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CN110221445A - 圆偏振孤子产生装置及多光子显微成像系统 - Google Patents

圆偏振孤子产生装置及多光子显微成像系统 Download PDF

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CN110221445A CN201910552925.XA CN201910552925A CN110221445A CN 110221445 A CN110221445 A CN 110221445A CN 201910552925 A CN201910552925 A CN 201910552925A CN 110221445 A CN110221445 A CN 110221445A
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邱娉
王科
甘梦瑶
仝申
庄自伟
刘鸿吉
程慧
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Abstract

本发明涉及一种圆偏振孤子产生装置及多光子显微成像系统，该圆偏振孤子产生装置包括位于同一光路上的泵浦激光器、第一四分之一波片、第一聚焦透镜以及光纤，其中，所述泵浦激光器产生的线偏光经过第一四分之一波片后转变为圆偏光，圆偏光经过所述聚焦透镜后耦合到所述光纤内，圆偏光经过所述光纤后转变为圆偏振孤子。通过第一四分之一波片，使线偏光变为圆偏光，再将圆偏光经过光纤后变成圆偏振孤子。经过试验证明，在同等条件下，圆偏振孤子的能量是线偏振孤子能量的1.56倍，使得多光子信号能够在大脑中传输的更远，从而使人类能够进一步探索大脑深层的组织，进而解开大脑神秘的面纱。

Description

圆偏振孤子产生装置及多光子显微成像系统
技术领域
本发明涉及光学成像技术领域，尤其涉及一种圆偏振孤子产生装置及多光子显微成像系统。
背景技术
光孤子(Soliton，Solitons in optical fibres)是指经过长距离传输而保持形状不变的光脉冲。一束光脉冲包含许多不同的频率成分，频率不同，在介质中的传播速度也不同，因此，光脉冲在光纤中将发生色散，使得脉宽变宽。但当具有高强度的极窄单色光脉冲入射到光纤中时，将产生克尔效应，即介质的折射率随光强度而变化，由此导致在光脉冲中产生自相位调制，使脉冲前沿产生的相位变化引起频率降低，脉冲后沿产生的相位变化引起频率升高，于是脉冲前沿比其后沿传播得慢，从而使脉宽变窄。当脉冲具有适当的幅度时，以上两种作用可以恰好抵消，则脉冲可以保持波形稳定不变地在光纤中传输，即形成了光孤子，也称为基阶光孤子。若脉冲幅度继续增大时，变窄效应将超过变宽效应，则形成高阶光孤子，它在光纤中传输的脉冲形状将发生连续变化，首先压缩变窄，然后分裂，在特定距离处脉冲周期性地复原。
光孤子是由光纤中两种最基本的物理现象，即群速度色散(GVD)和自相位调制(SPM)共同作用形成的。
光脉冲在光纤中传输时总是存在一定的频率范围，在线性近拟中，常将光脉冲表示成在一定范围内一系列简谐波的叠加。由于各谐波分量相速度不同，因而光脉冲包络的传输通常以群速vg＝dω/dβ来表示(β为光波波数，ω为载波频率)。由该式可见，群速度是随着频率的变化而变化的，而光脉冲中不同频率的分量则会以不同的速度进行传播，导致脉冲的分散，这种现象称之为群速度色散(GVD)。研究的结果表明，λd＝1310nm处为零色散波长，λ>λd称之为反常色散区域，λ<λd称之为正常色散区域。正常与反常色散区域光脉冲的传输特性是不同的，在反常色散区域，光脉冲的高频分量(蓝移)较低频分量(红移)传输得快，而在正常色散区域，情况正好相反。由于传输情况不同，群速度色散效应不同，最终导致了光脉冲的展宽。
