一种基于时间透镜的CARS显微成像光源系统

一种基于时间透镜的cars显微成像光源系统
技术领域
1.本实用新型涉及非线性光学显微成像领域，尤其涉及一种基于时间透镜的cars显微成像光源系统。


背景技术：

2.相干反斯托克斯拉曼散射(cars)显微成像基于三阶非线性光学效应中的四波混频效应。其成像对比度来源于分子振动特性，相较于其他荧光标记显微成像具有化学选择性和化学特异性，可以对特定化学元素进行成像。由于不需要对待测样品进行染色，可以从根源上避免光漂白、荧光染料对样品的损伤、以及生物大分子无法染色等问题。现已发展成为生命科学领域研究中的一项重要工具，成为当今国际研究热点。
3.目前进行cars显微成像的光源大部分是采用同步锁模激光器的方案以及激光器泵浦光学参量振荡器的方案。不仅设备成本较高，阻碍了其向着实用化与商业化的方向发展。而且容易受到环境变化的影响，对操作环境提出了很高的要求。因此需要一款成本低廉，稳定性强，对操作环境依赖性低的光源系统。


技术实现要素：

4.本实用新型为解决上述技术问题，提供一种基于时间透镜的cars显微成像光源系统。
5.本实用新型为解决上述技术问题采用的技术方案是：
6.一种基于时间透镜的cars显微成像光源系统，它包括泵浦光路、斯托克斯光路、第三分束片和射频驱动系统；
7.所述的泵浦光路包括第一激光二极管、第一光隔离器、第一相位调制器、第一光纤放大器、第一强度调制器、第一准直系统、第一分束片、第三平面镜和第一脉冲压缩器；所述的第一激光二极管发出的种子光依次经过第一光隔离器、第一相位调制器、第一光纤放大器和第一强度调制器形成脉冲光，所述的脉冲光入射到第一准直系统中由光纤传输转变为空间传输，并透过第一分束片入射到第一脉冲压缩器中形成短脉冲光，所述的短脉冲光依次经过第一分束片和第三平面镜反射至第三分束片中；
8.所述的斯托克斯光路包括第二激光二极管、第二光隔离器、第二相位调制器、第二光纤放大器、第二强度调制器、第二准直系统、第二分束片和第二脉冲压缩器；所述的第二激光二极管发出的种子光依次经过第二光隔离器、第二相位调制器、第二光纤放大器和第二强度调制器形成脉冲光，所述的脉冲光入射到第二准直系统中由光纤传输转变为空间传输，并透过第二分束片入射到第二脉冲压缩器中形成短脉冲光，所述的短脉冲光经过第二分束片反射至第三分束片中；
9.所述的泵浦光路中入射到第三分束片中的短脉冲光与斯托克斯光路中入射到第三分束片中的短脉冲光合束后入射到样品上；
10.所述的射频驱动系统产生正弦射频信号与高斯脉冲射频信号，所述的正弦射频信
号分别同步驱动第一相位调制器和第二相位调制器，所述的高斯脉冲射频信号分别同步驱动第一强度调制器和第二强度调制器。
11.本实用新型与现有技术相比产生的有益效果是：
12.1、该显微成像光源系统采用激光二极管作为种子源，提供窄线宽的连续光，由相位调制器、强度调制器分别实现光谱展宽与脉冲切割，由光纤放大器增加输出功率；所述强度调制器通过射频驱动系统产生的脉冲射频信号调控，将连续光转变为脉冲光，通过调节射频驱动信号的参数即可实现脉冲重复频率、脉冲宽度、输出波形等参数的快速调谐；传统激光器受限于自身结构，很难实现类似功能；且本技术对操作环境依赖性低，稳定性强。
13.2、该显微成像光源系统通过调节泵浦光路与斯托克斯光路射频驱动信号的延迟，从而实现光脉冲的时间延迟的调节。改变两束光的延迟，使两束光脉冲在时间上同步。从而满足cars显微成像两束光同时激发样品的条件。这种调节同步的方法省去了光学延迟线，具有方便、快捷、精准的优点。
附图说明
14.附图作为本技术的一部分，用来提供对本实用新型的进一步的理解，本实用新型的示意性实施例及其说明用于解释本实用新型，但不构成对本实用新型的不当限定。
15.图1为一种基于时间透镜的cars显微成像光源系统的结构示意图；
16.图2为射频驱动系统的结构示意图；
17.图3为泵浦光路准直系统的结构示意图；
18.图4为斯托克斯光路准直系统的结构示意图；
19.图5为泵浦光路脉冲压缩器的结构示意图；
20.图6为斯托克斯光路脉冲压缩器的结构示意图。
21.图中：1-第一激光二极管；2-第二激光二极管；3-第一光隔离器；4-第二光隔离器；5-第一相位调制器；6-第二相位调制器；7-第一光纤放大器；8-第二光纤放大器；9-射频驱动系统；9-1-第一任意波形发生器；9-2-时钟信号发生器；9-3-第二任意波形发生器；10-第一强度调制器；11-第二强度调制器；12-第一准直系统；12-1-第一光纤准直头；12-2-第一凸透镜；13-第二准直系统；13-1-第二光纤准直头；13-2-第二凸透镜；14-第一分束片；15-第二分束片；16-第三平面镜；17-第三分束片；18-第一脉冲压缩器；18-1-第二光栅；18-2-第一光栅；18-3-第二平面镜；19-第二脉冲压缩器；19-1-第四光栅；19-2-第三光栅；19-3-第三平面镜。
