基于光學(xué)參量振蕩器的高分辨率CARS光譜研究

盧一鑫,趙小霞,呂印莊

(西安文理學(xué)院應(yīng)用物理研究所,陜西 西安 710065)

·激光應(yīng)用技術(shù)·

基于光學(xué)參量振蕩器的高分辨率CARS光譜研究

盧一鑫,趙小霞,呂印莊

(西安文理學(xué)院應(yīng)用物理研究所,陜西 西安 710065)

提出了一種基于三硼酸鋰(LBO)晶體的飛秒綠色泵浦光學(xué)參量振蕩器(OPO),其采用飛秒525 nm綠光光纖激光器作為泵浦源。OPO產(chǎn)生的信號光其可調(diào)諧的光譜范圍由780～940 nm,光功率可達(dá)到250 mW以上；閑頻光可調(diào)諧范圍從1630～1190 nm,光功率可達(dá)到300 mW以上。利用本系統(tǒng)可在波數(shù)為1330 cm-1和6650 cm-1之間進(jìn)行相干反斯托克斯拉曼散射(CARS)光譜測量。由于脈沖啁啾,光譜分辨率達(dá)到100 cm-1,與時間帶寬限制脈沖激勵源相比,分辨率達(dá)到后者的2.5倍。

光學(xué)參量振蕩器 ；三硼酸鋰晶體 ；相干反斯托克斯拉曼散射光譜

1 引 言

相干反斯托克斯拉曼散射(CARS)顯微成像技術(shù)已經(jīng)引起了生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中的廣泛興趣,它提供了具有無標(biāo)記物的化學(xué)選擇性和三維空間成像等功能[1-2]。CARS過程是一種三階非線性光學(xué)過程,在傳統(tǒng)的CARS 過程中,三束中心頻率分別為ωP,ωs和ωP′的抽運(yùn)光(EP)、斯托克斯光(Es)和探測光(EP′)入射到待測樣品中,入射光場在樣品中的焦點處滿足相位匹配條件的前提下,當(dāng)EP和ES之間的頻差與具有拉曼活性的分子的振動頻率ωv相等(ωv=ωP-ωs)時,物質(zhì)分子的固有振動得到共振增強(qiáng),通過EP′探測這一共振增強(qiáng)的分子振動產(chǎn)生頻率為ωAS=ωP-ωs+ωP′的相干反斯托克斯拉曼散射信號(EAS),如圖1所示,該散射光束包含了反映物質(zhì)分子的組成和結(jié)構(gòu)特征的光譜信息,具有很好的方向性和高的強(qiáng)度。通過CARS 光譜技術(shù)能夠在無需引入外源標(biāo)記的條件下快速獲取待測樣品中特定分子的空間分布以及分子之間相互作用的功能信息,在分子生物學(xué)[3]、細(xì)胞生物學(xué)[4]等眾多研究領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。

