CN103424392A - 波长分工srs显微镜 - Google Patents

Abstract

一种波长分工SRS显微镜,包含：一激光波长转换机构，使短波长的激光光束转为较长波长的激光光束；一激光光线处理机构，先将单位为皮秒的激光压缩为飞秒并将激光光束分为两道，分别做能量增大与增长波长的处理；一显微镜检测机构，先将为飞秒单位的激光光束转换回皮秒，并将两道不同波长的激光光束传至显微镜以进行生物构成物质测定；以及一低通滤波器，用于滤除该第一反射波束与该第二反射波束，而仅保留该第三反射波束，其中由该第三激光光束的频谱可以找出所照射的分子的键结，所以相对的经由频谱表可以知道该地区的分子。本发明将运用飞秒激光的双光子显微镜和运用皮秒激光的显微镜做结合。

Description

波长分工SRS显微镜

技术领域

本发明有关于应用显微镜检测技术的改良，尤其是一种波长分工SRS显微镜。

背景技术

生物标本中，含有丰富的组成分子特征，利用振动光谱即可辨识生物标本中的成分组成，而不需利用荧光剂来做检测。近来，在探测生物组成结构的领域发展出一种利用受激拉曼散射(stimulated Raman scattering)的显微镜，可直接根据分子振动能量的级别了解生物标本的组成，甚或是未知的分子特征。另外，结合特定的检测方式消去干扰的电子杂波，使显微镜的显像可达到更加准确的效果。

在利用受激拉曼散射(stimulated Raman scattering，以下简称SRS)原理的显微镜中，只有一种特定频率（ωp）的激光光束可以照亮生物样本，且会因为没有弹性散射而分别产生史托克斯（ωs）和反史托克斯频率ωas (Stoke’s and anti-Stoke frequency)。然而，在SRS的显微镜中，将两道频率为ωp的激光光线和史托克斯频率ωs置于样本上，而当Raman shift(Δω = ωp - ωs)和特定的生物组成频率Ω相符时，由于分子的受激而可将拉曼信号放大。但是，当Δω因为吸收外来的能量或是其他因素而无法与生物组成频率共振时，SRS就没办法发生。因此SRS即无法拥有非共振信号，成为了反史托克斯频率显微镜的一大优势。在双光子显微镜中，SRS所激发的整体非线性特征是取决于3D截面，也就是在生物样本上可逐点显示的三维成像。

一般来说，运用可调式的皮秒激光可得到理想的效果，因为其光谱宽度与分子振动频率的内在线宽最为符合。基于此原由，飞秒激光显微镜通常因为其有限的光谱分辨率与分子特异性而被排除。最理想的显微镜首选即为将运用皮秒激光的显微镜和另一种强大的非线性显微镜运用飞秒激光的双光子显微镜(two-photon microscopy)做结合，但是很不幸地，目前的技术，仍然很难将运用飞秒激光的双光子显微镜和运用皮秒激光的显微镜做结合。

因此，本发明的发明人亟需构思一种新技术以改善其问题。

发明内容

所以本发明的目的为解决上述现有技术上的问题，本发明中提出一种波长分工SRS显微镜，本发明将运用飞秒激光的双光子显微镜和运用皮秒激光的显微镜做结合。其优点在于，可将飞秒激光与皮秒激光结合，取其个别的优点以使显微镜达到最佳的检测效果。本发明兼容了飞秒激光技术与光纤激光器技术，因此和双光子显微镜(two-photon microscopy)的整合是很容易的。此外，由于Roman shift（喇曼频移）可调校激光二极管发出的激光光束与史托克斯脉冲之间的延迟，即可不必使用可调式激光。

