基于連續(xù)穩(wěn)頻激光的雙光學頻率梳光學成像方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于連續(xù)穩(wěn)頻激光的雙光學頻率梳光學成像方法，該光學成像方法將兩臺光學頻率梳種子源通過重復頻率控制模塊鎖定在穩(wěn)定的外界原子鐘上，同時，通過連續(xù)穩(wěn)頻激光與兩臺光學頻率梳種子源輸出激光的相互作用，將攜帶有光梳頻率不穩(wěn)定度的電學信號提取出來，并將該信號進行射頻信號功率分配與處理，其一部分直接用于反饋控制兩臺光學頻率梳種子源的激光諧振腔特性，以穩(wěn)定半導體激光器的輸出載波包絡相位頻率，另一部分用于與雙光梳成像系統(tǒng)產生的周期性干涉譜信號進行混頻，進一步將光梳系統(tǒng)的頻率漂移量抵消掉，從而從兩個方面入手控制整個雙光梳成像系統(tǒng)的測量精度，實現快速、超高分辨的光梳相干成像。
【專利說明】基于連續(xù)穩(wěn)頻激光的雙光學頻率梳光學成像方法

【技術領域】
[0001]本發(fā)明屬于超快激光【技術領域】，具體涉及一種基于連續(xù)穩(wěn)頻激光的雙光學頻率梳光學成像方法。

【背景技術】
[0002]光學顯微成像技術的發(fā)展由來已久，伴隨著人類對微觀世界探索程度的加深而不斷進步。早在公元前一世紀，人們就發(fā)現可以利用水滴觀察到物體被放大后的像。傳統(tǒng)光學成像系統(tǒng)的空間分辨能力受到衍射極限的限制，一般來說，光學成像系統(tǒng)衍射限制的空間分辨率約為探測光波長的一半，而對于小于這個成像極限值的物體細節(jié)，傳統(tǒng)光學系統(tǒng)將無能為力。進入80年代，非光學類掃描探針顯微術特別是原子力顯微鏡的出現可以將成像的分辨率推進到納米量級的精度，但這些顯微技術或者穿透深度很小，或者只能給出物體表面的信息，并在不同程度上存在系統(tǒng)結構復雜、成像檢測環(huán)境要求苛刻等問題。隨著激光技術的發(fā)展與成熟，將激光這一具有良好相干性、方向性與能量密度的工具運用于光學顯微成像，可以為活體生物樣品提供重要的光學信息(如偏振態(tài)、折射率、光譜等)，并進行無損傷性生物活體探測。其中，近年來新興的飛秒光學頻率梳(簡稱光梳)可以直接作為光源，運用于非線性光學成像過程。其可用于光學成像的非線性效應很多，如:雙光子吸收、二次諧波(SHG )、三次諧波(THG )、相干反斯托克斯拉曼散射(CARS )、克爾效應等。
[0003]另一方面，為了構建時域與頻域兼具頻率高穩(wěn)定度的飛秒光學頻率梳，需將鎖模脈沖激光器的輸出脈沖序列的重復頻率信號(/；)與載波包絡相位頻率信號(/_)鎖定，即保證頻率梳的每根梳齒與梳齒的間隔穩(wěn)定，且整體在頻率域不發(fā)生漂移。其中，光梳的重復頻率信號是可直接探測的電學信號，將其與原子鐘控制的標準信號混頻，并反饋控制激光器腔長，即可實現光梳重復頻率鎖定。但是，脈沖傳播過程中由于群速度與相速度之差產生的光梳載波包絡相位漂移頻率的探測與控制過程較為復雜，通常需要對光梳的輸出光進行功率放大與光譜展寬，再采用共線或非共線型的自參考光學系統(tǒng)進行光學倍頻與光學合束拍頻，將載波包絡相位漂移頻率提取出來。而上述這一過程中，不僅需要對脈沖的色散特性與偏振態(tài)進行良好的控制，而且對非線性晶體的溫度、整個光學系統(tǒng)的相位匹配度、光路的調整精度與穩(wěn)定度都提出了較高要求，這些無疑為光學頻率梳技術的應用推廣帶來不利影響。


【發(fā)明內容】

