蔣杰世, 楊康文

(上海理工大學(xué) 光電信息與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院, 上海 200093)

引 言

相干反斯托克斯拉曼散射(CARS)技術(shù)是基于物質(zhì)分子的固有振動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)特性獲取待測(cè)樣品信息的技術(shù),具有特異的化學(xué)選擇性,能實(shí)現(xiàn)生物活體組織無(wú)標(biāo)記、非侵入性的成像,提供生物組織的化學(xué)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(diǎn),在生物成像及醫(yī)學(xué)研究領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)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(zhǎng)連續(xù)可調(diào),與待測(cè)樣品分子的固有振動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)共振增強(qiáng),激發(fā)產(chǎn)生反斯托克斯信號(hào)[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(xué)參量振蕩器(OPO)[4],這些光源體積龐大,價(jià)格昂貴,并且需要專業(yè)人員的定期維護(hù),這就限制了CARS成像技術(shù)在實(shí)驗(yàn)室以外場(chǎng)所的應(yīng)用?；诠饫w激光器的CARS成像光源因其體積小巧,性能穩(wěn)定,光束質(zhì)量好,價(jià)格合理,無(wú)需對(duì)準(zhǔn)及維護(hù)的優(yōu)點(diǎn)備受研究人員的青睞[5-6]。近年來(lái),以光纖激光器作為CARS成像光源的相關(guān)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(diào)制[8]等效應(yīng),輸出波長(zhǎng)、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(jiǎn)并四波混頻效應(yīng),以中心波長(zhǎng)為1 030 nm,重復(fù)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(shí)現(xiàn)中心波長(zhǎng)為788 nm,調(diào)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(yīng),在FWM中,兩個(gè)泵浦光子湮滅的同時(shí)會(huì)產(chǎn)生兩個(gè)頻率不同的新光子,頻率較高的光為信號(hào)光,頻率較低的光為閑頻光[9]。一般情況下,兩個(gè)泵浦光子的頻率不同,但是為了實(shí)驗(yàn)的方便,大多情況下采用相同的泵浦光,這時(shí)兩個(gè)泵浦光子具有同樣的頻率,稱為簡(jiǎn)并四波混頻[10]。利用簡(jiǎn)并四波混頻,可以產(chǎn)生與泵浦光不同的信號(hào)光,是實(shí)現(xiàn)光學(xué)頻率轉(zhuǎn)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(shí),會(huì)發(fā)生簡(jiǎn)并四波混頻效應(yīng),分別產(chǎn)生頻率為ωidler和ωsignal的光,它們滿足

2ωpump=ωidler+ωsignal

(1)

簡(jiǎn)并四波混頻效應(yīng)的相位匹配條件為[11]

K=Δβ+2γPpump=0

(2)

式中:K為簡(jiǎn)并四波混頻效應(yīng)的相位匹配條件;Δβ=Ω2β2+Ω4β4/12,Ω為信號(hào)光相對(duì)于泵浦光的頻移,β2和β4分別是參量增益介質(zhì)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(chǎng)面積,λpump為泵浦光波長(zhǎng);Ppump為泵浦光的峰值功率。計(jì)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(jié)構(gòu)包圍,孔直徑為1.55 μm,孔間距為3.1 μm,模場(chǎng)直徑(MFD)為4.2 μm,使用CUDOS MOF program軟件計(jì)算出如圖1(a)所示光纖的色散曲線,其零色散波長(zhǎng)在1 052 nm。使用文獻(xiàn)報(bào)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(zhǎng)為1 030 nm的泵浦光作用于該P(yáng)CF時(shí),由簡(jiǎn)并四波混頻效應(yīng)產(chǎn)生信號(hào)光的中心波長(zhǎng)為788 nm,閑頻光的中心波長(zhǎng)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(shí)驗(yàn)裝置

如圖2所示,采用中心波長(zhǎng)為1 030 nm,重復(fù)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(guò)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(shí)的光譜寬度為1 nm,脈沖寬度為130 ps。整個(gè)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(shí)光纖及延時(shí)電機(jī)等。二向色鏡透射波長(zhǎng)是1 030 nm,反射波長(zhǎng)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(diào)節(jié)反饋的輸出比。延時(shí)光纖為260 m,延時(shí)電機(jī)為11 cm,它們用于匹配泵浦光的重復(fù)頻率,通過(guò)優(yōu)化延時(shí)光纖的長(zhǎng)度及延時(shí)電機(jī)的位置,可以使光參量振蕩器的腔長(zhǎng)精確匹配泵浦光的重復(fù)頻率。

圖2 實(shí)驗(yàn)裝置Fig.2 Experimental setup

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

圖3(a)為泵浦光功率為2 W時(shí)的輸出光譜,由簡(jiǎn)并四波混頻效應(yīng)產(chǎn)生的信號(hào)光與閑頻光的中心波長(zhǎng)分別為788 nm和1 486 nm,信號(hào)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(jì)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(duì)比圖3(a)和(b)可以看出,信號(hào)光輸出光譜有反饋時(shí)比無(wú)反饋時(shí)窄,這得益于色散濾波效應(yīng)[13]。在這個(gè)過(guò)程中,由于反饋的脈沖經(jīng)過(guò)較長(zhǎng)的延時(shí)光纖,其脈沖寬度被展寬,所以反饋時(shí)只有一部分被FWM參量過(guò)程放大,導(dǎo)致輸出的光譜寬度比無(wú)反饋時(shí)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(shí),改變電機(jī)位置,信號(hào)光光譜的調(diào)諧圖。由圖4(a)可以看出,當(dāng)電機(jī)位置由27 mm移動(dòng)到0 mm時(shí),得益于色散濾波效應(yīng),信號(hào)光可實(shí)現(xiàn)782 nm到793 nm連續(xù)可調(diào),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(cè)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(hào)光的輸出功率也與參量增益的帶寬有關(guān),越靠近參量增益中心的波長(zhǎng),其輸出功率越高;基于四波混頻效應(yīng)的參量振蕩器有著明顯的閾值效應(yīng),當(dāng)泵浦光功率大于閾值時(shí),隨著泵浦光功率的線性增加,信號(hào)光也線性增加,在泵浦光功率為2 W時(shí),信號(hào)光波長(zhǎng)為788 nm的輸出功率最大可達(dá)到14 mW。

圖4 信號(hào)光調(diào)諧范圍及信號(hào)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(jié) 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(yīng),得到其參量轉(zhuǎn)化的增益曲線。通過(guò)搭建光參量振蕩器,實(shí)現(xiàn)了平均功率為10 mW,波長(zhǎng)調(diào)諧范圍為782～793 nm的信號(hào)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(cè)量。該光源以光子晶體光纖作為參量轉(zhuǎn)化的參量增益,與傳統(tǒng)的CARS成像光源相比,體積小巧、無(wú)需維護(hù)、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。