基于光子晶体光纤参量振荡器的CARS成像光源研究

蒋杰世, 杨康文

(上海理工大学 光电信息与计算机工程学院, 上海 200093)

引 言

相干反斯托克斯拉曼散射(CARS)技术是基于物质分子的固有振动、转动特性获取待测样品信息的技术,具有特异的化学选择性,能实现生物活体组织无标记、非侵入性的成像,提供生物组织的化学键信息[1]。此外,CARS还具备灵敏度高,空间分辨率好,数据采集速度快等优点,在生物成像及医学研究领域有着广泛的应用前景[2]。CARS成像光源需要输出两束同步的皮秒或者飞秒激光脉冲,分别作为泵浦光和斯托克斯光,且要求至少有一束激光脉冲波长连续可调,与待测样品分子的固有振动、转动能级共振增强,激发产生反斯托克斯信号[3]。目前普遍使用的CARS成像光源是基于钛宝石的固体激光器或倍频Nd:YVO4激光器同步泵浦的光学参量振荡器(OPO)[4],这些光源体积庞大,价格昂贵,并且需要专业人员的定期维护,这就限制了CARS成像技术在实验室以外场所的应用。基于光纤激光器的CARS成像光源因其体积小巧,性能稳定,光束质量好,价格合理,无需对准及维护的优点备受研究人员的青睐[5-6]。近年来,以光纤激光器作为CARS成像光源的相关研究发展很快,但多基于光纤中的孤子自频移[7]、自相位调制[8]等效应,输出波长、光谱宽度受限。本文研究了基于光子晶体光纤参量振荡器的CARS成像光源,利用光子晶体光纤的简并四波混频效应,以中心波长为1 030 nm,重复频率为800 kHz,功率为2 W的皮秒激光作为泵浦光,搭建光参量振荡器,实现中心波长为788 nm,调谐范围为10 nm,平均功率为10 mW的参量激光输出。

1 四波混频理论分析

四波混频(FWM)是一种三阶的非线性效应,在FWM中,两个泵浦光子湮灭的同时会产生两个频率不同的新光子,频率较高的光为信号光,频率较低的光为闲频光[9]。一般情况下,两个泵浦光子的频率不同,但是为了实验的方便,大多情况下采用相同的泵浦光,这时两个泵浦光子具有同样的频率,称为简并四波混频[10]。利用简并四波混频,可以产生与泵浦光不同的信号光,是实现光学频率转化的有效方法。将一束频率为ωpump的激光脉冲耦合到光子晶体光纤(PCF)中,在满足相位匹配条件时,会发生简并四波混频效应,分别产生频率为ωidler和ωsignal的光,它们满足

2ωpump=ωidler+ωsignal

(1)

简并四波混频效应的相位匹配条件为[11]

K=Δβ+2γPpump=0

(2)

式中:K为简并四波混频效应的相位匹配条件;Δβ=Ω2β2+Ω4β4/12,Ω为信号光相对于泵浦光的频移,β2和β4分别是参量增益介质在泵浦光处的二阶色散系数和四阶色散系数;γ=2π·n2/(Aeff·λpump)为光纤非线性系数,n2为光纤非线性折射率系数,Aeff为光纤有效模场面积,λpump为泵浦光波长;Ppump为泵浦光的峰值功率。计算中n2≈2.3×10-20m2/W,Aeff=π(MFD/2)2≈13.8 μm2,β2=1.04×10-3ps2/m,β4=-4.25×10-8ps4/m,Ppump=1 100 W。在本文的研究中,我们采用40 cm LMA-PM-5光子晶体光纤作为参量增益,该光子晶体的纤芯为5 μm,被排列规则的六角形空气孔结构包围,孔直径为1.55 μm,孔间距为3.1 μm,模场直径(MFD)为4.2 μm,使用CUDOS MOF program软件计算出如图1(a)所示光纤的色散曲线,其零色散波长在1 052 nm。使用文献报道的方法[12],算出PCF 的相位匹配条件,其参量增益曲线如图1(b)所示。从图1(b)可以看出,中心波长为1 030 nm的泵浦光作用于该PCF时,由简并四波混频效应产生信号光的中心波长为788 nm,闲频光的中心波长为1 486 nm,增益带宽为10 nm。