[0004]本發(fā)明的目的是根據上述現有技術的不足之處，提供一種基于連續(xù)穩(wěn)頻激光的雙光學頻率梳光學成像方法，該光學成像方法將兩臺光學頻率梳種子源通過重復頻率控制模塊鎖定在穩(wěn)定的外界原子鐘上，同時，通過連續(xù)穩(wěn)頻激光與兩臺光學頻率梳種子源輸出激光的相互作用，將攜帶有光梳頻率不穩(wěn)定度的電學信號提取出來，并將該信號進行射頻信號功率分配與處理，其一部分直接用于反饋控制兩臺光學頻率梳種子源的激光諧振腔特性，以穩(wěn)定半導體激光器的輸出載波包絡相位頻率，另一部分用于與雙光梳成像系統(tǒng)產生的周期性干涉譜信號進行混頻，進一步將光梳系統(tǒng)的頻率漂移量抵消掉，從而從兩個方面入手控制整個雙光梳成像系統(tǒng)的測量精度，實現快速、超高分辨的光梳相干成像。
[0005]本發(fā)明目的實現由以下技術方案完成:
一種基于連續(xù)穩(wěn)頻激光的雙光學頻率梳光學成像方法，涉及兩臺光學頻率梳種子源，其特征在于所述光學成像方法包括如下步驟:將兩臺所述光學頻率梳種子源各自的輸出激光分為三路；
第一路，兩臺所述光學頻率梳種子源的輸出激光分別進入頻率控制模塊以將所述光學頻率梳種子源的重復頻率信號鎖定在外界原子鐘上；
第二路，兩臺所述光學頻率梳種子源的輸出激光與連續(xù)穩(wěn)頻激光發(fā)生模塊的輸出激光在連續(xù)激穩(wěn)頻激光與雙光梳相互作用模塊中進行拍頻，產生兩個頻率相近的拍頻信號并濾取出來做差頻，得到射頻信號f ;通過射頻信號功率分配與處理模塊將所述射頻信號f分為等值的三路信號U2與f3信號，其中所述信號^和f2分別反饋回兩臺所述光學頻率梳種子源中的電光調制器和半導體激光器，以穩(wěn)定兩臺所述光學頻率梳種子源輸出激光的載波包絡相位頻率，所述信號f3經倍頻器放大為信號后進入樣品數據采集與處理模塊；第三路，將其中第一臺所述光學頻率梳種子源的輸出激光作為探測光入射至待測樣品，將其中第二臺所述光學頻率梳種子源的輸出激光作為參考光與所述探測光拍頻以得到干涉譜信號A ;所述干涉譜信號A之后進入所述樣品數據采集與處理模塊中與所述信號Hf3進行混頻以抵消頻率不穩(wěn)定度，得到光譜信號，并對所述光譜信號fsignal進行逐點還原，實現所述待測樣品的光學成像。
[0006]兩臺所述光學頻率梳種子源的輸出激光頻率分別為fcoM=nfrep+fceo與fcomb2=n (frep+A {!^+{—，其中^^是第一臺所述光學頻率梳種子源的重復頻率，A frep是第二臺所述光學頻率梳種子源與第一臺所述光學頻率梳種子源的重復頻率的微小差值，fceo與分別表示第一臺所述光學頻率梳種子源與第二臺所述光學頻率梳種子源的載波包絡相位漂移頻率。
[0007]所述連續(xù)穩(wěn)頻激光發(fā)生模塊的輸出激光是指激光頻率線寬在Hz量級的單縱模激光。
[0008]所述光學頻率梳種子源中的激光諧振腔內設置有電光調制器和半導體激光器；所述信號A轉換為直流電壓后作用于所述電光調制器，改變所述電光調制器的折射率以調整所述激光諧振腔的啁啾量并補償其腔長的失配量；所述信號f2反饋至所述半導體激光器，反饋控制所述半導體激光器的電流以穩(wěn)固所述激光諧振腔的噪聲特性。
[0009]所述探測光的頻率為fcombl=nfrep+fceo，所述參考光的頻率為fc-2=n (frep+A所述探測光與所述參考光進行拍頻后得到由一系列間隔為Λ frep的射頻信號組成的所述干涉譜信號fi。
[0010]本發(fā)明的優(yōu)點是:
1)基于具有微小重復頻率差值的雙光梳光學成像方法可以同時采集由粒子躍遷所產生的寬頻率范圍內的光譜信息與高分辨率形貌圖像，其裝置響應速率快，采集快速高；
2)待測樣品的所有光譜元素可以在一個光電探測器上進行同時測量，從而確保了光譜的一致性；此外，高精度光學頻率梳保證了波數標度的再現性和準確性；
