基于光学参量振荡器的高分辨率CARS光谱研究

卢一鑫,赵小霞,吕印庄

(西安文理学院应用物理研究所,陕西 西安 710065)

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基于光学参量振荡器的高分辨率CARS光谱研究

卢一鑫,赵小霞,吕印庄

(西安文理学院应用物理研究所,陕西 西安 710065)

提出了一种基于三硼酸锂(LBO)晶体的飞秒绿色泵浦光学参量振荡器(OPO),其采用飞秒525 nm绿光光纤激光器作为泵浦源。OPO产生的信号光其可调谐的光谱范围由780～940 nm,光功率可达到250 mW以上；闲频光可调谐范围从1630～1190 nm,光功率可达到300 mW以上。利用本系统可在波数为1330 cm-1和6650 cm-1之间进行相干反斯托克斯拉曼散射(CARS)光谱测量。由于脉冲啁啾,光谱分辨率达到100 cm-1,与时间带宽限制脉冲激励源相比,分辨率达到后者的2.5倍。

光学参量振荡器 ；三硼酸锂晶体 ；相干反斯托克斯拉曼散射光谱

1 引 言

相干反斯托克斯拉曼散射(CARS)显微成像技术已经引起了生物医学领域中的广泛兴趣,它提供了具有无标记物的化学选择性和三维空间成像等功能[1-2]。CARS过程是一种三阶非线性光学过程,在传统的CARS 过程中,三束中心频率分别为ωP,ωs和ωP′的抽运光(EP)、斯托克斯光(Es)和探测光(EP′)入射到待测样品中,入射光场在样品中的焦点处满足相位匹配条件的前提下,当EP和ES之间的频差与具有拉曼活性的分子的振动频率ωv相等(ωv=ωP-ωs)时,物质分子的固有振动得到共振增强,通过EP′探测这一共振增强的分子振动产生频率为ωAS=ωP-ωs+ωP′的相干反斯托克斯拉曼散射信号(EAS),如图1所示,该散射光束包含了反映物质分子的组成和结构特征的光谱信息,具有很好的方向性和高的强度。通过CARS 光谱技术能够在无需引入外源标记的条件下快速获取待测样品中特定分子的空间分布以及分子之间相互作用的功能信息,在分子生物学[3]、细胞生物学[4]等众多研究领域具有广泛的应用前景。

图1 CARS(共振)过程能级图

传统的时间分辨CARS 光谱系统至少需要同时使用两台超短脉冲(皮秒或飞秒)激光器作为激发光源,系统结构复杂,代价昂贵[5]。同时,对于含有多种组分,或含有未知成分的待测样品,实验中就需要不断改变激光器的中心波长,操作过程比较复杂[6-7]。现在CARS 光谱系统的激发光源主要是由同步供给激光器[8],或由同步泵浦光参量振荡器(OPO)[9]提供的,其都具有稳定的宽光谱覆盖范围,可以实现快速获取待测样品完整的CARS 光谱信息。近来利用光子晶体光纤(photonic crystal fiber,PCF)的非线性光学特性,采用超短脉冲激光器抽运PCF 所产生的超连续光谱应用于时间分辨CARS 光谱,已经有飞秒级别的中红外CARS 光谱报道[10],其分辨率还较为有限,而且较低的输出功率阻碍了额外的检测方案的实施,例如外差探测。为了保持全波长灵活性以及有数百mW 输出功率,我们提出了一个基于三硼酸锂(LBO)晶体的飞秒绿色泵浦光学参量振荡器(OPO),其采用绿光光纤激光放大系统作为泵浦源。LBO晶体的优点是高损伤阈值,低价格,利用非临界相位匹配通过调整晶体温度就可实现较宽的波长调谐范围。有多个基于LBO的皮秒量级OPO已经有过报道,且以证明可以应用到CARS显微成像技术[9,11]。在理论上推导出相干反斯托克斯拉曼散射显微成像技术可以获得超衍射极限的分辨率[12-13],而进一步的应用还没有报道。因此,设计了飞秒级的LBO-OPO,使得它可以在绿色波长525 nm泵浦产生信号光和闲频光的辐射分别可从780～940 nm和1190～1630 nm范围内进行调谐,效率和分辨率对于上述LBO-OPO都有所提高。而且光纤激光器 作为泵浦源的设计使其在实际应用中的CARS光谱系统结构显得更加紧凑和高效。

