CN102681157B - 用于超连续谱激光脉冲的多种光谱颜色的脉冲组合器 - Google Patents
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Abstract
用于显微镜(40)的照明装置(20)具有产生至少一个宽带激光脉冲(30)的激光器单元(24)；所述宽带激光脉冲(30)的不同波长的光分量(71，72，73，74，75，76)在时间上互相偏移。设在该宽带激光脉冲(30)的路径上的补偿单元(36)这样使该宽带激光脉冲(30)的光分量(71，72，73，74，75，76)发生时间上的偏移，以致它们同时或者几乎同时从该补偿单元(36)出射。
Description
技术领域
本发明涉及用于显微镜的照明装置以及显微镜。此外，本发明涉及用于产生用于显微镜的照明光束的方法。
背景技术
用于观察物体尤其是样品或者组织样品的显微方法，有时需要照明装置特别是激光器装置能够产生不同波长的激光束。一些显微方法需要照明装置同时提供不同波长的激光。超连续谱(Supercontinuum)激光器——也指白光激光器或者宽带激光光源——适合用于这个目的。这些激光器产生宽光谱、特别是连续的多种颜色、尤其为肉眼可见的或者可分辨的那些颜色的激光，因此所产生的宽带激光肉眼看上去是白光。
白色激光能够通过各种方式产生。例如，可以将产生很小范围波长的激光、尤其是单个波长的激光的常规激光器的光耦合到对激光束的光谱按预期方式进行加宽的光学元件中。相比于在常规的光学元件诸如透镜中光谱的加宽是不期望的副作用，经过特定设计以便加宽激光束的光谱的光学元件适于该目的的实现。特别地，已知有以这种方式设计光导纤维，其使得当光通过其中的时候，产生使单色激光光谱变宽的强的非线性光学效应，将其转变为白色激光。在加宽光谱期间，正常地，出现色散效应，这对产生的白色激光有影响。
德国专利申请DE 10115486A1描述了一种具有光源和物镜的纠缠光子(entangled-photon)显微镜。纠缠光子显微镜具有设在光源和物镜之间的微结构光学元件，并且能够在其中产生纠缠光子，该纠缠光子在位于微结构光学元件的内部和外部的光束中传播。微结构光学元件从具有至少两个不同的光学密度的多个微光学结构元件中构造出来。微光学结构元件是例如套管、网、蜂巢、管子或者腔。作为选择，或者额外地，微结构光学元件可以具有均一和非均一结构的交替区域。作为选择或者额外地，微结构光学元件由邻接着的玻璃或者塑料材料和腔形成，并且其配置为光导纤维。该纤维能够通过拉伸布置在图案中的玻璃管或者玻璃块来产生。
德国专利申请DE 10115509A1描述了一种共聚焦显微镜，其使用了用于对由脉冲激光器产生的激光脉冲进行光谱加宽的光学装置。脉冲激光器产生脉冲激光光束，该激光光束通过该光学装置。该光学装置包括将窄带脉冲激光光束转变为宽光谱带宽的照明光的光子带隙材料。
发明内容
本发明的目的是提供用于显微镜的照明装置、显微镜、以及用于产生用于显微镜的照明光束的方法，这将提供适合用于在精确显微方法中对样本进行照明的照明光束。
这个目的是通过独立权利要求中的技术特征来实现的。从属权利要求中描述了有利的实施例。
在第一方面，本发明的特征为产生至少一个宽带激光脉冲的激光器单元；所述宽带激光脉冲的不同波长的光分量在时间上互相偏移(offset)。补偿单元设在该宽带激光脉冲的路径上，用以从时间上偏移(temporallyoffset)该宽带激光脉冲的光分量，以使它们同时或者几乎同时从该补偿单元出射。
由于补偿单元所实施的时间偏移(time offset)补偿，结果，从照明装置出射的白光激光脉冲的时间分布就特别的窄。这有助于宽带激光脉冲在其已经从照明装置中出射后能够用于高的时间分辨的显微镜测量，例如用于荧光寿命成像(FLIM)，特别是使用多波长的FLIM中。