圖1 CARS(共振)過程能級圖

傳統(tǒng)的時間分辨CARS 光譜系統(tǒng)至少需要同時使用兩臺超短脈沖(皮秒或飛秒)激光器作為激發(fā)光源,系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜,代價昂貴[5]。同時,對于含有多種組分,或含有未知成分的待測樣品,實驗中就需要不斷改變激光器的中心波長,操作過程比較復(fù)雜[6-7]。現(xiàn)在CARS 光譜系統(tǒng)的激發(fā)光源主要是由同步供給激光器[8],或由同步泵浦光參量振蕩器(OPO)[9]提供的,其都具有穩(wěn)定的寬光譜覆蓋范圍,可以實現(xiàn)快速獲取待測樣品完整的CARS 光譜信息。近來利用光子晶體光纖(photonic crystal fiber,PCF)的非線性光學(xué)特性,采用超短脈沖激光器抽運(yùn)PCF 所產(chǎn)生的超連續(xù)光譜應(yīng)用于時間分辨CARS 光譜,已經(jīng)有飛秒級別的中紅外CARS 光譜報道[10],其分辨率還較為有限,而且較低的輸出功率阻礙了額外的檢測方案的實施,例如外差探測。為了保持全波長靈活性以及有數(shù)百mW 輸出功率,我們提出了一個基于三硼酸鋰(LBO)晶體的飛秒綠色泵浦光學(xué)參量振蕩器(OPO),其采用綠光光纖激光放大系統(tǒng)作為泵浦源。LBO晶體的優(yōu)點是高損傷閾值,低價格,利用非臨界相位匹配通過調(diào)整晶體溫度就可實現(xiàn)較寬的波長調(diào)諧范圍。有多個基于LBO的皮秒量級OPO已經(jīng)有過報道,且以證明可以應(yīng)用到CARS顯微成像技術(shù)[9,11]。在理論上推導(dǎo)出相干反斯托克斯拉曼散射顯微成像技術(shù)可以獲得超衍射極限的分辨率[12-13],而進(jìn)一步的應(yīng)用還沒有報道。因此,設(shè)計了飛秒級的LBO-OPO,使得它可以在綠色波長525 nm泵浦產(chǎn)生信號光和閑頻光的輻射分別可從780～940 nm和1190～1630 nm范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)諧,效率和分辨率對于上述LBO-OPO都有所提高。而且光纖激光器 作為泵浦源的設(shè)計使其在實際應(yīng)用中的CARS光譜系統(tǒng)結(jié)構(gòu)顯得更加緊湊和高效。

2 實驗裝置

實驗裝置示于圖2所示,THORLABS公司的綠光飛秒光纖激光器(型號ORANGE-525)的輸出525 nm光束(200 mW)經(jīng)過多個基于30 cm摻鐿單模的光纖放大器(Liekki,YB1200-4/ 125,纖芯直徑4 μm)組成的放大系統(tǒng),輸出2.6 W的525 nm激光,法拉第光隔離器,防止反向反射光通過前置放大級。經(jīng)過LBO晶體的OPO腔產(chǎn)生光學(xué)參量振蕩。OPO腔由兩個曲面反射鏡(M1/M2),形成曲率半徑-100 mm諧振腔(f=50 mm)和六個平面鏡組成,產(chǎn)生信號光,在800 nm 處存在17 μm束腰光束。兩個(M5/M8)反射鏡分別是線性腔的端鏡,和四個被折疊鏡 (M3/M4/M6/M7),用于調(diào)節(jié)OPO的空腔尺寸。反射鏡M5作為輸出耦合器,可以選擇對于780～960 nm范圍內(nèi)1%,2.5%,5.5%,或12%不同的反射率涂層。所有其他反射鏡在光譜范圍為780～960 nm被設(shè)計具有99%以上的反射率和在525 nm以及在1100～1800 nm范圍大于90%的透射率。帶有附加壓電致動器第二端鏡M8安裝在電動平移臺用于所述腔長的粗調(diào)和微調(diào)。OPO也是基于LBO非線性晶體,該晶體為2.6 mm長,切割為I類(e→o+ o)非臨界相位匹配方式,在xy平面(θ=90°和φ=0°)。由于高的帶寬,可在LBO晶體端面用防反射涂層,范圍從500～1800 nm,該反射在每個晶體小面損耗約為3%,從而導(dǎo)致往返LBO晶體約12%顯著信號反射損失。在LBO晶體是安裝溫度控制系統(tǒng),并放置在線性腔共振點,信號光明顯增強(qiáng)?？紤]到在每一個腔鏡額外的傳輸損耗(T=0.1%至1%),并在輸出端耦合 (T=2.5%至12%),在信號波長770～940 nm,信號光為往返一次總的腔內(nèi)損耗超過了30%。

圖2 綠光飛秒光纖激光器放大系統(tǒng)泵浦LBO-OPO實驗裝置圖

Yb-SMF:摻鐿單模的光纖；isolate:法拉第光隔離器阻止反射光；TC:晶體溫度檢測和控制器；M1/2:f=30 mm的凸透鏡;M3/4/6/7/8:腔鏡;M5:輸出耦合器;泵浦光波λp=525 nm;信號光波λS=780～940 nm;閑頻光λi=1630～1190 nm