自相位调制效应是光波在光纤中传输时光波本身引起的相移。其起源于光纤的折射率n与电场强度I之间的非线性效应—克尔(kerr)效应，即：n＝n0+n2I。上式中，n＝1.45是线性折射率，n2＝6.1×1023V/m为非线性折射率系数。由上式可知，不同强度的脉冲分量相速度是不同的，这样，在光脉冲传输的过程中将会产生不同的相移，结果会造成脉冲谱的变化。例如，通过对于高斯脉冲的分析表明，自相位调制会导致脉冲前沿谱红移，后沿谱蓝移，对其它形状脉冲的分析也有类似的结果。另外，相对在群速度色散(GVD)的反常色散区，脉冲的高频(蓝移)分量运动速度要高于低频(红移)分量，而自相位调制(SPM)效应所导致的脉冲前沿谱红移又使脉冲前沿运动速度减慢和脉冲后沿由于谱蓝移而加快运动速度，进而使得脉冲变窄，正好与群速度色散在反常色散区的脉冲展宽的趋势相对应。因此，当这两种作用在数量上达到平衡时，光脉冲就会保持不变而成为光孤粒子，即光孤子。所以说，光孤子的形成机理是光纤中群速度色散和自相位调制效应在反常色散区的精确平衡。
1986年，Mitschke和Mollenauer发现光纤中的孤子自频移(SSFS)的非线性光学效应[1]：当超短光孤子在反常色散光纤内传播时，会经历连续波长向长波长转移。由孤子自频移技术能够产生波长可调谐的光孤子，该光孤子具有以下特点：超短的脉冲宽度(几十飞秒到亚皮秒量级)、优异的脉冲质量以及宽带波长的可调谐性。这些特点使其成为多光子显微成像技术(MPM)极为理想的光源选择。
多光子显微成像是一种非线性光学成像技术，特别适用于活体深层组织成像。多光子显微成像技术以不同的模态在生物学、生理学以及医学研究中得到了广泛的应用。
多光子信号在大脑中受到光孤子能量的限制，使得多光子信号在脑组织传播的过程中，随着脑组织的吸收和散射呈指数衰减趋势。在现有技术中，由于多光子显微成像系统产生的光孤子能量较低，导致现有的多光子显微成像系统只能研究大脑浅层的组织，因此，无法进一步研究大脑深层的组织，从而限制了人类对大脑深层的进一步探索。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种圆偏振孤子产生装置及多光子显微成像系统，旨在解决现有技术中产生的光孤子能量较低的技术问题。
为了解决上述技术问题，本发明提供的技术方案为：
一种圆偏振孤子产生装置，包括位于同一光路上的泵浦激光器、第一四分之一波片、第一聚焦透镜以及光纤，其中，所述泵浦激光器产生的线偏光经过第一四分之一波片后转变为圆偏光，圆偏光经过所述聚焦透镜后耦合到所述光纤内，圆偏光经过所述光纤后转变为圆偏振孤子。
其中，所述圆偏振孤子产生装置还包括第一准直透镜和长波通滤光片，其中，圆偏振孤子经过所述准直透镜后发生散射，散射后的圆偏振孤子经过所述长波通滤光片进行过滤。
其中，所述光纤为棒状光子晶体光纤。
一种多光子显微成像系统，包括第二四分之一波片、平场聚焦透镜、二向色镜、物镜、光电倍增管以及权利要求1-3任一项所述的圆偏振孤子产生装置；其中，所述圆偏振孤子产生装置产生的圆偏振孤子经过所述第二四分之一波片后转变为线偏振孤子，线偏振孤子经过所述平场聚焦透镜和所述二向色镜后耦合到物镜内，并通过物镜聚焦到待检测物上产生信号，信号发生散射后依次经过所述物镜和所述二向色镜，所述二向色镜将信号耦合到所述光电倍增管内，并且通过所述光电倍增管成像。
其中，所述多光子显微成像系统还包括第一反射镜，所述第一反射镜位于所述第二四分之一波片和所述平场聚焦透镜之间。
其中，所述多光子显微成像系统还包括镜筒透镜，所述镜筒透镜位于所述平场聚焦透镜和所述二向色镜之间。
其中，所述多光子显微成像系统还包括第二反射镜，所述第二反射镜位于所述镜筒透镜和所述二向色镜之间。
上述圆偏振孤子产生装置及多光子显微成像系统，通过第一四分之一波片，使线偏光变为圆偏光，再将圆偏光经过光纤后变成圆偏振孤子。经过试验证明，在同等条件下，圆偏振孤子的能量是线偏振孤子能量的1.56倍，使得多光子信号能够在大脑中传输的更远，从而使人类能够进一步探索大脑深层的组织，进而解开大脑神秘的面纱。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是根据本发明的一个实施例的圆偏振孤子产生装置的示意图。
图2是根据本发明的一个实施例的圆偏振孤子和线偏振孤子经过长波通滤光片的能量对比图。
图3(a)是根据本发明的一个实施例的线偏光经过第一四分之一波片的归一化泵浦功率和偏振片旋转角度的关系图。
图3(b)是根据本发明的一个实施例的圆偏光经过准直透镜的归一化泵浦功率和偏振片旋转角度的关系图。
图4是根据本发明的一个实施例的多光子显微成像系统的示意图。