3)成像所需的雙光學頻率梳系統(tǒng)可以在無需精確探測脈沖載波包絡相位信號的情況下，通過連續(xù)穩(wěn)頻激光將光梳系統(tǒng)的頻率漂移量以電學信號的方式傳遞出來，并進行控制，從而較大程度上降低了光學系統(tǒng)的復雜性與維護難度，增強了整個光梳成像裝置的緊湊性與適用性；
4)光梳與連續(xù)穩(wěn)頻激光產生的攜帶光梳特性的電學信號展現了多重利用價值:其一方面反饋控制光梳種子源激光腔的泵浦電流與腔內電光調制器，穩(wěn)固光梳光源的輸出激光特性，另一方面與光梳成像過程中得到的干涉譜信號做混頻，進一步抵消由光梳系統(tǒng)的頻率漂移帶來的測量誤差；整個成像裝置從多角度入手保證了成像圖譜的高精度輸出；
5)光學頻率梳輸出激光的脈沖寬度一般在飛秒(I(T15s)量級，甚至可以通過控制激光的高階色散獲得更窄的脈沖輸出，這相當于提高了光學探針的精度，有利于實現超分辨光譜探測和顯微成像技術；
6)光學頻率梳可以通過光子晶體光纖等元件實現頻域拓展，使其輸出頻帶具有覆蓋紫夕卜、可見與紅外等較寬的范圍；雙光梳成像系統(tǒng)能夠充分利用這一特點，在同一時刻使物質分子中多個分子振動模式得到共振增強，產生相應的光譜信號，因此在對生物系統(tǒng)和其他含有多種成份的復雜系統(tǒng)進行非侵入光譜識別和顯微成像的過程中具有顯著優(yōu)勢；
7)光學頻率梳的重復頻率一般在幾百兆赫茲(16Hz)至幾個吉赫茲(19Hz )量級，且其輸出脈沖通?？梢酝ㄟ^功率放大器達到百瓦量級的強度；具有高峰值功率和較低的單脈沖能量的超短激光脈沖能夠最大限度地減小對生物樣品的光致損傷，同時，高脈沖重復頻率的超短脈沖激光能夠有效滿足成像系統(tǒng)中快速獲取信號的需要。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0011]圖1為本發(fā)明實施例一中裝置結構示意圖；
圖2為本發(fā)明實施例二中用全光纖型雙光梳系統(tǒng)進行樣品掃描成像的示意圖；
圖3為本發(fā)明實施例三中用半空間半光纖型雙光梳系統(tǒng)進行相干反斯托克斯拉曼散射成像的示意圖。

【具體實施方式】
[0012]以下結合附圖通過實施例對本發(fā)明的特征及其它相關特征作進一步詳細說明，以便于同行業(yè)技術人員的理解:
如圖1-3，圖中標記1-31分別為:光學頻率梳種子源1、光學頻率梳種子源2、重復頻率鎖定模塊3、連續(xù)穩(wěn)頻激光發(fā)生模塊4、連續(xù)穩(wěn)頻激光與雙光梳相互作用模塊5、射頻信號功率分配與處理模塊6、倍頻器7、雙光學頻率梳光學成像模塊8、樣品數據采集與處理模塊9、計算機10、光纖波分復用器11、增益光纖12、光纖光隔離器13、光纖稱合輸出器14、光纖偏振控制器15、光學電機延遲模塊16、偏振分束器17、二向色鏡18、掃描振鏡19、全反鏡20、顯微物鏡21、一維樣品臺22、空間帶通濾波片23、腔內偏振分束器24、腔內半波片25、斜披對26、光子晶體光纖27、啁啾鏡28、空間低頻濾波片29、三維樣品臺30、空間高頻濾波片31 ；
其中，LD代表半導體激光器、PZT代表壓電陶瓷晶體，EOM代表電光調制器，SESAM代表半導體可飽和吸收鏡；
圖中實線代表光傳播路線，虛線代表電路傳輸路線。