为达到上述目的，本发明中提出一种波长分工SRS显微镜，其中包含：一激光波长转换机构，使短波长的激光光束转为较长波长的激光光束；一激光光线处理机构，先将单位为皮秒的激光压缩为飞秒并将激光光束分为两道，分别做能量增大与增长波长的处理，最后会得到两道不同波长的光束，其中一道能量较强，但维持原来的波长，其波长为第一波长，即为第一波长波束；另一道则波长较长，其波长为第二波长，即为第二波长波束；一显微镜检测机构，先将为飞秒单位的激光光束转换回皮秒，并将两道不同波长的激光光束传至显微镜以进行生物构成物质测定，其中该两道光束会产生不同的三道反射波束，分别为第一波长波束的第一反射波束，第二波长波束的第二反射波束，第三反射波束，其频率为第一反射波束及第二反射波束的频率差；以及一低通滤波器，用于滤除该第一反射波束与该第二反射波束，而仅保留该第三反射波束，其中由该第三激光光束的频谱可以找出所照射的分子的键结，所以相对的经由频谱表可以知道该地区的分子。

其提供的技术方案为：

一种波长分工SRS显微镜，包含：

一激光波长转换机构，使短波长的激光光束转为较长波长的激光光束；

一激光光线处理机构，先将单位为皮秒（picosecond）的激光压缩为飞秒（femtosecond）并将激光光束分为两道，并分别做能量增大与增长波长的处理，而得到两道不同波长的光束，其中一道能量较强，但维持原来的波长，其波长为第一波长，即为第一波长波束；另一道则波长较长，其波长为第二波长，即为第二波长波束；

一显微镜检测机构，该显微镜检测机构将为飞秒单位的激光光束转换回皮秒，并将两道不同波长的激光光束传至显微镜以进行生物构成物质测定，其中该两道光束产生不同的三道反射波束，分别为频率相同于第一波长波束的第一反射波束，频率相同于第二波长波束的第二反射波束，以及第三反射波束，该第三反射波束的频率为第一反射波束及第二反射波束的频率差；以及

一个低通滤波器，该低通滤波器滤除该第一反射波束与该第二反射波束，而仅保留该第三反射波束，其中由该第三激光光束的频谱可以找出所照射的分子的键结，所以相对的经由频谱表可以知道该地区的分子； 

其中,通过调整该第二波长波束的波长，该第二波长波束的波长改变，该第三反射波束的波长也会跟着改变，所以通过该低通滤波器时，由于第二波长波束的波长改变，所得到第三反射波束的频谱也会跟着变动，由该第三反射波束的频谱可以找出所照射的分子的键结，所以相对的经由频谱表可以知道该地区的分子；对同一高度做水平面的扫描，而得到该生物样本在该水平面的分子结构，同样地调整激光照射的高度则可以做纵向的改变而得到不同水平面的分子结构。

其中：

该第一波长为1030nm，该第二波长为1300nm~1400nm，该第三反射光束其频谱的波长的变动范围，约在270(1300-1030)nm~370(1400-1030)nm之间。

该激光波长转换机构包含：

一左激光二极管(pump laser diode)，该左激光二极管是作为整体装置的激光光束来源之一；该左激光二极管的输出端接有一左光纤；

一右激光二极管(pump laser diode)，该右激光二极管系做为整体装置的激光光束来源之一；该右激光二极管的输出端接有一右光纤；

一左隔离器(isolator)，该左隔离器的输入端接收通过该左光纤传输的激光光束，并使激光光束保持单向传送，而无法反向回传，激光光束自该左隔离器的输出端传送置下一级元件；

一右隔离器(isolator)，该右隔离器的输入端接收通过该右光纤传输的激光光束，并使激光光束保持单向传送，而无法反向回传，激光光束自该右隔离器的输出端传送至下一级元件；

一左分波多工器(wavelength-division multiplexing)，该左分波多工器包含两个I/O埠，分别为第一左I/O埠、及第二左I/O埠；该左分波多工器可使特定波长的激光光束输入及输出； 

一右分波多工器(wavelength-division multiplexing)，该右分波多工器包含两个I/O埠，分别为第一右I/O埠及第二右I/O埠；该右分波多工器可使特定波长的激光光束输入及输出；

一掺镱光纤(Yb-doped fiber)，该掺镱光纤位于该左分波多工器与该右分波多工器中间，其一端接于该第二左I/O埠，另一端接于该第二右I/O埠；激光光束自该第二左I/O埠与该第二右I/O埠进入该掺镱光纤并于该掺镱光纤中来回振荡，该掺镱光纤激光吸收，并放出波长为第一波长的激光，第一波长的激光会自该第二左I/O埠与该第二右I/O埠分别向该第一左I/O埠与第一右I/O埠传输出去；