具体实施方式
22.为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，以下实施例用于说明本实用新型，但不用来限制本实用新型的范围。
23.在本实用新型的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。
24.在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。
25.参见图1至图6所示，本技术实施例提供一种基于时间透镜的cars显微成像光源系统，它包括光路结构基本相同的泵浦光路和斯托克斯光路，以及第三分束片17和射频驱动系统9；
26.所述的泵浦光路包括第一激光二极管1、第一光隔离器3、第一相位调制器5、第一光纤放大器7、第一强度调制器10、第一准直系统12、第一分束片14、第三平面镜16和第一脉冲压缩器18；所述的第一激光二极管1作为泵浦光路的种子源，第一激光二极管1发出波长为800nm的、窄线宽的连续激光作为种子光，种子光在光纤中依次经过第一光隔离器3、第一相位调制器5、第一光纤放大器7和第一强度调制器10形成脉冲光，具体为800nm的种子光经过第一光隔离器3用以防止高功率的反向激光损坏种子光源；经过第一相位调制器5引入频率啁啾；经过第一光纤放大器7用以提升功率，一方面为抵消前面光纤传输中的损耗，另一方面由于经过第一强度调制器10会极大的降低光的平均功率；经过第一强度调制器10切割出脉冲光，所述的脉冲光入射到第一准直系统12由光纤传输转变为空间传输，并在第一分束片14透射后进入到第一脉冲压缩器18中，所述的脉冲光被第一脉冲压缩器18压缩成皮秒量级的短脉冲光，由第一脉冲压缩器18发出的短脉冲光依次入射到第一分束片14、第三平面镜16和第三分束片17，即短脉冲光反射到第一分束片14上，并由第一分束片14反射到第三平面镜16上，又经第三平面镜16反射到第三分束片17上。
27.所述的斯托克斯光路包括第二激光二极管2、第二光隔离器4、第二相位调制器6、第二光纤放大器8、第二强度调制器11、第二准直系统13、第二分束片15和第二脉冲压缩器19；所述的第二激光二极管2作为斯托克斯光路的种子源，第二激光二极管2发出波长为1030nm的、窄线宽的连续激光作为种子光，种子光在光纤中依次经过第二光隔离器4、第二相位调制器6、第二光纤放大器8和第二强度调制器11形成脉冲光，具体为1030nm的种子光经过第二光隔离器4用以防止高功率的反向激光损坏种子光源；经过第二相位调制器6引入频率啁啾；经过第二光纤放大器8用以提升功率，一方面为抵消前面光纤传输中的损耗，另一方面由于经过第二强度调制器11会极大的降低光的平均功率；经过第二强度调制器11切割出脉冲光；所述的脉冲光入射到第二准直系统13中由光纤传输转变为空间传输，并在第二分束片15透射后进入到第二脉冲压缩器19中，所述的脉冲光被第二脉冲压缩器19压缩成皮秒量级的短脉冲光，由第二脉冲压缩器19发出的短脉冲光依次入射到第二分束片15和第三分束片17上，即短脉冲光反射到第二分束片15上，并经第二分束片15反射到第三分束片17上。
28.所述的泵浦光路中入射到第三分束片17中的短脉冲光与斯托克斯光路中入射到第三分束片17中的短脉冲光合束后入射到样品上。
29.所述的射频驱动系统9产生10ghz的正弦射频信号与80mhz的高斯脉冲射频信号，所述的10ghz的正弦射频信号分别同步驱动第一相位调制器5和第二相位调制器6，所述的80mhz的高斯脉冲射频信号分别同步驱动第一强度调制器10和第二强度调制器11。射频驱动系统9需要提供低抖动的信号从而实现稳定的光脉冲输出。
30.本实施例中，显微成像光源系统中各部件技术成熟，价格低廉。基于光纤的结构，对操作环境依赖性低。并且通过射频信号进行调节，一方面，调节信号延迟可以很方便的实现泵浦光与斯托克斯光的时间同步；另一方面，调节射频信号可以实现传统激光器无法完成的重复频率、脉冲宽度、输出波形等参数的快速调谐。满足不同样品的成像条件。
31.本实施例中，所述的显微成像光源系统包含两条光路，分别为800nm的泵浦光与1030nm的斯托克斯光。第一脉冲压缩器18所输出的、并经第一分束片14以及第三平面镜16所反射过来的短脉冲光以及第二脉冲压缩器19所输出的、并由第二分束片15所反射过来的短脉冲光经第三分束片17合束后入射到成像系统载玻片上的样品上，并在样品中发生四波混频效应(激发样品原子的能级跃迁，两次向上跃迁，两次向下跃迁，最后一次是向下跃迁，产生的光子就是cars信号光)，也就是相干反斯托克斯拉曼散射效应，后续成像时系统收集样品在此过程中产生的cars信号。