[0013]實施例一:如圖1所示，本實施例具體涉及一種基于連續(xù)穩(wěn)頻激光的雙光學頻率梳光學成像方法，將雙光梳種子源(即光學頻率梳種子源I和光學頻率梳種子源2)通過重復頻率控制模塊3鎖定在外界穩(wěn)定的原子鐘上，同時，連續(xù)穩(wěn)頻激光與雙光梳相互作用模塊5將連續(xù)穩(wěn)頻激光發(fā)生模塊4產生的連續(xù)激光與兩路光學頻率梳種子源(即光學頻率梳種子源I和光學頻率梳種子源2)的輸出激光做拍頻，將攜帶有光梳頻率不穩(wěn)定度的電學信號提取出來，并將該信號進行射頻信號功率分配與處理，其一部分直接用于反饋控制光學頻率梳種子源內的激光諧振腔特性，以穩(wěn)定半導體激光器LD的輸出載波包絡相位頻率，另一部分用于與雙光學頻率梳光學成像模塊8產生的周期性干涉信號進行混頻，進一步將雙光學頻率梳光學成像模塊8的頻率漂移量抵消掉，從而從兩個方面入手控制整個雙光學頻率梳光學成像模塊8的測量精度，實現快速、超高分辨的光梳相干成像。
[0014]如圖1所示，兩臺光學頻率梳種子源I和2均為由半導體激光器LD泵浦的脈沖激光發(fā)生源，其激光諧振腔內需具有可調節(jié)腔長的壓電陶瓷晶體PZT與可控制色散特性的電光調制器Ε0Μ。兩臺光學頻率梳種子源1、2輸出激光的中心波長決定于激光諧振腔內的增益介質，可根據待測樣品基本光學響應特性選擇合適的種子源系統(tǒng)。
[0015]如圖1所示，為滿足系統(tǒng)雙光梳相干光學成像的要求，需使兩臺光學頻率梳種子源1、2輸出脈沖的重復頻率信號具有微小差值，該差值一般在百KHz至Hz量級。
[0016]如圖1所示，重復頻率鎖定模塊3具有將兩個光學頻率梳種子源1、2輸出重復頻率信號分別精密鎖定的兩套獨立鎖相環(huán)電路，其各自的工作過程為:將由光電探測器探測到光梳重復頻率信號通過與外界原子鐘觸發(fā)的標準信號做混頻，得到誤差信號，并經過放大后反饋控制光梳種子源內的壓電陶瓷晶體PZT，從而鎖定激光諧振腔的腔長，從而控制每一臺光學頻率梳種子源1、2輸出脈沖在時間域上的穩(wěn)定性。
[0017]如圖1所示，連續(xù)穩(wěn)頻激光發(fā)生模塊4為整個雙光梳系統(tǒng)提供了頻率域的穩(wěn)定標準，其輸出激光通過與兩臺光學頻率梳種子源1、2輸出光進行拍頻而獲得光梳的頻率漂移信息。在實際測量過程中，需根據光學頻率梳輸出光特性來合理選擇連續(xù)穩(wěn)頻激光的輸出波長并控制其偏振態(tài)，以獲得高信噪比的射頻信號來控制整個成像系統(tǒng)。此處連續(xù)穩(wěn)頻激光是指激光頻率線寬在Hz量級的單縱模激光，其發(fā)生裝置(即連續(xù)穩(wěn)頻激光發(fā)生模塊4)一般由普通連續(xù)激光器配合法布里-珀羅腔(F-P腔)，并利用增益曲線，以原子本身躍遷中心頻率為參考頻率構成的激光穩(wěn)頻系統(tǒng)。同時，需要采用諸如恒溫、膨脹系數匹配、防震、密封、穩(wěn)定電源等措施進行激光的被動式穩(wěn)頻，進一步保證連續(xù)激光的頻率穩(wěn)定性，使其成為雙光梳系統(tǒng)的頻率標準。
[0018]如圖1所示，連續(xù)穩(wěn)頻激光與雙光梳相互作用模塊5是兩臺光學頻率梳種子源1、2的輸出激光與連續(xù)穩(wěn)頻激光這三路光信號進行相干拍頻，并獲得攜帶有光學頻率梳載波包絡相位漂移信息的射頻信號的光電結合裝置。其包括兩套獨立的光梳與連續(xù)激光拍頻所需的光學元件與拍頻信號濾取與差頻所需的電學元件。其主要功能是將分束得到的兩臺光學頻率梳種子源1、2的輸出激光分別與連續(xù)穩(wěn)頻激光做拍頻，并濾取兩臺光梳中位于同一位置的光梳梳齒與連續(xù)穩(wěn)頻激光產生的兩個拍頻信號做混頻，得到的差頻信號用作射頻信號功率分配與處理。由于連續(xù)穩(wěn)頻激光提供了可靠的頻率標準，且兩個光學頻率梳種子源1、2的重復頻率已得到精密控制，故所得到的/_信號即反應了雙光學頻率梳系統(tǒng)由于載波包絡相位漂移所引起的頻率不穩(wěn)定性，亦即光梳的載波包絡相位漂移頻率以射頻信號的形式傳遞出來。