在本文中，激光脉冲是宽带的这句话的意思是它具有在一个较大的波长间隔(interval)，例如在肉眼可见的和/或可分辨的多个颜色间隔内连续分布的波长。宽带激光脉冲也指超连续谱激光脉冲或者白光激光脉冲。在本文中，宽带激光脉冲的光分量同时或者几乎同时从补偿单元出射这句话的意思是光分量从补偿单元出射的时间偏移小于显微镜的检测器的时间分辨率的下限。这意味着，在实际中，在通过补偿单元之后，可以存在时间偏移，但是该时间偏移是如此之小，以致到达检测器的光脉冲在被检测时好像是同时到达的。发生在补偿单元中的时间偏移通过补偿单元中的色散效应而实现。发生在补偿单元中的色散效应与宽带激光脉冲产生期间所发生的那些色散效应相反。例如，在宽带激光脉冲产生期间可以出现正常色散，而在补偿期间可以出现反常色散。
激光器单元可以是除了这一个激光器单元之外还包括另外的激光器单元的激光器装置的一部分。类似地，补偿单元可以构成包括多个补偿单元的补偿装置的一部分。
在一个有利实施例中，提供了从宽带激光脉冲分离出激光的窄谱波长带的光学元件，以使，在经过该光学元件后，光分量在时间上互相偏移、是光谱受限的、并且在光谱上互相隔开。换句话说，该光学元件从白光激光脉冲中分离出不同波长间隔的光分量，并且因而每个光分量都是光谱受限的。因而，在之前的连续的波长光谱中，在单个的、光谱受限的光分量之间就形成间隙，因此这些光分量在光谱上互相隔开。由于白光激光脉冲的不同波长的光分量之间的时间偏移，光谱受限且隔开的光分量在时间上也互相偏移。
在另一个有利实施例中，该补偿单元包括微结构光导纤维形式的补偿元件。该微结构光导纤维也可以是指高非线性微结构光纤或者光子晶体纤维。微结构光导纤维可以具有套管、网、蜂巢、管子或者其它的腔或者光导空间。特别地，微结构光导纤维可以具有玻璃芯部或者空气芯部。
在另一个有利实施例中，该补偿单元包括超薄玻璃纤维或者锥形纤维作为补偿元件。
在一个有利实施例中，该微结构光导纤维的色散主要由其结构和/或长度所确定。例如，微结构光导纤维的直径可以以预定的长度逐渐变细到预定的直径。就此而言，其能够有利的是，该微结构光导纤维的该结构绝热地变化。这种变化的绝热性质允许产生无损耗的波导。此外，便利的是，该微结构光导纤维在布局上不是旋转对称的，以使激光脉冲保持偏振。
在第二方面，本发明特征为用于观察物体的显微镜。该显微镜被耦合到该照明装置，并且可以被配置作为共聚焦显微镜。
在第三方面，本发明特征为用于产生用于显微镜的照明光束的方法，在该方法中产生宽带激光脉冲。该宽带激光脉冲具有不同波长的光分量，这些光分量在时间上互相偏移。将该宽带激光脉冲，具体是其光分量，耦合到补偿单元中。该补偿单元从时间上偏移该光分量，以使它们同时或者几乎同时从该补偿单元出射。
附图说明
下面参照示意性附图来具体描述本发明的示例性实施例，其中：
图1是用于示出照明装置和显微镜的视图；
图2是波长-时间图；
图3是用于示出补偿元件的视图；
图4是波长-色散图；
图5是用于产生用于显微镜的照明光束的方法的流程图。
具体实施方式
图1示出照明装置20和显微镜40。照明装置20具有包括激光器单元24的激光器装置22。或者，激光器装置22可以具有多个激光器单元24。激光器单元24产生单色激光脉冲26。单色激光脉冲26也可以指窄带激光脉冲或者离散波长激光脉冲。单色激光脉冲26的波长可以是不可变的或者可变的，并且可以例如将其设为500到1600nm、优选700到1000nm之间的波长。合适的激光器单元的例子是超短脉冲激光器，特别是钛-蓝宝石激光器，其产生近红外区域的激光脉冲。
单色激光脉冲26经过光谱加宽元件28，其可以是例如微结构光学元件，特别是如开始所引用的现有技术中已知的微结构光导纤维。光谱加宽元件28使得单色激光脉冲26光谱变宽，从而白光激光脉冲30从光谱加宽元件28出射。白光激光脉冲30具有宽的连续波长光谱，其可以跨过例如通过肉眼可分辨的多种颜色。白光激光脉冲30可以仅处于可见光区域、处于可见光和近红外区域、或者仅处于近红外区域。由于例如因光谱加宽元件28中的正常色散(normal dispersion)引起的色散效应(dispersioneffect)，白光激光脉冲30的不同波长的光分量在时间上互相偏移，因此白光激光脉冲30在时间上变得模糊或者在时间上变宽，或者具有时间上的宽分布。换句话说，白光激光脉冲30之一的不同光谱颜色的光子在不同时间经过给定点。