32.本实施例中，所述的第一相位调制器5和第二相位调制器6由10ghz的正弦信号同步驱动，并分别为各自光路中的种子光引入频率啁啾，使其光谱展宽，提供足够的展宽量，后续才能将光脉冲压缩到理想的脉冲宽度δτ；
[0033][0034]
其中vπ为相位调制器的半波电压，vm为相位调制器的驱动电压，ωm为正弦信号的角频率。
[0035]
在一种可能的实施例中，所述的射频驱动系统9包括时钟信号发生器9-2、第一任意波形发生器9-1和第二任意波形发生器9-3；所述的时钟信号发生器9-2产生高频的时钟信号调节第一任意波形发生器9-1和第二任意波形发生器9-3同步；所述的第一任意波形发生器9-1产生的高频正弦信号用于同步驱动第一相位调制器5和第二相位调制器6，所述的第二任意波形发生器9-3产生的高频脉冲信号用于同步驱动第一强度调制器10和第二强度调制器11。
[0036]
本实施例中，第一任意波形发生器9-1产生10ghz的正弦信号，同步驱动第一相位调制器5和第二相位调制器6实现泵浦光与斯托克斯光的时间同步；第二任意波形发生器9-3产生80mhz的高斯脉冲信号，同步驱动第一强度调制器10和第二强度调制器11依照驱动信号将光束切割出相同的脉冲波形。
[0037]
在一种可能的实施例中，所述的第一准直系统12包括第一光纤准直头12-1和第一透镜12-2；所述泵浦光路中的脉冲光经过第一光纤准直头12-1由光纤传输转变为空间传输，并由第一透镜12-2进行扩束，使光束填满整个视场。
[0038]
在一种可能的实施例中，所述的第二准直系统13包括第二光纤准直头13-1和第二透镜13-2；所述斯托克斯光路中的脉冲光经过第二光纤准直头13-1由光纤传输转变为空间传输，并由第二透镜13-2进行扩束，使光束填满整个视场。
[0039]
在一种可能的实施例中，所述的第一脉冲压缩器18包括第一光栅18-2、第二光栅18-1和第一平面镜18-3；所述的泵浦光路中由第一准直系统12发出的脉冲光在第一分束片14透射后进入到第一脉冲压缩器18中；在第一脉冲压缩器18中，脉冲光经第一光栅18-2衍射至第二光栅18-1，再由第二光栅18-1衍射至第一平面镜18-3，由第一平面镜18-3反射后，脉冲光原路返回，即脉冲光依次经过第二光栅18-1和第一光栅18-2再次发出；此时由第一
光栅18-2出射的脉冲光为皮秒量级的短脉冲光，第一光栅18-2与第二光栅18-1组成的光栅对光束引入反常色散并形成短脉冲光，所述的第一光栅18-2出射的皮秒量级的短脉冲光反射到第一分束片14上。
[0040]
本实施例中，泵浦光路的第一光栅18-2与第二光栅18-1组成的光栅对光束引入反常色散，即光脉冲中不同的频率的分量经历的光程不同，从而压缩脉冲宽度，第一光栅18-2与第二光栅18-1相互平行，入射角与衍射角满足光栅方程，调整光栅对之间的垂直距离，最终得到压缩至最窄的脉冲。
[0041]
在一种可能的实施例中，所述的第二脉冲压缩器19包括第三光栅19-2、第四光栅19-1和第二平面镜19-3；所述的斯托克斯光路中由第二准直系统13发出的脉冲光透过第二分束片15后入射到第二脉冲压缩器19中，脉冲光经第三光栅19-2衍射至第四光栅19-1，再由第四光栅19-1衍射至第二平面镜19-3，由第二平面镜19-3反射后，脉冲光原路返回，即脉冲光依次经过第四光栅19-1和第三光栅19-2再次发出；此时由第三光栅19-2出射的脉冲光为皮秒量级的短脉冲光，第三光栅19-2与第四光栅19-1组成的光栅对光束引入反常色散并形成短脉冲光，所述的第三光栅19-2出射的皮秒量级的短脉冲光反射到第二分束片15上。
[0042]
本实施例中，斯托克斯光路的第三光栅19-2、第四光栅19-1组成的光栅对为光束引入反常色散，即光脉冲中不同的频率的分量经历的光程不同，从而压缩脉冲宽度，第三光栅19-2、第四光栅19-1相互平行，入射角与衍射角满足光栅方程，调整光栅对之间的垂直距离，最终得到压缩至最窄的脉冲。
[0043]
虽然在本文中参照了特定的实施方式来描述本实用新型，但是应该理解的是，这些实施例仅仅是本实用新型的原理和应用的示例。因此应该理解的是，可以对示例性的实施例进行许多修改，并且可以设计出其他的布置，只要不偏离所附权利要求所限定的本实用新型的精神和范围。应该理解的是，可以通过不同于原始权利要求所描述的方式来结合不同的从属权利要求和本文中所述的特征。还可以理解的是，结合单独实施例所描述的特征可以使用在其他所述实施例中。