利技术可以实现光源与epi-CARS信号探测的全光纤化，从而实现高灵敏度CARS探测系统的简单化、小型化，扩大CARS探测系统的应用范围。

【技术实现步骤摘要】
一种高灵敏度全光纤反斯托克斯拉曼探测系统
本技术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
技术介绍
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宄的必需技术。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宄整个加工过程，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_3°cm2左右，信号强度非常弱，因此需要研宄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，研宄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oj^pump光束和频率为ω J^Stokes光束与样品作用，发生四波混频过程。当差频ωρ-ω3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《as= 2ω ρ-ω3θ 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(ωρ)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2a、图2b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O. 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宄。 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。
技术实现思路
本技术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。 本技术所采用的技术方案是：一种高灵敏度全光纤反斯托克斯拉曼探测系统，包括有光纤激光器，所述的光纤激光器的光输出端分别连接第一光纤和第二光纤，所述的第一光纤的出光端通过非线性光纤连接光纤高通滤波器，所述的光纤高通滤波器的斯托克斯光输出端通过第三光纤与所述第二光纤的泵浦光出光端共同连接第四光纤，所述第四光纤的出光端依次通过光纤光栅滤波器、光纤束和凸透镜至样品的入射端，所述样品的光反射端依次通过光纤束和光纤光栅滤波器分别连接第一收集光纤和第二收集光纤，所述的第一收集光纤的出光端连接光信号强度检测单元，所述的第二收集光纤出光端连接光谱信号检测单元。 所述的光信号强度检测单元包括有第一光纤放大器和光探测器，所述的第一光纤放大器的光输入端连接所述的第一收集光纤的出光端，所述第一光纤放大器的光输出端通过第一传输光纤连接所述的光探测器。 所述的光谱信号检测单元包括有第二光纤放大器和光谱仪，所述的第二光纤放大器的光输入端连接所述的第二收集光纤的出光端，所述第二光纤放大器的光输出端通过第二传输光纤连接所述的光谱仪。 本技术的一种高灵敏度全光纤反斯托克斯拉曼探测系统，可以实现光源的全光纤化，可以实现光源与epi-CARS信号探测的全光纤化，可以将光纤束插入被测样本的内部实现光纤内窥式探测，可以实现CARS信号的光纤放大，从而实现高灵敏度CARS探测系统的简单化、小型化，扩大CARS探测系统的应用范围，并降低CARS系统的搭建成本，具有可操作性，使得便携的CARS探测系统成为可能，同时提高系统的稳定性和可靠性。 【附图说明】 图I是CARS过程能级不意图； 图2a是普通M-CARS能级示意图； 图2b是宽带M-CARS能级示意图； 图3是本技术的整体结构示意图。 图中 I :光纤激光器2 :第一光纤 3 :第二光纤4 :非线性光纤 5 :光纤高通滤波器6 :第三光纤 7:第四光纤8:光纤光栅滤波器 9:光纤束10:凸透镜 11 :第一收集光纤12 :第二收集光纤 13 :光信号强度检测单元14 :光谱信号检测单元 131 :第一传输光纤132 :第一光纤放大器 133 :光探测器141 :第二传输光纤 142 :第二光纤放大器143 :光谱仪 【具体实施方式】 下面结合实施例和附图对本技术的一种高灵敏度全光纤反斯托克斯拉曼探测系统做出详细说明。 本技术的一种高灵敏度全光纤反斯托克斯拉曼探测系统，将一段非线性光栅直接与光纤激光器焊接在一起，直接产生超连续谱，作为CARS探测的一路入射光（stokes光），另一路直接使用光纤激光器输出光（pump光），再将两根光纤融合到一起实现pump光与stokes光在空间上的重叠，两束光在时间上的重叠可以通过设计调整某一路的光纤长度或引入脉冲延迟技术实现。然后将两束光通过光纤耦合输出汇聚到所需探测的样品上，并用光纤系统收集样品产生的CARS信号，在用光纤放大器进一步增强CARS信号，从而实现全光纤的CARS探测系统，最后采用光电倍增管或光谱仪实现光信号的读取分析。本技术无自由空间耦合，与光纤激光器直接输出的pump光结合，可实现CARS系统光源的全光纤化。采用本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种高灵敏度全光纤反斯托克斯拉曼探测系统，包括有光纤激光器(1)，其特征在于，所述的光纤激光器(1)的光输出端分别连接第一光纤(2)和第二光纤(3)，所述的第一光纤(2)的出光端通过非线性光纤(4)连接光纤高通滤波器(5)，所述的光纤高通滤波器(5)的斯托克斯光输出端通过第三光纤(6)与所述第二光纤(3)的泵浦光出光端共同连接第四光纤(7)，所述第四光纤(7)的出光端依次通过光纤光栅滤波器(8)、光纤束(9)和凸透镜(10)至样品的入射端，所述样品的光反射端依次通过光纤束(9)和光纤光栅滤波器(8)分别连接第一收集光纤(11)和第二收集光纤(12)，所述的第一收集光纤(11)的出光端连接光信号强度检测单元(13)，所述的第二收集光纤(12)出光端连接光谱信号检测单元(14)。

【技术特征摘要】
1.一种高灵敏度全光纤反斯托克斯拉曼探测系统，包括有光纤激光器(I)，其特征在于，所述的光纤激光器(I)的光输出端分别连接第一光纤(2)和第二光纤(3)，所述的第一光纤(2)的出光端通过非线性光纤(4)连接光纤高通滤波器(5)，所述的光纤高通滤波器(5)的斯托克斯光输出端通过第三光纤(6)与所述第二光纤(3)的泵浦光出光端共同连接第四光纤(7)，所述第四光纤(7)的出光端依次通过光纤光栅滤波器(8)、光纤束(9)和凸透镜(10)至样品的入射端，所述样品的光反射端依次通过光纤束(9)和光纤光栅滤波器(8)分别连接第一收集光纤(11)和第二收集光纤(12)，所述的第一收集光纤(11)的出光端连接光信号强度检测单元(13)，所述的第二收集光纤(12)出光端连接光谱信号检测单...

【专利技术属性】
技术研发人员：史伟，郭宝山，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：新型
国别省市：天津;12