白光激光脉冲30经过光谱色散元件32，光谱色散元件32例如可以采用声光可调滤光器(AOTF)的形式。光谱色散元件32——也可以称之为光学元件32——从白光激光脉冲30的连续光谱中分离出不同波长间隔的激光，因此光谱色散的激光脉冲34从光谱色散元件32出射。光谱色散的激光脉冲34具有连续波长光谱，并且在光谱上是互相分开的，因此不同波长的光脉冲依次进入补偿单元36。可以这样设计光谱色散元件32，使得它仅仅允许在任何一个时间预定波长间隔的光通过它，或者使得它允许多个预定波长间隔的光同时通过它。
利用与在光谱加宽元件28中产生的那些效应相反的色散效应，诸如例如利用反常色散，补偿单元36使得光谱分散并且在时间上偏移的激光脉冲34在时间上再一次偏移，以这种方式，具有狭窄的时间分布的时间离散的白光激光脉冲38从补偿单元36中出射。特别地，离散的白光激光脉冲38不具有那些在时间上互相偏移的分量。换句话说，补偿单元36使得白光激光脉冲38之一的不同光谱颜色的光子在同一时间经过给定点。
在本文中，光分量在时间上不互相偏移也即它们是同时的这句话的意思是它们至少几乎不互相偏移。在本文中，这意味着白光激光脉冲38之一的第一波长包(packet)和相应的白光激光脉冲38的另一波长包之间的时间偏移小于显微镜40的检测器的时间分辨率的下限。如果波长包表现出残余偏移(residual offset)，那么这个偏移不能被检测器解析，并且将波长包归类为同时到达的。
例如，经由光导纤维将时间离散的白光激光脉冲38耦合到显微镜40中。白光激光脉冲38由第一透镜42成像到照明针孔44上。分束器46将白光激光脉冲38向着第二透镜48引导，第二透镜48产生具有光束轴49的平行光束。由白光激光脉冲38组成的光束到达扫描装置50，扫描装置50利用例如一个或者多个镜子使白光激光脉冲38向着第三透镜51偏转。扫描装置50允许样本62被白光激光脉冲38光学扫描。
设在第三透镜52和样本62之间的是第四透镜54和具有第五透镜58和第六透镜60的物镜56，借助于它们，由白光激光脉冲38组成的照明光束就形成为用于对样本62进行照明。来自样本62的检测光——其可以包括反射的照明光和/或荧光——通过物镜56返回到扫描装置50，并且被扫描装置50向着检测针孔64偏转，检测光通过检测针孔64之前的分束器46，并且到达检测针孔64之后的检测器装置66，所述检测器装置66包括至少一个检测器。
图2示出波长-时间图，其中X轴上给出了450nm到700nm的波长。Y轴上绘出的是从6.4到7.8ns的时间值。在该图中，示出了第一光分量71、第二光分量72、第三光分量73、第四光分量74、第五光分量75和第六光分量76。光分量71、72、73、74、75和76具有不同的颜色，例如红色和蓝色。在该图中，光分量71、72、73、74、75和76中每一个都包括在垂直方向上一个位于另一个之上的菱形和方形，菱形标示着光脉冲的开始，而方形标示着光脉冲的结束。对光分量71、72、73、74、75和76的时间分布的测量是在包含时间偏移光分量71、72、73、74、75和76的白光激光脉冲30从光谱色散元件32出射之后进行的。光分量71、72、73、74、75和76是光谱受限的并且在光谱上是互相分离的。单个的光分量71、72、73、74、75和76之间的时间偏移是50到1000ps。因而，波长-时间图示出了白光激光脉冲30的不同波长的光分量71、72、73、74、75和76之间的时间偏移。
图3示出设在补偿单元36中的补偿元件80的示例性实施例。除补偿元件80之外，补偿单元36还可以具有相互并联或者串联设在其中的补偿元件80。此外，补偿单元36可以构成补偿装置的一部分，该补偿装置除了这个补偿单元36之外还包括另外的补偿单元。
补偿元件80由微结构光导纤维形成，其微结构由管子、套管或者管路组成。补偿元件80具有输入段82，包含时间偏移光分量的白光激光脉冲30耦合到输入段82。在补偿元件80内部，白光激光脉冲30通过锥形段84，并在输出段86从补偿元件80出射。补偿元件80可以在其输入段82和/或者在其输出段86与一个或者多个另外的光导纤维熔融特别是接合(spliced)，或者可以部分地或者全部地替代其。