3 結(jié)果與討論

計算和實驗測得的溫度調(diào)諧曲線的信號波示于圖3(a)。通過調(diào)諧晶體溫度,使其在132 ℃和170 ℃之間變化,信號波長可以從780 nm調(diào)諧到940 nm,相應(yīng)的閑頻光波從1630～1190 nm。發(fā)射光波長以基于光柵光譜儀(Stellarnet EPP 2000,0.5 nm 分辨率)進(jìn)行測定,對于溫度調(diào)諧過程曲線中的每個數(shù)據(jù)點,通過調(diào)節(jié)諧振長度對于信號的輸出功率都進(jìn)行了優(yōu)化,理論計算的調(diào)諧曲線與折射率的參數(shù)由文獻(xiàn)[14]中給出,它與實驗數(shù)據(jù)顯示較好的一致性,但晶體溫度如有13 ℃的偏移量,就不得不考慮加以補(bǔ)償,因為該溫度傳感器不是直接放置在 LBO晶體。實驗曲線與理論之間存在的微小變化,其原因與優(yōu)化輸出功率過程中的調(diào)諧腔長的變化以及隨之而來的信號波長的變化存在聯(lián)系,進(jìn)一步研究的結(jié)果如圖4所示。相同功率的泵浦光在通過具有不同耦合比的耦合鏡M5輸出的信號光功率也有所不同,如圖3(d)所示。泵浦光的功率是在OPO的模式匹配透鏡前方測量的,但由于在聚光透鏡、凸透鏡M1,和晶體入射面的損失,在晶體中有效的泵浦功率減少了15%。振蕩閾值出現(xiàn)在泵浦功率為700 mW輸出耦合器為2.5%和泵浦功率為900 mW輸出耦合器為12%之間。由于鏡子和晶體表面形成的20%左右高附加腔損失，使得該閾值略微有所改變。當(dāng)晶體溫度為156 ℃時,在輸出耦合鏡M5后面測量到了波長為870 nm的信號光,1.8 W的泵浦功率,采用2.5%(12%)輸出耦合器,信號光的輸出功率為90 mW(270 mW)。而LBO晶體的抗反射涂層還有約12%的損失,這意味著如果具有更好的防反射涂層材料的使用,在12%的輸出耦合器的情況下,會得到更大的信號光功率。當(dāng)泵浦功率達(dá)到2.3 W以上,由于在LBO晶體的非線性效應(yīng),OPO的轉(zhuǎn)換效率下降以及信號波的光譜開始顯示調(diào)制和非對稱性展寬。因此,實驗中使用12%的輸出耦合器和2.3 W的最大泵浦功率見圖3(b)和圖3(c).其顯示了OPO的信號和閑頻光的輸出功率與波長關(guān)系函數(shù)。在整個波長調(diào)諧范圍內(nèi),光參量振蕩器產(chǎn)生的信號光功率超過250 mW以及閑頻光輸出功率超過300 mW。在波長1400 nm的閑頻光譜中觀察到的功率下凹曲線是由于閑頻光在LBO晶體和檢測器之間大約長2 m 的空氣中傳播,吸收水蒸汽(濕度50%)以及二氧化碳所致。

圖3 LBO-OPO的信號波長實驗數(shù)據(jù)(點狀)和理論信號波長[14](實線)

以上進(jìn)行所有的測量值都是在有源腔長穩(wěn)定的情況下進(jìn)行的,關(guān)于信號光功率與空腔長度失配的影響關(guān)系如圖4(a)所示。M8總移動距離 27 μm,而同步泵浦光學(xué)參量震蕩仍在持續(xù)。在諧振腔長度不匹配情況下,在OPO和泵浦激光器之間通過諧振信號波長自我調(diào)節(jié)進(jìn)行補(bǔ)償如圖4(b)所示。

