PDF《Scattering Microscopy》

光子晶体光纤产生相干反斯托克斯拉曼散射显微镜光源的 数值研究* 张会1 ,袁景和2 ,常胜江1** ,张延1 (1.

南开大学现代光学研究所,光电信息科学教育部重点实验室,天津 300071;

2.烟台大学光电信息科学 与技术学院,烟台 264005) 摘要:本文模拟了熔石英芯光子晶体光纤(PCF)的色散性质,并利用慢变包络近似的标量波理论计算了 中心波长 800.9nm 的飞秒激光脉冲在两种不同色散性质的 PCF 中传输产生的超连续频谱,比较分析了高阶 色散、 自变陡和脉冲内拉曼散射对超连续谱特性的影响, 考虑以上因素, 设计出相干反斯托克斯散射 (CARS) 共焦显微成像需要的超连续光源. 关键词:PCF,超连续谱,孤子,光纤色散,自变陡,拉曼散射 中图分类号:TN252 Numerical Analysis of Illuminant Generation in Photonic-crystal Fiber for Coherent Anti-Stokes Raman Scattering Microscopy ZHANG Hui1 ,YUAN Jing-he2 ,CHANG Sheng-jiang1** , ZHANG Yan-xin

1 (1. Institute of Modern Optics, Key Laboratory of Optoelectronic Information Technical Science, Ministry of Education of China, Nankai University, Tianjin 300071, China ;

2. Institute of Science and Technology for Opto-Electron Information,Yantai University ,Yantai264005) Abstract:In this paper, the dispersion features of photonic-crystal fibers(PCF) were numerically simulated and the effect of PCF'

s parameters on its dispersion was obtained.Then the nonlinear propagation in photonic-crystal fibers of femtosecond laser pulses with center wavelength in 800.9nm was investigated theoretically. Finally supercontinuum generation in two kinds of PCF whose zero-dispersion wavelengths are different were analysed when the femtosecond laser pulses propagate in the fibers'

s anomalous dispersion regime taking high-order dispersion, self-steepening and Raman scattering into account . Keywords: photonic-crystal fiber, supercontinuum spectra, solitons, fiber dispersion, self-steepening , Raman scattering

1、引言 CARS成像是将频率为ωp的泵浦光和频率为ωs的斯托克斯光两束光同时作用于样品,当*教育部博士点基金资助项目 (批准号: 20030055022) ;

国家自然科学基金项目(批准号: 60277022, 60477009);

天津市科技攻关培育项目(批准号:043100811);

南开大学科技创新基金资助. ** 通讯联系人.E-mail: [email protected] TEL:022-23504571 http://www.paper.edu.cn ωp-ωs为分子振动频率时,产生频率为2ωp-ωs的CARS信号共振增强.CARS成像具有无标记 分子内部振动特征成像,去背景光噪声好,相干反斯托克斯强度大,方向性好等优点,因而 可以代替普通拉曼散射作为显微成像信号. 由于CARS 激发需要泵浦光和斯托克斯光,对于不同的样品,由于其共振频率的不同, 要求至少有一个频率可调.这两束频率不同的激发光可以由激光光源及经拉曼散射介质产 生,原激光光源频率为ωp经过拉曼散射介质后,产生斯托克斯频率ωs,这两束光在满足位相 匹配条件的方向入射到样品上,产生CARS 信号,这种方法的缺点是难以得到较大的斯托克 斯光强度,是早期常用的办法.随着激光技术的发展,这两束光也可以通过两个激光光源产 生,(A)[1] 用倍频Nd:YAG 激光器(532nm)泵浦染料激光器,产生可调谐的染料激光脉冲, 作为ωs,剩余的泵浦光作为ωp,(B)[2] 钛宝石飞秒激光器激发再生放大器后产生的激光脉 冲激发光学参量放大器,产生的闲置光束的二次谐波作为斯托克斯光ωs,剩余光束作为泵浦 光ωp, 在实际应用中, 比较困难的问题为两束光的同步, 两束激发光脉冲在时间轴上的漂移, 将会影响CARS 的激发效率,引起光谱和图像的失真.随着超短脉冲激光技术的发展,特别 是飞秒激光的出现,使用单超短脉冲作为CARS 激发光源成为可能.以色列威茨曼研究所的 Nirit Dudovich[3] 等人利用单超短脉冲和量子相干控制技术,实现了单飞秒脉冲激发的CARS, 这种方法解决了两束光的同步问题, 但是飞秒激光光源的光谱范围在50nm左右, 对于分子振 动频率较小的物质,两束光频率差将无法满足要求. PCF具有不寻常的非线性特性,利用PCF高的非线性和色散调节性质可以实现光谱的展 宽,使得低功率的飞秒脉冲较容易地产生超过一个光学倍频程的超连续谱.[4] 超连续谱已在 度量衡,[5] 光学相干层析成像,[6] 等领域中得到应用. 本文利用 PCF 产生超连续谱的性质, 将一束钛宝石飞秒激光脉冲分为两个光路, 一路直 接入射到样品,令一路通过 PCF 得到超连续谱后入射到样品从而得到 CARS 信号.PCF 产生 的超连续谱特征对 CARS 成像具有重要影响,所以根据 CARS 成像需要的超连续光源我们设 计了不同零色散波长的 PCF,通过调节光子晶体的参数,如:纤芯的直径,包层空气孔直径 与包层空气孔节距的比值得到零色散波长从 751nm 到854nm 的一系列 PCF.然后对在反常 色散区传输的飞秒脉冲传输做了数值模拟, 分析影响超连续谱特性的几个因素, 比较了零色 散波长的变化对超连续频谱特征的影响, 从而得到一种实用理想的 CARS 共焦显微成像光源.