蔣杰世, 楊康文

(上海理工大學 光電信息與計算機工程學院, 上海 200093)

引 言

相干反斯托克斯拉曼散射(CARS)技術是基于物質分子的固有振動、轉動特性獲取待測樣品信息的技術,具有特異的化學選擇性,能實現(xiàn)生物活體組織無標記、非侵入性的成像,提供生物組織的化學鍵信息[1]。此外,CARS還具備靈敏度高,空間分辨率好,數(shù)據(jù)采集速度快等優(yōu)點,在生物成像及醫(yī)學研究領域有著廣泛的應用前景[2]。CARS成像光源需要輸出兩束同步的皮秒或者飛秒激光脈沖,分別作為泵浦光和斯托克斯光,且要求至少有一束激光脈沖波長連續(xù)可調,與待測樣品分子的固有振動、轉動能級共振增強,激發(fā)產生反斯托克斯信號[3]。目前普遍使用的CARS成像光源是基于鈦寶石的固體激光器或倍頻Nd:YVO4激光器同步泵浦的光學參量振蕩器(OPO)[4],這些光源體積龐大,價格昂貴,并且需要專業(yè)人員的定期維護,這就限制了CARS成像技術在實驗室以外場所的應用。基于光纖激光器的CARS成像光源因其體積小巧,性能穩(wěn)定,光束質量好,價格合理,無需對準及維護的優(yōu)點備受研究人員的青睞[5-6]。近年來,以光纖激光器作為CARS成像光源的相關研究發(fā)展很快,但多基于光纖中的孤子自頻移[7]、自相位調制[8]等效應,輸出波長、光譜寬度受限。本文研究了基于光子晶體光纖參量振蕩器的CARS成像光源,利用光子晶體光纖的簡并四波混頻效應,以中心波長為1 030 nm,重復頻率為800 kHz,功率為2 W的皮秒激光作為泵浦光,搭建光參量振蕩器,實現(xiàn)中心波長為788 nm,調諧范圍為10 nm,平均功率為10 mW的參量激光輸出。

1 四波混頻理論分析

四波混頻(FWM)是一種三階的非線性效應,在FWM中,兩個泵浦光子湮滅的同時會產生兩個頻率不同的新光子,頻率較高的光為信號光,頻率較低的光為閑頻光[9]。一般情況下,兩個泵浦光子的頻率不同,但是為了實驗的方便,大多情況下采用相同的泵浦光,這時兩個泵浦光子具有同樣的頻率,稱為簡并四波混頻[10]。利用簡并四波混頻,可以產生與泵浦光不同的信號光,是實現(xiàn)光學頻率轉化的有效方法。將一束頻率為ωpump的激光脈沖耦合到光子晶體光纖(PCF)中,在滿足相位匹配條件時,會發(fā)生簡并四波混頻效應,分別產生頻率為ωidler和ωsignal的光,它們滿足

2ωpump=ωidler+ωsignal

(1)

簡并四波混頻效應的相位匹配條件為[11]

K=Δβ+2γPpump=0

(2)

式中:K為簡并四波混頻效應的相位匹配條件;Δβ=Ω2β2+Ω4β4/12,Ω為信號光相對于泵浦光的頻移,β2和β4分別是參量增益介質在泵浦光處的二階色散系數(shù)和四階色散系數(shù);γ=2π·n2/(Aeff·λpump)為光纖非線性系數(shù),n2為光纖非線性折射率系數(shù),Aeff為光纖有效模場面積,λpump為泵浦光波長;Ppump為泵浦光的峰值功率。計算中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,我們采用40 cm LMA-PM-5光子晶體光纖作為參量增益,該光子晶體的纖芯為5 μm,被排列規(guī)則的六角形空氣孔結構包圍,孔直徑為1.55 μm,孔間距為3.1 μm,模場直徑(MFD)為4.2 μm,使用CUDOS MOF program軟件計算出如圖1(a)所示光纖的色散曲線,其零色散波長在1 052 nm。使用文獻報道的方法[12],算出PCF 的相位匹配條件,其參量增益曲線如圖1(b)所示。從圖1(b)可以看出,中心波長為1 030 nm的泵浦光作用于該PCF時,由簡并四波混頻效應產生信號光的中心波長為788 nm,閑頻光的中心波長為1 486 nm,增益帶寬為10 nm。