图1 光子晶体光纤的色散及参量增益曲线Fig.1 Dispersion and parametric gain curves of photonic crystal fibers

2 实验装置

如图2所示,采用中心波长为1 030 nm,重复频率为800 kHz,平均功率为2 W的皮秒光纤激光器作为光参量振荡器的泵浦源,通过空间耦合的方式,将泵浦光耦合到光子晶体光纤中,耦合效率为20%。泵浦光功率在2 W时的光谱宽度为1 nm,脉冲宽度为130 ps。整个光参量振荡器包括一片二向色镜,一段光子晶体光纤,输出耦合器,延时光纤及延时电机等。二向色镜透射波长是1 030 nm,反射波长是700～900 nm。光子晶体光纤为光参量振荡器提供参量增益。在光子晶体光纤之前,放置了一片1 030 nm的1/2波片,用于改变泵浦光的偏振态。由偏振分束器和1/2波片组成的输出耦合器,用于调节反馈的输出比。延时光纤为260 m,延时电机为11 cm,它们用于匹配泵浦光的重复频率,通过优化延时光纤的长度及延时电机的位置,可以使光参量振荡器的腔长精确匹配泵浦光的重复频率。

图2 实验装置Fig.2 Experimental setup

3 实验结果与分析

图3(a)为泵浦光功率为2 W时的输出光谱,由简并四波混频效应产生的信号光与闲频光的中心波长分别为788 nm和1 486 nm,信号光的光谱宽度为5 nm,闲频光的光谱宽度为7 nm,与图1(b)模拟计算所得的光谱一致。图3(b)为在同样的泵浦光功率下有反馈的输出光谱图。对比图3(a)和(b)可以看出,信号光输出光谱有反馈时比无反馈时窄,这得益于色散滤波效应[13]。在这个过程中,由于反馈的脉冲经过较长的延时光纤,其脉冲宽度被展宽,所以反馈时只有一部分被FWM参量过程放大,导致输出的光谱宽度比无反馈时窄。

图3 参量振荡器输出光谱特性Fig.3 Output spectral properties of parametric oscillator

图4(a)为在泵浦光功率为2 W时,改变电机位置,信号光光谱的调谐图。由图4(a)可以看出,当电机位置由27 mm移动到0 mm时,得益于色散滤波效应,信号光可实现782 nm到793 nm连续可调,波数范围覆盖2 901～3 078 cm-1(以1 030 nm为斯托克斯光),可用于测量--CH3键[14](波数在2 930 cm-1)和苯环[15](波数在3 060 cm-1)的CARS光谱。如图4(b)所示,信号光的输出功率也与参量增益的带宽有关,越靠近参量增益中心的波长,其输出功率越高;基于四波混频效应的参量振荡器有着明显的阈值效应,当泵浦光功率大于阈值时,随着泵浦光功率的线性增加,信号光也线性增加,在泵浦光功率为2 W时,信号光波长为788 nm的输出功率最大可达到14 mW。

图4 信号光调谐范围及信号光输出功率随泵浦光功率变化Fig.4 The tuning range of the signal light and the output power of the signal light vary with the pump light power

4 结 论

本文研究了基于光子晶体光纤参量振荡器的CARS成像光源,理论分析光子晶体光纤的四波混频效应,得到其参量转化的增益曲线。通过搭建光参量振荡器,实现了平均功率为10 mW,波长调谐范围为782～793 nm的信号光输出。该CARS成像光源的波数覆盖范围为2 901～3 078 cm-1,可用于--CH3键和苯环的CARS光谱测量。该光源以光子晶体光纤作为参量转化的参量增益,与传统的CARS成像光源相比,体积小巧、无需维护、性能稳定,为全光纤化、小型化CARS成像光源的研究提供了参考。