10、多光子显微成像系统；1、圆偏振孤子产生装置；11、泵浦激光器；12、第一四分之一波片；13、第一聚焦透镜；14、光纤；15、第一准直透镜；16、长波通滤光片；2、第二四分之一波片；3、平场聚焦透镜；31、扫描镜；32、扫描透镜；4、二向色镜；5、物镜；6、光电倍增管；7、第一反射镜；8、镜筒透镜；9、第二反射镜。
具体实施例
为使得本发明的发明目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而非全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
图1是根据本发明的一个实施例的圆偏振孤子产生装置的示意图。
从图中可以看出，该圆偏振孤子产生装置1可以具有位于同一光路上的泵浦激光器11、第一四分之一波片12、第一聚焦透镜13以及光纤14，其中，泵浦激光器11产生的线偏光经过第一四分之一波片12后转变为圆偏光，圆偏光经过聚焦透镜后耦合到光纤14内，圆偏光经过光纤14后转变为圆偏振孤子。
在本实施例中，通过第一四分之一波片12，使线偏光变为圆偏光，再将圆偏光经过光纤14后变成圆偏振孤子。经过试验证明，在同等条件下，圆偏振孤子的能量是线偏振孤子能量的1.56倍，使得多光子信号能够在大脑中传输的更远，从而使人类能够进一步探索大脑深层的组织，进而解开大脑神秘的面纱。
以下通过理论证明圆偏振孤子的能量是线偏振孤子能量的1.56倍，线偏振孤子在光纤14中的传播公式为：
其中，i表示虚数单位，表示微分符号，z表示传输距离，Ax表示线偏振脉冲包络，β2表示群速度色散，T表示时间，γ表示非线性系数。
圆偏振孤子在光纤14中的传播公式为：
其中，A+表示右旋圆偏振孤子包络，公式(2)对左旋偏孤子冲同样适用(A+换为A-)。
由公式(1)和公式(2)可定义一个新的非线性系数γ’＝2/3γ，使得二者一致。公式(2)可转换为圆偏振孤子的能量，其公式如下：
其中，En+表示圆偏振孤子的能量，Enx表示线偏振孤子的能量。
由公式(3)可知，圆偏振孤子的能量是线偏振孤子能量的1.5倍。
以下通过实验证明圆偏振孤子的能量是线偏振孤子能量的1.56倍，在本实施例中，实验所用泵浦激光器11为(FLCPA-02CSZU,Calmar)，其输出激光为波长1550nm的线偏光，脉冲宽度为500fs，重复频率为1MHz。如图2中所示，在同样的条件下，圆偏振孤子与线偏振孤子经过长波通滤光片16后的能量比为1.56左右，与理论值1.5相吻合。
以下通过实验证明泵浦激光器11产生的线偏光经过第一四分之一波片12后转变为圆偏光。在第一四分之一波片12后面设置偏振片和功率计，旋转偏振片，并通过功率计测量偏振片旋转后的功率。在理论情况下，圆偏光每个角度的功率都相等；但是，在实际情况下，圆偏光每个角度的功率会存在一定的误差。如图3(a)中所示，横坐标为角度，纵坐标为归一化功率，其中，归一化功率表示将每个角度的功率除以最大功率就是该角度的归一化功率，比如，现在在0-360度测量十个功率值，在60度测量的功率为23.5mw,其中，最大的功率为24.5mw，则60度的归一化功率为23.5/24.5。在理论情况下，圆偏光的消光比为1，但是，在实际情况下，圆偏光的消光比接近1，其中，消光比表示圆偏光在不同角度下的最小功率和最大功率之比。最终，试验测得的消光比ERpump＝1.06，由此可知，泵浦激光器11产生的线偏光经过第一四分之一波片12后转变为圆偏光。
以下通过实验证明圆偏光经过光纤14后变成圆偏振孤子，在本实施例中，在第一准直透镜15后面设置偏振片和功率计，旋转偏振片，并通过功率计测量偏振片旋转后的功率。如图3(b)中所示，横坐标为角度，纵坐标为归一化功率。最终，试验测得的消光比ERpump＝1.03，由此可知，圆偏光经过光纤14后变成圆偏振孤子。
在图示实施例中，圆偏振孤子产生装置1还包括第一准直透镜15和长波通滤光片16，其中，圆偏振孤子经过准直透镜后发生散射，散射后的圆偏振孤子经过长波通滤光片16进行过滤。通过长波通滤光片16能够过滤特定波长以外的圆偏振孤子。在本实施例中，长波通滤光片16允许通过的圆偏振孤子的波长为1617nm。
在本实施例中，光纤14为棒状光子晶体光纤。可以了解，在可选的实施例中，光纤14也可以为高阶模光纤、大模场光纤或者空芯光纤。