[0019]如圖1所示，射頻信號功率分配與處理模塊6由電子功率分配器構成，需根據射頻信號的數值合理選擇分頻器的帶寬，以滿足系統(tǒng)的高速響應，抑制附加噪聲。本方法中將輸入的射頻信號分成三路。
[0020]如圖1所示，射頻信號功率分配與處理模塊6產生的三路信號中，一路用于反饋控制兩臺光學頻率梳種子源1、2的泵浦激光器(即半導體激光器LD)，一路用于反饋控制兩臺光學頻率梳種子源1、2激光諧振腔內部的電光調制器Ε0Μ，一路用于與采集到的樣品信號混頻，從多方面入手控制整個測量裝置內的頻率穩(wěn)定度。
[0021]如圖1所示，由于光學頻率梳種子源與連續(xù)穩(wěn)頻激光相互作用產生的射頻信號頻段不一定與光學頻率梳光學成像模塊8產生的干涉譜信號在同一頻段，故需使用倍頻器將上述功分得到的信號之一倍頻，使其能夠與干涉譜信號做混頻，剛好抵消掉光梳系統(tǒng)的頻率不穩(wěn)定度。
[0022]如圖1所示，雙光學頻率梳光學成像模塊8將兩臺光學頻率梳種子源1、2中的一路光作為探測光，另一路光作為參考光進行樣品形貌探測，可根據探測方法的不同搭建結構不同的探測裝置，以使樣品的光學信息得以充分激發(fā)。
[0023]如圖1所示，樣品數據采集與處理模塊9包括平衡探測裝置、數據采集卡與弱信號分析器等元件，將樣品逐點掃描過程中得到的大量數據提取出來，獲得干涉譜信號，此干涉譜信號經過進一步的噪聲處理，得到最終的光譜信號，再將此信號還原成樣品形貌信息，實現雙光梳光譜成像。
[0024]如圖1所示，計算機10可以配合完成數據處理過程的程序運行，并可以通過編程將成像過程實現為可視化，從而光梳成像的實時監(jiān)測，保障系統(tǒng)的高速有效運轉。
[0025]如圖1所示，本實施例中基于連續(xù)穩(wěn)頻激光的雙光學頻率梳光學成像法具體步驟如下:
首先，調節(jié)兩個光學頻率梳種子源1、2處于良好的自啟動鎖模狀態(tài)，并將其各自的輸出激光分為三束，其中一部分經過光電探測器進入重復頻率鎖定模塊3，通過基于鎖相環(huán)的電子伺服反饋系統(tǒng)將光梳的重復頻率信號精密鎖定在外界原子鐘上，另一部分分束得到的光梳激光用來與連續(xù)穩(wěn)頻激光相互作用，最后一部分分束得到的光梳激光用來產生光梳成像信號。兩個具有微小重復頻率差的光學頻率梳種子源1、2的輸出頻率分別為fc—i=nfrep+fceo與fcomb2=n(frep+A其中，frep是光學頻率梳種子源I的重復頻率，
^ frep是所述光學頻率梳種子源2與光學頻率梳種子源I的重復頻率的微小差值，fceo與是未經鎖定的光頻頻率。
[0026]其次，連續(xù)穩(wěn)頻激光與兩臺光學頻率梳種子源1、2的輸出光經過連續(xù)穩(wěn)頻激光與雙光梳相互作用模塊5相干拍頻，將位于同一位置的光梳梳齒與連續(xù)激光產生的兩個頻率相近的拍頻信號濾取出來做差頻，得到射頻信號/_，該信號反應了上述/_與/；?；的漂移度，并將難以測量的光學頻率轉化為便于操作的電學頻率。通過射頻信號功率分配與處理模塊6將f信號分為等值的三路f”f2與f3信號，來分別控制光梳種子源腔內電光調制器Ε0Μ、半導體激光器LD電流與成像系統(tǒng)探測得到的樣品光譜信號。
[0027]同時，光學頻率梳種子源1、2的另一部分輸出光進入雙光學頻率梳光學成像模塊8中進行樣品探測，合理控制光學頻率梳種子源1、2輸出激光的啁啾特性、光譜覆蓋范圍、峰值功率與偏振態(tài)等因素，使待測樣品的光學特性得以充分激發(fā)，通過機械掃描振鏡或樣品臺的精密轉動，完成樣品的逐點測量過程，得到樣品的干涉譜信號之。