圖1 光子晶體光纖的色散及參量增益曲線Fig.1 Dispersion and parametric gain curves of photonic crystal fibers

2 實驗裝置

如圖2所示,采用中心波長為1 030 nm,重復頻率為800 kHz,平均功率為2 W的皮秒光纖激光器作為光參量振蕩器的泵浦源,通過空間耦合的方式,將泵浦光耦合到光子晶體光纖中,耦合效率為20%。泵浦光功率在2 W時的光譜寬度為1 nm,脈沖寬度為130 ps。整個光參量振蕩器包括一片二向色鏡,一段光子晶體光纖,輸出耦合器,延時光纖及延時電機等。二向色鏡透射波長是1 030 nm,反射波長是700～900 nm。光子晶體光纖為光參量振蕩器提供參量增益。在光子晶體光纖之前,放置了一片1 030 nm的1/2波片,用于改變泵浦光的偏振態(tài)。由偏振分束器和1/2波片組成的輸出耦合器,用于調節(jié)反饋的輸出比。延時光纖為260 m,延時電機為11 cm,它們用于匹配泵浦光的重復頻率,通過優(yōu)化延時光纖的長度及延時電機的位置,可以使光參量振蕩器的腔長精確匹配泵浦光的重復頻率。

圖2 實驗裝置Fig.2 Experimental setup

3 實驗結果與分析

圖3(a)為泵浦光功率為2 W時的輸出光譜,由簡并四波混頻效應產生的信號光與閑頻光的中心波長分別為788 nm和1 486 nm,信號光的光譜寬度為5 nm,閑頻光的光譜寬度為7 nm,與圖1(b)模擬計算所得的光譜一致。圖3(b)為在同樣的泵浦光功率下有反饋的輸出光譜圖。對比圖3(a)和(b)可以看出,信號光輸出光譜有反饋時比無反饋時窄,這得益于色散濾波效應[13]。在這個過程中,由于反饋的脈沖經過較長的延時光纖,其脈沖寬度被展寬,所以反饋時只有一部分被FWM參量過程放大,導致輸出的光譜寬度比無反饋時窄。

圖3 參量振蕩器輸出光譜特性Fig.3 Output spectral properties of parametric oscillator

圖4(a)為在泵浦光功率為2 W時,改變電機位置,信號光光譜的調諧圖。由圖4(a)可以看出,當電機位置由27 mm移動到0 mm時,得益于色散濾波效應,信號光可實現(xiàn)782 nm到793 nm連續(xù)可調,波數(shù)范圍覆蓋2 901～3 078 cm-1(以1 030 nm為斯托克斯光),可用于測量--CH3鍵[14](波數(shù)在2 930 cm-1)和苯環(huán)[15](波數(shù)在3 060 cm-1)的CARS光譜。如圖4(b)所示,信號光的輸出功率也與參量增益的帶寬有關,越靠近參量增益中心的波長,其輸出功率越高;基于四波混頻效應的參量振蕩器有著明顯的閾值效應,當泵浦光功率大于閾值時,隨著泵浦光功率的線性增加,信號光也線性增加,在泵浦光功率為2 W時,信號光波長為788 nm的輸出功率最大可達到14 mW。

圖4 信號光調諧范圍及信號光輸出功率隨泵浦光功率變化Fig.4 The tuning range of the signal light and the output power of the signal light vary with the pump light power

4 結 論

本文研究了基于光子晶體光纖參量振蕩器的CARS成像光源,理論分析光子晶體光纖的四波混頻效應,得到其參量轉化的增益曲線。通過搭建光參量振蕩器,實現(xiàn)了平均功率為10 mW,波長調諧范圍為782～793 nm的信號光輸出。該CARS成像光源的波數(shù)覆蓋范圍為2 901～3 078 cm-1,可用于--CH3鍵和苯環(huán)的CARS光譜測量。該光源以光子晶體光纖作為參量轉化的參量增益,與傳統(tǒng)的CARS成像光源相比,體積小巧、無需維護、性能穩(wěn)定,為全光纖化、小型化CARS成像光源的研究提供了參考。