在这个示例性实施例中，从输入段82到锥形段84以及从锥形段84到输出段86的过渡被设计为绝热的。特别地，形成第一绝热过渡部88和第二绝热过渡部90。在本文中，“绝热”指的是过渡部是连续且无级差的。补偿元件80的绝热过渡部88、90有助于光的高效和稳定的耦合。
补偿元件80可以例如通过破坏它的旋转对称性而设计成保持偏振。补偿元件80也可以是指超薄玻璃纤维或者锥形纤维。补偿元件80的材料可以例如表现出在各自的光谱区域上平均500ps/nm/km的反常色散。可以存在例如45dB/km的强度损失，这意味着在10m距离上损失10％或者更多。可将零色散移到蓝色。补偿元件的锥形化也可以是指厚度调节(modulation)。这种厚度调节可以比在示出的这个示例性实施例中更复杂。厚度调节能够特别用来改善注射效率。补偿元件80可以在两端被端接。具体地，可以将它熔融特别是接合到常规的玻璃纤维，或者可以全部替代其。该端接可以通过连上连接器或者通过熔融特别是接合的方式来完成。
光在输入段82进入补偿元件80，并在其纤维芯部92的光导纤维内传播。作为光脉冲94而注入的光通过第一绝热过渡部88，由此光脉冲94的形状变成光脉冲96的形状。在锥形段84中，然后在纤维的超薄段，特别是在锥形段84中就形成色散补偿光脉冲98。光然后进一步通过第二绝热过渡部90，进入纤维的厚段，在厚段形成光脉冲100，然后光从输出段86出射。
图4是用于示出用厚度值标记的多个曲线的波长-色散图。厚度值是指不同补偿元件80的锥形段84的厚度。因而，该波长-色散图示出了不同的补偿元件80的依赖于波长的色散。具体示出了锥形段84的直径为500nm、700nm、900nm和1100nm的依赖于波长的色散。水平线标出零色散，竖直线表示532nm波长。
图4示出色散能够通过选择锥形段84的直径来调整。特别的是，可以使用补偿元件80的宽色散范围、特别是完整的色散范围来补偿白光激光脉冲30的光分量71、72、73、74、75和76之间的时间偏移。这使得在补偿元件80的使用中在设计和补偿方面具有很大的自由度。
图5示出用于产生用于显微镜40的照明光束的方法的流程图。
在步骤S2中，将单色激光脉冲26作为窄带激光注入到光谱加宽元件28中，例如注入到微结构玻璃纤维中。
在步骤S4中，微结构玻璃纤维将单色激光脉冲26转变为具有在时间上互相偏移的光分量71、72、73、74、75和76的白光激光脉冲30。该时间偏移是例如由正常色散引起的。
在步骤S6中，将窄波长带的时间偏移光分量71、72、73、74、75和76从白光激光脉冲30中分离出来。
在步骤S8中，使光分量71、72、73、74、75和76在时间上发生偏移、特别是延迟，从而使得它们从照明装置20中同时出射。该时间延迟是例如由反常色散引起的。在本文中，光分量71、72、73、74、75和76从照明装置20中同时出射这句话的意思是例如它们在小于50到200ps的时间间隔内从照明装置中出射，因为这对应于检测器装置66的检测器的时间分辨率极限。检测器的分辨率极限考虑了检测器包括处理电子设备的总响应时间。这样，白光激光脉冲38的脉冲宽度应该小于包括电子设备的响应时间和检测器的响应时间在内的整个系统响应的四分之一或者十分之一。
在步骤S10中，将无色散白光激光脉冲38，特别是其不同波长的光分量在时间上不或者至少几乎不互相偏移的一个白光激光脉冲耦合到显微镜40中。
提供在其光分量71、72、73、74、75和76之间没有时间偏移的白光激光脉冲38便于对两个荧光曲线进行研究，特别是在FLIM应用中。此外，能够使用很多染料或者荧光曲线以简化的方式来对样本进行分析。通过能够同时用两个或多个染料或者荧光曲线来分析样本实现了时间上的节省。此外，可以在诸如荧光共振能量转移(FRET)方法中实施其中两个染料同时作用的共振实验。
此外，显微镜40可以设计成能够进行多光子激发。或者，可以提供宽视场显微镜，其使用补偿单元36，并且特别地，允许进行时间分辨(time-resolved)测量。此外，没有时间偏移的白光激光脉冲38的照明光束也可以用在其他显微镜中或者用于其他显微方法诸如FLIM中。
附图标记列表
20 照明装置
22 激光器装置
24 激光器单元
26 单色激光脉冲