[0028]最后，將經過倍頻器7產生的信號與信號做混頻，進一步抵消由雙光梳未鎖定的載波包絡相位頻率給測量帶來的誤差，得到最終的信號fsignal進行逐點還原，通過計算機顯示，實現待測樣品的快速、高分辨率光學成像。
[0029]實施例二:如圖2所示為采用偏振旋轉鎖模式全光纖激光器作為光學頻率梳種子源，進行雙光梳樣品掃描成像的示意圖，具體步驟如下:
(I)兩臺光學頻率梳種子源1、2均采用全光纖型采用結構，用980nm半導體激光器LD作為泵浦源，通過光纖波分復用器11進入激光諧振腔內，單模的摻鐿增益光纖12作為增益介質，光纖隔離器13保證激光的單向運轉，壓電陶瓷晶體PZT纏繞于腔內單模光纖上，電光調制器EOM采用光纖式相位和強度調制器；調整腔內的光纖偏振控制器15，使激光器達到穩(wěn)定鎖模狀態(tài)；鎖模脈沖激光通過光纖I禹合輸出器14輸出。
[0030](2)在重復頻率鎖定模塊3中，將由光電探測器探測到的光梳重復頻率信號通過與外界原子鐘觸發(fā)的標準信號做混頻，得到誤差信號進行放大，反饋控制光學頻率梳種子源1、2內的壓電陶瓷晶體PZT，從而鎖定每一臺光學頻率梳種子源輸出脈沖在時間域上的穩(wěn)定性。
[0031](3)基于光學頻率梳種子源1、2的全光纖特性，連續(xù)穩(wěn)頻激光與雙光梳相互作用模塊5的光學部分也可以采用全光纖式，合理選擇光學耦合器、光纖帶通濾波器的中心波長，使獲得的拍頻信號具有較高的信噪比；電學部分需選擇兩個通頻帶寬在±10MHz以下的帶通濾波器將頻率相近的兩個拍頻信號濾取出來，再通過混頻器進行混頻，取其差頻信號f作為系統(tǒng)的反饋控制射頻信號。
[0032](4)兩臺光梳的部分輸出激光通過各自相應波段的準直器將光纖光轉化為空間光，將光學頻率梳種子源I的輸出光作為探測光，光學頻率梳種子源2的輸出光作為參考光進行雙光梳相干成像探測。
[0033](5)光學頻率梳種子源I的輸出光首先通過一個由高反鏡構成的光學電機延遲模塊16，該模塊的作用是調整探測光在從輸出端口到待測樣品再到進入探測器的過程中與參考光所走的空間光程的長度，即保證在到達樣品數據采集與處理模塊9中的平衡探測器時，兩路激光所經歷的光程一致，以保證信號光與參考光可以實現拍頻。
[0034](6)作為參考光的光學頻率梳種子源2的輸出激光通過偏振分束器17分為兩束，一束通過二向色鏡18與探測光一同入射樣品，另一束直接進入探測器，參考激光在成像過程中可以作為泵浦光源激發(fā)樣品的分子躍遷，使成像過程中的非線性效應得以順利完成，另一方面可以在探測過程中為得到的干涉譜信號提供統(tǒng)一化標準，增強測量結果的協(xié)調性與可信度。
[0035](7)經過二向色鏡18合束的參考激光與探測激光首先入射至掃描振鏡19，經全反鏡20反射后再通過顯微物鏡組21對放置于一維樣品臺22上的樣品進行光梳光譜成像探測。通過掃描振鏡19的移動掃描，獲取樣品三維成像圖中X軸與y軸的構建，并使樣品在每一點，通過光學頻率梳進行深度測量，即獲得三維成像圖中的z軸信息。
[0036](8)經過樣品后的激光通過空間帶通濾波片23，濾除掉探測過程中與信號無關的雜散光，提高干涉譜信號的信噪比。
[0037](9)在樣品數據采集與處理模塊9中，將經過光學濾波的探測光與參考光進行平衡探測，并用相應的高速數據采集卡進行數據采集，得到的干涉譜信號?\與通過倍頻器7產生的攜帶光梳頻率抖動的射頻信號做混頻，以進一步控制光梳系統(tǒng)的相位誤差，得到具有樣品光學信息的信號通過計算機10完成對信號的還原與呈現，以實現高分辨率的逐點式雙光梳光譜信息測量與樣品光學成像。
[0038]實施例三:如圖3所示為基于SESAM的半空間半光纖型激光器作為光學頻率梳種子源，進行雙光梳相干反斯托克斯拉曼散射成像的示意圖，具體步驟如下:
(I)兩臺光學頻率梳種子源1、2均采用全光纖型采用結構，用980nm半導體激光器LD作為泵浦源，通過光纖波分復用器11進入激光諧振腔內，增益光纖12作為增益介質，光纖隔離器13保證激光的單向運轉，壓電陶瓷晶體PZT纏繞于腔內單模光纖上。
[0039](2)基于激光諧振腔的半空間半光纖特點，腔內偏振分束器24配合腔內半波片25的使用，使從偏振分束器24輸出的部分激光作為光學頻率梳種子源1、2的輸出端口，另一部分激光通過自由空間電光調制器Ε0Μ，再經過斜披對，入射至半導體可飽和吸收鏡SESAM，其中斜披對的作用是調整激光諧振腔的色散特性，使其輸出超短脈沖。合理選擇半導體可飽和吸收鏡SESAM響應波段與調制深度，使激光諧振腔達到穩(wěn)定的鎖模狀態(tài)。
[0040](3)由于兩臺光學頻率梳種子源1、2均呈現空間光輸出狀態(tài)，故使用相應波段的分束器將光梳光分束。對每臺光學頻率梳種子源而言，其輸出激光至少分為三束，一束用來入射至重復頻率鎖定模塊3，一束用來進入連續(xù)穩(wěn)頻激光與雙光梳相互作用模塊5與連續(xù)穩(wěn)頻激光發(fā)生相互作用，另外一束用作光梳成像。
[0041](4)在重復頻率鎖定模塊3中，將由光電探測器探測到的光梳重復頻率信號通過與外界原子鐘觸發(fā)的標準信號做混頻，得到誤差信號進行放大，反饋控制光梳種子源內的壓電陶瓷晶體PZT，從而鎖定每一臺光學頻率梳輸出脈沖在時間域上的穩(wěn)定性。
[0042](4)基于本實施例中光梳種子源的空間光輸出特點，連續(xù)穩(wěn)頻激光與雙光梳相互作用模塊5的光學部分也可以采用空間形式，其包括合束片、光柵、小孔光闌、匯聚透鏡與光電探測器等元件，調整各個元件的俯仰角度，使獲得的拍頻信號具有較高的信噪比；電學部分需選擇兩個通頻帶寬在± 1MHz以下的帶通濾波器將頻率相近的兩根拍頻信號濾取出來，再通過混頻器進行混頻，取其差頻信號f作為系統(tǒng)的反饋控制射頻信號。
[0043](5)通過光子晶體光纖27將光學頻率梳種子源I的輸出激光光譜范圍展寬，合理控制輸入光子晶體光纖的激光的偏振態(tài)、峰值功率、脈沖寬度等參數，使得從光子晶體光纖27輸出的激光獲得頻譜范圍覆蓋可見至紅外的較寬范圍。飛秒脈沖激光泵浦光子晶體光纖27產生超連續(xù)光譜激光輸出作為泵浦光源，可以實現具有較寬的可同時探測光譜范圍的寬帶CARS光譜探測和顯微成像技術。
[0044](6)將由光學頻率梳種子源I分束得到的部分激光與由光學頻率梳種子源2分束得到的部分激光一同入射進行雙光梳相干成像探測。兩路激光通過空間的二向色鏡18合束，在空間達到光場的重疊，同向傳播。
[0045](7)經過二向色鏡18合束的兩路光梳激光經全反鏡20反射后首先入射至啁啾鏡組28，將光梳的輸出激光進行進一步的色散管理，補償由激光諧振腔及光梳功率放大器、光子晶體光纖所產生的二階色散及高階色散，使激光達到超窄脈沖的輸出狀態(tài)，滿足高分辨率光梳成像的要求。
[0046](8)在雙光梳相干反斯托克斯拉曼散射成像的過程中，泵浦光與由泵浦光頻率與樣品拉曼頻移之差而成的斯托克斯光(探測光)借助結合相位匹配技術被混頻，激光通過三階非線性極化率同介質相互作用產生頻率上移的振蕩偏振，發(fā)出相干反斯托克斯拉曼散射信號。故從啁啾鏡28輸出的激光首先經過空間低頻濾波片29，將光學頻率梳較復雜的光譜成分中用于信號探測的部分激光濾取出來，并通過顯微物鏡21對放置于三維樣品臺30上的樣品進行探測，經過樣品后的激光通過空間高頻濾波片31，獲得待探測的頻率上移的相干反斯托克斯拉曼散射信號。
[0047](9)在雙光梳光學成像過程中，通過三維樣品臺30的三維空間移動，完成對樣品的逐點掃描，整個樣品掃描過程中由四波混頻產生的所有反斯托克斯輻射進行強度疊加，構成了干涉譜信號之。
