基于光纤飞秒激光器及PPLN的宽带CARS显微成像系统

The project is a broadband CARS microscopy solutions based on optical fiber laser and the PPLN crystal. The output pulse of the fiber laser is split in two beams, one is used to pump the all-normal dispersion photonic crystal fiber and produce supercontinuum as Stokes beam; another path will focus on a piece of special designed PPLN crystal, and wavelength of the beam can be converted to an infrared tuning pulse, and the tuning range from 1400 nm to 1600 nm range, immediately after the pulse will pass through another PPLN to acquire a tuning beam from 700 nm to 800 nm, which will play as the probe beam. The combined two beams focus on the specimen via an objective to acquire the broadband CARS signal.

本项提出基于光纤飞秒激光器及PPLN晶体的宽带CARS显微成像方案。该方案只需一台价格相对低廉的光纤飞秒激光器作为光源，就能够搭建宽带CARS显微成像系统，实现分子中多个化学键的同时成像。光纤飞秒激光器输出脉冲一分为二，一束泵浦全正色散光子晶体光纤产生时谱结构良好的超连续谱作为斯托克斯光；另一束经透镜聚焦至一片特殊设计的PPLN晶体，通过光学参量产生过程，将光源输出的单一波长的脉冲光转换为红外波段的可调谐光，调谐范围约为1400nm~1600nm，另外选择一片PPLN晶体对红外可调谐脉冲倍频，得到光束质量良好且波长范围在700nm~800nm内可调谐的光脉冲作为探测光。两束激光脉冲作为激发光，同步后共线输入显微物镜，为获取分子完整谱信息的CARS显微图像奠定基础。

常规宽带CARS采用双色CARS机制，受限于超连续谱的时间频谱结构。超短激光脉冲同时做泵浦光和探测光、超连续谱仅做为斯托克斯光，这种方案很难通过时间分辨探测方法来有效地消除非共振背景对共振信号的影响，无法实现分子的准确识别。本项目提出一种基于光纤飞秒激光器和全正色散光子晶体光纤的三色宽带CARS光谱探测方法，该方法采用1064 nm光纤飞秒激光脉冲泵浦NL-1050-NEG全正色散光子晶体光纤，产生具有较好时间谱结构极好的超连续谱（光谱宽度大于500 nm、脉冲宽度小于220 fs）同时做为泵浦光和斯托克斯光，不仅可同时获取样品分子的完整CARS光谱信息，还可通过时间分辨探测方法来有效地抑制非共振背景，提高分子识别的准确性。此外，还可通过控制超连续谱脉冲与探测光脉冲间的时间延迟来测量拉曼振动键的振动退相时间，这对于研究分子动态过程、分子间的相互作用等具有重要参考价值。