高分辨率、宽范围的便携型光纤CARS显微激发源研究

TCARS microscopy is a lable-free nonliear optical microscopy and has excellent future in lifescience field with its ability of non-intrusive essence，strong signal and three dimentional spatinal resolution.At present, the free-sapce-based CARS excitation source is difficult to align and need careful maintance, while fiber-based CARS excitation source encounter problems of narrow spectral range and low spectral resolution. That hinders the progress of CARS into wide application greatly.This project will based on a single femtosecond fiber laser, realize a fast and wide tuning of Stokes pulse by solition self-frequency shift, study spectal focusing by a combination of mutilmode fiber and single mode fiber, exploit time-frequency composite tuning method to improve spectal resoultion with pule time delay control, develop a portable fiber-based CARS microscopy excitation source with high spectral resoultion and wide spectral range, and establish theory and method for constructing a compact, alignment-free and modular CARS microscopy excitation source. The femtosecond-laser-based source can be integrated with the other type nonliear optical microscopy, and provide a powerful tool for lifescience research filed.

CARS显微作为无标记光学非线性检测技术，由于具有非侵入式、信号强和三维层析能力，在生命科学领域有着很好的发展前景。但目前基于空间光路的CARS激发源调整维护困难，而基于光纤的CARS激发源仍存在谱覆盖范围小、分辨率低的问题，使CARS技术的应用受到很大的限制。本项目旨在基于单一光纤飞秒激光器，通过光子晶体光纤孤子自频移实现斯托克斯光脉冲的快速宽调谐，利用多模光纤和单模光纤组合进行脉冲啁啾压缩谱宽，并结合光脉冲时延控制探索时频复合调谐，提高光谱分辨率，完成高分辨率、宽范围的便携光纤CARS激发源的设计，并形成结构紧凑、免调整和模块化的CARS激发源的构建理论和方法。且以飞秒脉冲为基础的该激发源具备与其他类型非线性光学显微技术集成的能力，从而为生命科学研究领域的提供有力的工具。

相干反斯托克斯拉曼散射(CARS)成像技术由于其所具有的无标记、非侵入、化学选择性、本质的三维成像等优点，在生命科学、生物化学、医药学等领域有着广泛应用前景。本项目针对传统CARS显微成像技术所面临的空间光学结构、体积庞大、调节复杂、波长调谐速度慢等问题，开展了基于全光纤的便携式CARS显微激发源研究。项目进行了全光纤皮秒锁模脉冲种子源的理论分析、建模仿真和实验研究，搭建的全光纤皮秒锁模脉冲种子源稳定输出脉宽为86ps的皮秒脉冲，该种子源经预放大级和主放大级后，输出平均功率2.34W，峰值功率6kW。基于飞秒激光孤子自频移效应研究了斯托克斯光波长连续、大范围、快速调谐，采用液晶相位延迟器实现了电控快速调谐，光孤子波长最远为1100nm，可探测400cm-1 ~ 3680cm-1的分子振动能级范围。研究了基于多模-单模光纤级联结构的泵浦光脉冲和斯托克斯光脉冲光谱压缩方法，分析了多模光纤的芯径、长度等影响，实现的光谱压缩比达到150以上，理论光谱分辨率可达1.386cm-1。提出了基于泵浦光与光子晶体光纤中残余泵浦光干涉的时间重叠估算方法，实现了CARS显微成像系统中泵浦脉冲和斯托克斯脉冲时间重叠时所需的时延控制。初步搭建基于光子晶体光纤孤子自频移的CARS显微成像系统，实现聚苯乙烯微球3050cm-1分子共振谱的探测。本项目的实施对于光纤CARS技术和生命科学无标记测试的发展具有积极的