[发明专利]利用光纤产生的四波混频信号进行CARS成像的系统及方法

权利要求书

1.利用光纤产生的四波混频信号进行CARS成像的系统，其特征在于：包括激光光源(1)、第一反射镜(2)、第二反射镜(3)、光学参量振荡器(4)、第三反射镜(5)、第四反射镜(6)、第五反射镜(7)、第六反射镜(8)、第七反射镜(9)、第八反射镜(10)、精密位移台(11)、第九反射镜(12)、第一长波通二向色镜(13)、第十反射镜(14)、耦合物镜(15)、光纤(16)、二维扫描器(17)、聚焦透镜(18)、支承套(19)、样品(20)、第二长波通二向色镜(21)、带通滤波片(22)、成像透镜(23)、探测器(24)和计算机(25)，其中：

从激光光源(1)的输出端口a发出的倍频光束经第一反射镜(2)和第二反射镜(3)反射后，输入并泵浦光学参量振荡器(4)，由光学参量振荡器(4)输出的光束为CARS成像的泵浦光；从激光光源(1)的输出端口b发出的基频光束为CARS成像的斯托克斯光，斯托克斯光依次经第三反射镜(5)、第四反射镜(6)、第五反射镜(7)、第六反射镜(8)、第七反射镜(9)、第八反射镜(10)、和第九反射镜(12)反射后至第一长波通二向色镜(13)，这一光路为斯托克斯光路；

在斯托克斯光路中的第六反射镜(8)和第七反射镜(9)安装在精密位移台(11)上；通过调节精密位移台(11)、以及第八反射镜(10)与第九反射镜(12)，分别使从光学参量振荡器(4)输出的泵浦光和从第九反射镜(12)来的斯托克斯光通过第一长波通二向色镜(13)后在时间和空间上重合；时间和空间上重合的泵浦光和斯托克斯光经第十反射镜(14)反射至第二长波通二向色镜(21)后，被耦合物镜(15)耦合进光纤(16)中传输；时间和空间上重合的泵浦光和斯托克斯光在光纤(16)中传输时，激发出非相位匹配的四波混频信号，把四波混频信号作为CARS成像的探针光；从光纤(16)输出的泵浦光、斯托克斯光和探针光被聚焦透镜(18)聚焦在样品(20)上并激发出CARS信号；光纤(16)的端部固定在二维扫描器(17)上，并使光纤(16)伸出一小段成为悬臂梁，二维扫描器(17)和聚焦透镜(18)安装在支承套(19)内；

由样品(20)产生的CARS信号光和被样品(20)后向反射或散射的泵浦光、斯托克斯光和探针光，被聚焦透镜(18)收集并耦合进光纤(16)中传输，然后经耦合物镜(15)后至第二长波通二向色镜(21)；被样品(20)后向反射或散射的泵浦光、斯托克斯光和探针光透过第二长波通二向色镜(21)，CARS信号光被第二长波通二向色镜(21)反射后经带通滤波片(22)和成像透镜(23)后被探测器(24)接收；

计算机(25)控制安装在支承套(19)内的二维扫描器(17)带着光纤端部共振，使被聚焦透镜(18)聚焦的泵浦光、斯托克斯光和探针光在样品(20)上进行二维扫描，计算机(25)同时控制探测器(24)同步采集CARS信号并传输至计算机(25)进行处理，从而得到样品的二维CARS成像结果。

2.根据权利要求1所述的利用光纤产生的四波混频信号进行CARS成像的系统，其特征在于：所述的激光光源(1)为具有2～7ps或者102fs量级脉冲宽度的高频脉冲近红外激光光源，所述高频脉冲近红外激光光源具有从输出端口b发出的基频光束、从输出端口a发出的倍频光束。

3.根据权利要求1所述的利用光纤产生的四波混频信号进行CARS成像的系统，其特征在于：所述的光学参量振荡器(4)是与激光光源(1)的脉冲宽度相匹配的、波长在近红外波段可调的激光产生器。

4.根据权利要求1所述的利用光纤产生的四波混频信号进行CARS成像的系统，其特征在于：所述的第五反射镜(7)至第六反射镜(8)的光束、和第七反射镜(9)至第八反射镜(10)的光束的方向都与精密位移台(11)的位移调节方向平行。

5.根据权利要求1所述的利用光纤产生的四波混频信号进行CARS成像的系统，其特征在于：所述的光纤(16)的输入端端面位于耦合物镜(15)的前焦面上。

6.根据权利要求1所述的利用光纤产生的四波混频信号进行CARS成像的系统，其特征在于：所述的探测器(24)的感光面位于成像透镜(23)的前焦面上。

7.一种使用权利要求1所述CARS成像系统的利用光纤产生的四波混频信号进行CARS成像的方法，包括以下步骤：

步骤S1：把激光光源输出的基频光束作为CARS成像的斯托克斯光，托克斯光的频率记为ω_s；把激光光源输出的倍频光束泵浦光学参量振荡器后产生和输出的光束作为CARS成像的泵浦光，泵浦光的频率记为ω_p；

步骤S2：通过调节斯托克斯光路中的反射镜，使斯托克斯光和泵浦光在通过第一长波通二向色镜后在空间上重合；

步骤S3：通过调节斯托克斯光路中的精密位移台，使斯托克斯光和泵浦光在通过第一长波通二向色镜后在时间上重合；

步骤S4：通过调节光学参量振荡器中增益介质的温度来调节输出的泵浦光波长，使泵浦光和斯托克斯光的频率差与待测分子化学键的共振频率Ω_vib相匹配，即满足：Ω_vib＝ω_p-ω_s；

步骤S5：把时间和空间上重合的泵浦光和斯托克斯光在光纤中传输时激发出的频率为ω_fwm＝2ω_p-ω_s的非相位匹配四波混频信号，作为CARS成像的探针光，探针光的频率记为ω_pr；

步骤S6：将泵浦光、斯托克斯光和探针光通过聚焦透镜聚焦在样品上后，激发出满足相位匹配条件的CARS信号光，CARS信号光的频率为ω_as＝ω_p+ω_pr-ω_s；

步骤S7：由样品产生的CARS信号光，以及被样品后向反射或散射的泵浦光、斯托克斯光和探针光被聚焦透镜收集并耦合进光纤中传输，在光纤输出端只有CARS信号光被第二长波通二向色镜反射至探测器，探测器接收到的光信号被转换成电信号后传输至计算机进行处理；

步骤S8：计算机控制二维扫描器带着光纤端部共振，使聚焦光束在样品上进行二维扫描，从而得到样品的二维CARS成像结果。