综述：用于相干拉曼成像的光纤光参量振荡器的研究进展

《Opto-Electronic Engineering》：Research progress of fiber optical parametric oscillators for coherent Raman imaging

　　

相干拉曼散射（CRS）是一种基于四波混频的无标记、高特异性分子成像技术，能够在不破坏生物样本的情况下实现无侵入、高精度检测。该技术依赖于两束时空同步的波长可调超短激光脉冲来共振激发化学键，确保在分子结构识别方面的高特异性。传统同步泵浦光学参量振荡器（OPO）采用机械调谐方式，存在速度慢、配置复杂、环境稳定性差等缺陷，严重限制了CRS在快速动态过程和高通量成像中的应用，特别是在临床急救场景中。光纤参量振荡器（FOPO）具有宽调谐范围、优异的同步性和高环境鲁棒性等特点，是推动CRS向术中快速病理等临床检测发展的关键光源技术，有助于拓展其应用场景以满足多样的临床和研究需求。受益于高功率光纤激光器和特种光纤的发展，FOPO通过电子调谐器件实现了超快宽带调谐，显著提高了成像效率。其紧凑性和稳定性通过光子晶体光纤和全光纤配置进一步得到提升，为CRS在基础研究和临床实践中的多场景应用提供了有力支持。这些特性共同使FOPO成为连接先进光学技术与实用生物医学应用的变革性平台。

FOPO已成为CRS成像的核心光源，其性能持续优化以满足不断增长的生物医学和临床需求。在调谐范围方面，FOPO取得了显著进展，能够实现相干拉曼成像所需的超宽光谱区域覆盖。通过采用宽范围泵浦调谐和色散滤波机制，最先进的FOPO覆盖了从几百到几千cm?1的极宽波数范围，涵盖了高波数C-H伸缩振动区和复杂指纹谱区。这实现了无标记的综合化学检测和生物样本中多种分子组分的有效区分。在调谐速度方面，传统OPO依赖机械调谐，速度相对较慢。相比之下，FOPO通过先进的电子调谐方案实现了微秒级的波长切换。快速调谐技术——如可调泵浦波长和重复频率——满足了受激拉曼散射（SRS）中实时高光谱扫描和相干反斯托克斯拉曼散射（CARS）中非共振背景抑制的需求，大大提高了成像效率和捕捉动态过程的能力。这代表了从机械限制操作到电子控制灵活性的范式转变，首次在实用环境中实现了视频速率光谱成像。在系统集成和稳定性方面，FOPO从传统体光学配置演变为更稳健的全光纤架构。在各种谐振腔设计中，线性腔相较于环形腔具有显著优势，包括更少的熔接点、更低的腔内损耗和更强的抗环境干扰能力，能够实现免维护的长期稳定运行。这些特性为CRS显微镜的实际应用奠定了坚实基础。这些技术进步使FOPO成为高精度、高速CRS成像的理想光源。它们有效地促进了相干拉曼散射技术的实际应用和临床转化，为生物医学研究和临床诊断提供了稳定、可靠且具有高化学特异性的光学支持。

面向相干拉曼散射（CRS）成像的光纤参量振荡器（FOPO）正在朝着更宽的调谐范围、更快的调谐速度、更高的稳定性和更紧凑的体积快速发展。在过去十年中，该技术领域取得了显著进展：调谐范围大幅扩展，覆盖了指纹区和高波数区；调谐速度从毫秒级升级至微秒级；全光纤结构的使用改善了系统集成度，促进了其在实验室外的临床应用。尽管取得了这些进展，如何在快速调谐过程中保持输出功率、光谱纯度和脉冲宽度的稳定仍然是亟需解决的关键挑战。潜在的解决方案包括集成先进的滤波器件（如法布里-珀罗标准具）、优化腔设计和色散管理，以及应用基于机器学习的智能控制策略。展望未来，在新型非线性材料、先进集成光子平台和智能算法的驱动下，FOPO将朝着更加智能化、多功能化和模块化方向发展。它们将与微流控和时间拉伸等技术深度集成，促进CRS成像系统的协同优化，并拓展术中快速病理和无标记定量监测等实际临床应用场景。这些发展不仅将加速CRS显微技术的临床转化，还将在生命科学、医学诊断和材料科学领域产生深远影响。此外，FOPO所实现的技术突破可以为精准医学和先进材料表征提供高效可靠的光学检测方法，从而进一步拓展CRS成像在生物医学和工业领域的应用边界。

关键词：光纤参量振荡器；四波混频；非线性光学；相干拉曼散射