圖4 晶體溫度為156 ℃時信號光參數(shù)隨著腔鏡M8位置變化的響應(yīng)曲線

這種效應(yīng)源自O(shè)PO腔體內(nèi)的群速度色散導(dǎo)致不同波長的信號光產(chǎn)生不同的往返時間[15]。在晶體的溫度 156 ℃時,M8鏡27 μm的位移造成信號波長在790 nm和920 nm之間變化。在溫度調(diào)諧曲線的邊緣(圖3(b)),當(dāng)晶體溫度132 ℃時,通過調(diào)諧腔體長度從而降低信號輸出功率,使得信號光波長降至765 nm,直到參量振蕩停止。無變化的穩(wěn)定空腔長度條件下,信號光功率和中心波長在低于1 Hz 范圍內(nèi)僅表現(xiàn)為緩慢的波動,但在10 s光功率平均變化在5%以內(nèi),而中心波長波動為±2 nm。對于應(yīng)用在CARS光譜測量中,只要獲取采樣點數(shù)據(jù)的時間比波動更快,且同步測量信號光的功率和中心波長,這些都是可接受的。用刀口法進(jìn)行測量信號光光束質(zhì)量為M2=1.12，其適用于顯微鏡應(yīng)用。為了證明所提出的適合CARS光譜和顯微技術(shù)系統(tǒng),把OPO中時間和空間重疊的泵浦光束(λ=525 nm)和信號光束聚焦到感興趣的樣本。信號光束和閑頻光耦合充當(dāng)抽運(yùn)光和斯托克斯光,泵浦光束充當(dāng)探測光，這組光束組合在波數(shù)1330～6650 cm-1范圍內(nèi)測量拉曼活性振動。

使用光譜分辨率為4 cm-1的高靈敏熱電制冷CCD 光譜儀探測接收檢測的CARS信號。由于CARS信號是相對于激發(fā)光藍(lán)移的,在光譜儀前安裝短波通濾光片來消除包括EP,Es和EP’在內(nèi)的激發(fā)光,以及激發(fā)樣品可能產(chǎn)生的熒光信號的影響。通過該系統(tǒng)測得聚苯乙烯的CARS譜其結(jié)果顯示圖5所示,在 2810 cm-1和3066 cm-1發(fā)現(xiàn)共振峰。一個更小的第三個高峰出現(xiàn)在2520 cm-1。兩個諧振之間的距離是255 cm-1。如果使用有限傅里葉脈沖已經(jīng)達(dá)到該系統(tǒng)的極限分辨率。然而使用線性調(diào)頻脈沖CARS光譜可以改善光譜分辨率,是因為由于啁啾瞬時減少頻譜帶寬[16]。在該情況下這里介紹的OPO的正啁啾信號脈沖為傅里葉極限的2～2.5倍,而由于該晶體的二次諧波正啁啾脈沖呈3次傅里葉極限,這使得改進(jìn)的光譜分辨率可以讓我們能夠清楚分辨這兩個共振峰。該系統(tǒng)的光譜分辨率通過在共振峰2810 cm-1整個脈沖的半極大全寬度(FWHM)可測定為 100 cm-1。這是和匹配預(yù)期使用有限傅里葉脈沖相比的2.5倍。在2810 cm-1和3066 cm-1處可以識別兩個明顯的共振峰。使用濾波器組可以測出2520 cm-1處第三個小得多的共振峰。

圖5 聚苯乙烯的相干反斯托克斯拉曼散射光譜

4 結(jié) 論

提出了一個相干反斯托克斯拉曼散射(CARS)光譜測量系統(tǒng),其光源采用的是基于三硼酸鋰(LBO)晶體的飛秒綠色泵浦光學(xué)參量振蕩器(OPO),由飛秒525 nm綠光光纖激光器 作為泵浦源。利用本系統(tǒng)可在波數(shù)為1330 cm-1和6650 cm-1之間進(jìn)行相干反斯托克斯拉曼散射(CARS)光譜測量,在下一階段我們將優(yōu)化LBO晶體的信號波長抗反射涂層,可進(jìn)一步增加可用的信號輸出功率。由于脈沖啁啾,光譜分辨率達(dá)到100 cm-1,基于線性調(diào)頻脈沖,與時間帶寬限制的脈沖激勵源分辨率達(dá)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

陜西省教育廳課題(No.2013JK0620)資助。

盧一鑫(1982-)，男，碩士，主要從事非線性光學(xué)，光電子器件的研究工作。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