28 光谱加宽元件
30 具有时间上偏移的光分量的白光激光脉冲
32 光学元件
34 光谱色散的激光脉冲
36 补偿单元
38 白光激光脉冲
40 显微镜
42 第一透镜
44 照明针孔
46 分束器
48 第二透镜
49 光束轴
50 扫描装置
52 第三透镜
54 第四透镜
56 物镜
58 第五透镜
60 第六透镜
62 样本载玻片
64 检测针孔
66 检测器装置
70 波长-时间图
71 第一光分量
72 第二光分量
73 第三光分量
74 第四光分量
75 第五光分量
76 第六光分量
80 补偿元件
82 输入段
84 锥形段
86 输出段
88 第一绝热过渡部
90 第二绝热过渡部
92 纤维芯部
94 纤维厚段中的激光脉冲
96 纤维超薄段中的激光脉冲
98 纤维超薄段中的色散补偿激光脉冲
100 纤维厚段中的色散补偿激光脉冲
110 波长-色散图
S2-S10 步骤二至十
Claims (17)
1.一种用于显微镜(40)的照明装置(20)，包括产生至少一个宽带激光脉冲(30)的激光器装置(22)；所述宽带激光脉冲(30)的不同波长的光分量(71，72，73，74，75，76)在时间上互相偏移，
并且还包括补偿单元(36)，其设在该宽带激光脉冲(30)的路径上，且使该宽带激光脉冲(30)的该光分量(71，72，73，74，75，76)发生时间上的偏移，以使它们同时从该补偿单元(36)出射。
2.如权利要求1所述的照明装置(20)，包括光学元件(32)，其从该宽带激光脉冲(30)中分离出激光的预定窄谱波长带，以使，在经过该光学元件(32)后，该光分量(71，72，73，74，75，76)时间上互相偏移、光谱受限、并且在光谱上互相隔开。
3.如权利要求1所述的照明装置(20)，其中该补偿单元(36)包括微结构光导纤维形式的补偿元件(80)或者其中该补偿单元(36)包括超薄玻璃纤维或者锥形纤维形式的补偿元件(80)。
4.如权利要求3所述的照明装置(20)，其中该微结构光导纤维具有玻璃芯部或者空气芯部。
5.如权利要求3所述的照明装置(20)，其中该微结构光导纤维的色散由该结构和/或其长度所确定。
6.如权利要求5所述的照明装置(20)，其中该微结构光导纤维的结构绝热地变化或者其中该微结构光导纤维在布局上不是旋转对称的。
7.如权利要求2所述的照明装置(20)，其中该光学元件(32)包括声光可调滤光器。
8.如权利要求2所述的照明装置(20)，其中该宽带激光脉冲，一旦它已经从该照明装置出射，就被用于时间分辨的显微测量。
9.如权利要求8所述的照明装置(20)，其中该宽带激光脉冲，一旦它已经从该照明装置出射，就被用于荧光寿命成像(FLIM)中。
10.如权利要求8或9所述的照明装置(20)，其中该光学元件(32)包括声光可调滤光器。
11.一种用于观察物体的显微镜(40)，其中所述显微镜耦合到根据权利要求1和3-6中之一的该照明装置(20)。
12.一种用于观察物体的显微镜(40)，其中所述显微镜耦合到根据权利要求2的照明装置(20)。
13.如权利要求12所述的显微镜(40)，其中该光学元件(32)包括声光可调滤光器。
14.如权利要求11或12所述的显微镜(40)，其中该宽带激光脉冲，一旦它已经从该照明装置出射，就被用于时间分辨的显微测量。
15.如权利要求14所述的显微镜(40)，其中该宽带激光脉冲，一旦它已经从该照明装置出射，就被用于荧光寿命成像(FLIM)中。
16.如权利要求11或12所述的显微镜(40)，其中所述显微镜是共聚焦扫描显微镜。
17.一种用于产生用于显微镜(40)的照明光束的方法，其中产生宽带激光脉冲(30)，该宽带激光脉冲(30)具有不同波长(71，72，73，74，75，76)的光分量，这些光分量在时间上互相偏移；
将时间偏移的光分量(71，72，73，74，75，76)耦合到补偿单元(36)中；并且
使该光分量(71，72，73，74，75，76)在该补偿单元(36)中发生时间上的偏移，以使它们同时从该补偿单元(36)出射。
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