2 实验装置

实验装置示于图2所示,THORLABS公司的绿光飞秒光纤激光器(型号ORANGE-525)的输出525 nm光束(200 mW)经过多个基于30 cm掺镱单模的光纤放大器(Liekki,YB1200-4/ 125,纤芯直径4 μm)组成的放大系统,输出2.6 W的525 nm激光,法拉第光隔离器,防止反向反射光通过前置放大级。经过LBO晶体的OPO腔产生光学参量振荡。OPO腔由两个曲面反射镜(M1/M2),形成曲率半径-100 mm谐振腔(f=50 mm)和六个平面镜组成,产生信号光,在800 nm 处存在17 μm束腰光束。两个(M5/M8)反射镜分别是线性腔的端镜,和四个被折叠镜 (M3/M4/M6/M7),用于调节OPO的空腔尺寸。反射镜M5作为输出耦合器,可以选择对于780～960 nm范围内1%,2.5%,5.5%,或12%不同的反射率涂层。所有其他反射镜在光谱范围为780～960 nm被设计具有99%以上的反射率和在525 nm以及在1100～1800 nm范围大于90%的透射率。带有附加压电致动器第二端镜M8安装在电动平移台用于所述腔长的粗调和微调。OPO也是基于LBO非线性晶体,该晶体为2.6 mm长,切割为I类(e→o+ o)非临界相位匹配方式,在xy平面(θ=90°和φ=0°)。由于高的带宽,可在LBO晶体端面用防反射涂层,范围从500～1800 nm,该反射在每个晶体小面损耗约为3%,从而导致往返LBO晶体约12%显著信号反射损失。在LBO晶体是安装温度控制系统,并放置在线性腔共振点,信号光明显增强。考虑到在每一个腔镜额外的传输损耗(T=0.1%至1%),并在输出端耦合 (T=2.5%至12%),在信号波长770～940 nm,信号光为往返一次总的腔内损耗超过了30%。

图2 绿光飞秒光纤激光器放大系统泵浦LBO-OPO实验装置图

Yb-SMF:掺镱单模的光纤；isolate:法拉第光隔离器阻止反射光；TC:晶体温度检测和控制器；M1/2:f=30 mm的凸透镜;M3/4/6/7/8:腔镜;M5:输出耦合器;泵浦光波λp=525 nm;信号光波λS=780～940 nm;闲频光λi=1630～1190 nm

3 结果与讨论

计算和实验测得的温度调谐曲线的信号波示于图3(a)。通过调谐晶体温度,使其在132 ℃和170 ℃之间变化,信号波长可以从780 nm调谐到940 nm,相应的闲频光波从1630～1190 nm。发射光波长以基于光栅光谱仪(Stellarnet EPP 2000,0.5 nm 分辨率)进行测定,对于温度调谐过程曲线中的每个数据点,通过调节谐振长度对于信号的输出功率都进行了优化,理论计算的调谐曲线与折射率的参数由文献[14]中给出,它与实验数据显示较好的一致性,但晶体温度如有13 ℃的偏移量,就不得不考虑加以补偿,因为该温度传感器不是直接放置在 LBO晶体。实验曲线与理论之间存在的微小变化,其原因与优化输出功率过程中的调谐腔长的变化以及随之而来的信号波长的变化存在联系,进一步研究的结果如图4所示。相同功率的泵浦光在通过具有不同耦合比的耦合镜M5输出的信号光功率也有所不同,如图3(d)所示。泵浦光的功率是在OPO的模式匹配透镜前方测量的,但由于在聚光透镜、凸透镜M1,和晶体入射面的损失,在晶体中有效的泵浦功率减少了15%。振荡阈值出现在泵浦功率为700 mW输出耦合器为2.5%和泵浦功率为900 mW输出耦合器为12%之间。由于镜子和晶体表面形成的20%左右高附加腔损失，使得该阈值略微有所改变。当晶体温度为156 ℃时,在输出耦合镜M5后面测量到了波长为870 nm的信号光,1.8 W的泵浦功率,采用2.5%(12%)输出耦合器,信号光的输出功率为90 mW(270 mW)。而LBO晶体的抗反射涂层还有约12%的损失,这意味着如果具有更好的防反射涂层材料的使用,在12%的输出耦合器的情况下,会得到更大的信号光功率。当泵浦功率达到2.3 W以上,由于在LBO晶体的非线性效应,OPO的转换效率下降以及信号波的光谱开始显示调制和非对称性展宽。因此,实验中使用12%的输出耦合器和2.3 W的最大泵浦功率见图3(b)和图3(c).其显示了OPO的信号和闲频光的输出功率与波长关系函数。在整个波长调谐范围内,光参量振荡器产生的信号光功率超过250 mW以及闲频光输出功率超过300 mW。在波长1400 nm的闲频光谱中观察到的功率下凹曲线是由于闲频光在LBO晶体和检测器之间大约长2 m 的空气中传播,吸收水蒸汽(湿度50%)以及二氧化碳所致。

图3 LBO-OPO的信号波长实验数据(点状)和理论信号波长[14](实线)

以上进行所有的测量值都是在有源腔长稳定的情况下进行的,关于信号光功率与空腔长度失配的影响关系如图4(a)所示。M8总移动距离 27 μm,而同步泵浦光学参量震荡仍在持续。在谐振腔长度不匹配情况下,在OPO和泵浦激光器之间通过谐振信号波长自我调节进行补偿如图4(b)所示。