[0048](10)在樣品數據采集與處理模塊9中，將上述的周期性干涉信號經過相應的高速數據采集卡進行數據采集，并通過倍頻器7產生的攜帶光梳頻率抖動的射頻信號/7/^做混頻，以進一步控制光梳系統(tǒng)的相位誤差，得到具有樣品光學信息的信號通過計算機10完成對信號的還原與呈現，以實現逐點式雙光梳相干反斯托克斯拉曼散射成像。本實施例中的方法不僅可以用來獲得高分辨率分子振動光譜及成像，還可以進行樣品的溫度及濃度測試。
【權利要求】
1.一種基于連續(xù)穩(wěn)頻激光的雙光學頻率梳光學成像方法，涉及兩臺光學頻率梳種子源，其特征在于所述光學成像方法包括如下步驟:將兩臺所述光學頻率梳種子源各自的輸出激光分為三路； 第一路，兩臺所述光學頻率梳種子源的輸出激光分別進入頻率控制模塊以將所述光學頻率梳種子源的重復頻率信號鎖定在外界原子鐘上； 第二路，兩臺所述光學頻率梳種子源的輸出激光與連續(xù)穩(wěn)頻激光發(fā)生模塊的輸出激光在連續(xù)激穩(wěn)頻激光與雙光梳相互作用模塊中進行拍頻，產生兩個頻率相近的拍頻信號并濾取出來做差頻，得到射頻信號f ;通過射頻信號功率分配與處理模塊將所述射頻信號f分為等值的三路信號之、忍與信號，其中所述信號之和忍分別反饋回兩臺所述光學頻率梳種子源中的電光調制器和半導體激光器，以穩(wěn)定兩臺所述光學頻率梳種子源輸出激光的載波包絡相位頻率，所述信號f3經倍頻器放大為信號后進入樣品數據采集與處理模塊； 第三路，將其中第一臺所述光學頻率梳種子源的輸出激光作為探測光入射至待測樣品，將其中第二臺所述光學頻率梳種子源的輸出激光作為參考光與所述探測光拍頻以得到干涉譜信號fi ;所述干涉譜信號fi之后進入所述樣品數據采集與處理模塊中與所述信號Hf3進行混頻以抵消頻率不穩(wěn)定度，得到光譜信號，并對所述光譜信號fsignal進行逐點還原，實現所述待測樣品的光學成像。
2.根據權利要求1所述的一種基于連續(xù)穩(wěn)頻激光的雙光學頻率梳光學成像方法，其特征在于兩臺所述光學頻率梳種子源的輸出激光頻率分別與.fcomb2=n (frep+A {!^+{—，其中^^是第一臺所述光學頻率梳種子源的重復頻率，A frep是第二臺所述光學頻率梳種子源與第一臺所述光學頻率梳種子源的重復頻率的微小差值，與分別表示第一臺所述光學頻率梳種子源與第二臺所述光學頻率梳種子源的載波包絡相位漂移頻率。
3.根據權利要求1所述的一種基于連續(xù)穩(wěn)頻激光的雙光學頻率梳光學成像方法，其特征在于所述連續(xù)穩(wěn)頻激光發(fā)生模塊的輸出激光是指激光頻率線寬在Hz量級的單縱模激光。
4.根據權利要求1所述的一種基于連續(xù)穩(wěn)頻激光的雙光學頻率梳光學成像方法，其特征在于所述光學頻率梳種子源中的激光諧振腔內設置有電光調制器和半導體激光器；所述信號A轉換為直流電壓后作用于所述電光調制器，改變所述電光調制器的折射率以調整所述激光諧振腔的啁啾量并補償其腔長的失配量；所述信號f2反饋至所述半導體激光器，反饋控制所述半導體激光器的電流以穩(wěn)固所述激光諧振腔的噪聲特性。
5.根據權利要求1所述的一種基于連續(xù)穩(wěn)頻激光的雙光學頻率梳光學成像方法，其特征在于所述探測光的頻率為f-Mdo，所述參考光的頻率為fc-2=n (frep+A所述探測光與所述參考光進行拍頻后得到由一系列間隔為Λ frep的射頻信號組成的所述干涉譜信號fi。
【文檔編號】G01J3/28GK104316180SQ201410602780
【公開日】2015年1月28日 申請日期:2014年11月2日 優(yōu)先權日:2014年11月2日
【發(fā)明者】白東碧, 李文雪, 曾和平 申請人:華東師范大學