图4是根据本发明的一个实施例的多光子显微成像系统的示意图。
从图中可以看出，该多光子显微成像系统10可以具有第二四分之一波片2、平场聚焦透镜3、二向色镜4、物镜5、光电倍增管6以及权利要求1-3任一项的圆偏振孤子产生装置1；其中，圆偏振孤子产生装置1产生的圆偏振孤子经过第二四分之一波片2后转变为线偏振孤子，线偏振孤子经过平场聚焦透镜3和二向色镜4后耦合到物镜5内，并通过物镜5聚焦到待检测物上产生信号，信号发生散射后依次经过物镜5和二向色镜4，二向色镜4将信号耦合到光电倍增管6内，并且通过光电倍增管6成像。
在图示实施例中，多光子显微成像系统10还包括第一反射镜7，第一反射镜7位于第二四分之一波片2和平场聚焦透镜3之间。
在图示实施例中，多光子显微成像系统10还包括镜筒透镜8，镜筒透镜8位于平场聚焦透镜3和二向色镜4之间。
在图示实施例中，多光子显微成像系统10还包括第二反射镜9，第二反射镜9位于镜筒透镜8和二向色镜4之间。二向色镜4能够透射长波长的光孤子，反射短波长的光孤子。在本实施例中，二向色镜4能够透射1617nm波长的光孤子，反射716nm波长的光孤子。
在本实施例中，平场聚焦透镜3包括X、Y轴扫描镜31和扫描透镜32。
工作过程：
泵浦激光器11产生的线偏光经过第一四分之波片后变为圆偏光，圆偏光经过聚焦透镜后耦合到棒状光子晶体光纤14内，圆偏光经过棒状光子晶体光纤14后变为圆偏振孤子，圆偏振孤子经过准直透镜后发生扩散，扩散后的圆偏振孤子经过长波通滤光片16进行过滤，过滤后的圆偏振孤子经过第二四分之一波片2变为线偏振孤子，线偏振孤子经过第一反射镜7发生反射，反射后的线偏振孤子经过平场聚焦透镜3和镜筒透镜8后发生扩散，扩散后的线偏振孤子经过第二反射镜9发生反射，发射后的线偏振孤子经过二向色镜4耦合到物镜5内，线偏振孤子经过物镜5聚焦到待检物的荧光染料上，并且使荧光染料产生非线性效应(荧光分子吸收三个光子跃进到激发态，激发态变为基态并发射一个光子)，从而产生荧光信号，荧光信号发生散射后依次经过物镜5和二向色镜4，二向色镜4将荧光信号耦合到光电倍增管6内，最终，通过光电倍增管6成像。
以上为对本发明所提供的一种圆偏振孤子产生装置及多光子显微成像系统的描述，对于本领域的技术人员，依据本发明实施例的思想，在具体实施例及应用范围上均会有改变之处，综上，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (7)

1.一种圆偏振孤子产生装置，其特征在于，包括位于同一光路上的泵浦激光器、第一四分之一波片、第一聚焦透镜以及光纤，其中，所述泵浦激光器产生的线偏光经过第一四分之一波片后转变为圆偏光，圆偏光经过所述聚焦透镜后耦合到所述光纤内，圆偏光经过所述光纤后转变为圆偏振孤子。
2.根据权利要求1所述的圆偏振孤子产生装置，其特征在于，所述圆偏振孤子产生装置还包括第一准直透镜和长波通滤光片，其中，圆偏振孤子经过所述准直透镜后发生散射，散射后的圆偏振孤子经过所述长波通滤光片进行过滤。
3.根据权利要求1所述的圆偏振孤子产生装置，其特征在于，所述光纤为棒状光子晶体光纤。
4.一种多光子显微成像系统，其特征在于，包括第二四分之一波片、平场聚焦透镜、二向色镜、物镜、光电倍增管以及权利要求1-3任一项所述的圆偏振孤子产生装置；其中，所述圆偏振孤子产生装置产生的圆偏振孤子经过所述第二四分之一波片后转变为线偏振孤子，线偏振孤子经过所述平场聚焦透镜和二向色镜后耦合到物镜内，并通过物镜聚焦到待检测物上产生信号，信号发生散射后依次经过所述物镜和所述二向色镜，所述二向色镜将信号耦合到所述光电倍增管内，并且通过所述光电倍增管成像。
5.根据权利要求4所述的多光子显微成像系统，其特征在于，所述多光子显微成像系统还包括第一反射镜，所述第一反射镜位于所述第二四分之一波片和所述平场聚焦透镜之间。
6.根据权利要求4所述的多光子显微成像系统，其特征在于，所述多光子显微成像系统还包括镜筒透镜，所述镜筒透镜位于所述平场聚焦透镜和所述二向色镜之间。
7.根据权利要求6所述的多光子显微成像系统，其特征在于，所述多光子显微成像系统还包括第二反射镜，所述第二反射镜位于所述镜筒透镜和所述二向色镜之间。
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