图4 晶体温度为156 ℃时信号光参数随着腔镜M8位置变化的响应曲线

这种效应源自OPO腔体内的群速度色散导致不同波长的信号光产生不同的往返时间[15]。在晶体的温度 156 ℃时,M8镜27 μm的位移造成信号波长在790 nm和920 nm之间变化。在温度调谐曲线的边缘(图3(b)),当晶体温度132 ℃时,通过调谐腔体长度从而降低信号输出功率,使得信号光波长降至765 nm,直到参量振荡停止。无变化的稳定空腔长度条件下,信号光功率和中心波长在低于1 Hz 范围内仅表现为缓慢的波动,但在10 s光功率平均变化在5%以内,而中心波长波动为±2 nm。对于应用在CARS光谱测量中,只要获取采样点数据的时间比波动更快,且同步测量信号光的功率和中心波长,这些都是可接受的。用刀口法进行测量信号光光束质量为M2=1.12，其适用于显微镜应用。为了证明所提出的适合CARS光谱和显微技术系统,把OPO中时间和空间重叠的泵浦光束(λ=525 nm)和信号光束聚焦到感兴趣的样本。信号光束和闲频光耦合充当抽运光和斯托克斯光,泵浦光束充当探测光，这组光束组合在波数1330～6650 cm-1范围内测量拉曼活性振动。

使用光谱分辨率为4 cm-1的高灵敏热电制冷CCD 光谱仪探测接收检测的CARS信号。由于CARS信号是相对于激发光蓝移的,在光谱仪前安装短波通滤光片来消除包括EP,Es和EP’在内的激发光,以及激发样品可能产生的荧光信号的影响。通过该系统测得聚苯乙烯的CARS谱其结果显示图5所示,在 2810 cm-1和3066 cm-1发现共振峰。一个更小的第三个高峰出现在2520 cm-1。两个谐振之间的距离是255 cm-1。如果使用有限傅里叶脉冲已经达到该系统的极限分辨率。然而使用线性调频脉冲CARS光谱可以改善光谱分辨率,是因为由于啁啾瞬时减少频谱带宽[16]。在该情况下这里介绍的OPO的正啁啾信号脉冲为傅里叶极限的2～2.5倍,而由于该晶体的二次谐波正啁啾脉冲呈3次傅里叶极限,这使得改进的光谱分辨率可以让我们能够清楚分辨这两个共振峰。该系统的光谱分辨率通过在共振峰2810 cm-1整个脉冲的半极大全宽度(FWHM)可测定为 100 cm-1。这是和匹配预期使用有限傅里叶脉冲相比的2.5倍。在2810 cm-1和3066 cm-1处可以识别两个明显的共振峰。使用滤波器组可以测出2520 cm-1处第三个小得多的共振峰。

图5 聚苯乙烯的相干反斯托克斯拉曼散射光谱

4 结 论

提出了一个相干反斯托克斯拉曼散射(CARS)光谱测量系统,其光源采用的是基于三硼酸锂(LBO)晶体的飞秒绿色泵浦光学参量振荡器(OPO),由飞秒525 nm绿光光纤激光器 作为泵浦源。利用本系统可在波数为1330 cm-1和6650 cm-1之间进行相干反斯托克斯拉曼散射(CARS)光谱测量,在下一阶段我们将优化LBO晶体的信号波长抗反射涂层,可进一步增加可用的信号输出功率。由于脉冲啁啾,光谱分辨率达到100 cm-1,基于线性调频脉冲,与时间带宽限制的脉冲激励源分辨率达到了其2.5倍。

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Research on high resolution CARS spectrum based on the OPO

LU Yi-xin,ZHAO Xiao-xia,LÜ Yin-zhuang

(Institute of Applied Physics,Xi′an University,Xi′an 710065,China)

A femtosecond green-pumped optical parametric oscillator (OPO)based on the LBO crystal is proposed,and 525 nm green fiber laser system is used as the pump source.The tunable spectral range of signal pulses generated by OPO is from 780 to 940 nm and optical power reaches up to 250 mW;the tunable spectral range of idler pulses is from 1630 to1190 nm and optical power reaches up to 300 mW.The coherent anti-Stokes Raman scattering spectrum are measured between 1330 and 6650 cm-1by using this system.Due to the pulse chirp,a spectral resolution of 100 cm-1is achieved,whose resolution is 2.5 times higher compared to an excitation source with time-bandwidth limited pulses.

OPO;LBO Crystal;CARS Spectroscopy

陕西省教育厅课题(No.2013JK0620)资助。

卢一鑫(1982-)，男，硕士，主要从事非线性光学，光电子器件的研究工作。E-mail:tongy1982@163.com

2014-10-21

1001-5078(2015)07-0761-05

O433

A

10.3969/j.issn.1001-5078.2015.07.006