一右回路光纤，该右回路光纤的一端接于该第一右I/O埠，用于传输来自该第一右I/O埠的第一波长的激光光束；

一右回路隔离器(isolator)，该右回路隔离器的输入端接收来自于该第一右I/O埠的激光光束，使激光光束保持单向传送，而无法反向回传，确保光线的单向性，该激光光束并自该右回路隔离器的输出端向下级元件传输；

一右光纤准直器(collimator)，该右光纤准直器接于该右回路光纤的另一端，该右回路隔离器输出端的激光光束在离开光纤后会形成点光源以发散的方式传送，而该右光纤准直器将发散的激光光束转为平行光并向下级元件传输；

一波片组(waveplate set)，该波片组包含两四分之一波片(quarter waveplate)及一第一二分之一波片(half waveplate)，该第一二分之一波片位于该两四分之一波片中间。该两四分之一波片分别为第一四分之一波片与第二四分之一波片；该波片组位于该右光纤准直器后方，用于接收来自该右光纤准直器的平行激光；输入该波片组的激光为极化光束，如具有X分量及Y分量的极化光束；各波片可以对其中一分量(如X分量)予以延迟；所以导致极化向量的改变；因此借助调整该波片组的角度或位置关系即可控制激光的极化角大小，以控制进入下一级元件的进光量；

一第一偏极光分光镜(polarization beamsplitter)，该偏极光分光镜包含一第一偏极光分光镜输入端、一第一偏极光分光镜输出端与一第二偏极光分光镜输出端；该第一偏极光分光镜输入端接收来自该波片组的光线，并反射垂直入射线平面的光线，使其自该第一偏极光分光镜输出端输出至该激光光线处理机构；而平行入射线平面的光线则会穿透该第一偏极光分光镜并由第二偏极光分光镜输出端输出；

一第一波长滤波器(1030nm bandpass filter)，该第一波长滤波器接收来自该第二偏极光分光镜输出端的光线，有效阻隔穿过该第二偏极光分光镜输出端非第一波长的激光；以及

一左光纤准直器(collimator)，该左光纤准直器的输入端接收来自该第一波长滤波器过滤后的激光；激光借助该左光纤准直器聚焦，并进入一左回路光纤；激光光线随着该左回路光纤而由该第一左I/O端穿过该左分波多工器，传输至该第二左I/O端并再一次经过该掺镱光纤后，再由该第二右I/O端传输至该第一右I/O端并传输出去进行新一轮的光线传输；

其中，由该第一左I/O端传输出去的激光随着该左回路光纤传输，并以顺时针的方向依次经过该左光纤准直器、该第一偏极光分光镜、该波片组、该右光纤准直器并进入该右回路隔离器，由于该右回路隔离器只允许光线单向前进，意即逆时针前进，因此顺时针行进的光线是无法通过该回路隔离器，以确保光线在此回路中均为逆时针行进。

该激光光线处理机构包含：

一光栅压缩机(Treacy grating compressor)，接收来自该第一偏极光分光镜输出端所输出的光线，并将激光光线的周期由picosecond压缩为femtosecond，以利后方元件做所需的非线性转换；

一分光镜组，该分光镜组将自该光栅压缩机压缩后的激光分为水平及垂直两道光线；

一能量放大装置，该能量放大装置接收该分光镜组所折射的光线，并将其能量放大；该能量放大装置包含：

一第一进入端光纤准直器(collimator)，该第一进入端光纤准直器接收来自该分光镜组所折射的光线，由于折射过来的光线为发散光线，因此通过该第一进入端光纤准直器可将发散的光线变为平行光；

一掺镱(Yb-doped)光纤放大器，该掺镱光纤放大器的一端连接该第一进入端光纤准直器，光线进入该掺镱光纤放大器后其能量将会放大；

一第一输出端光纤准直器(collimator)，该第一输出端光纤准直器位于该掺镱光纤放大器的另一端，将放大能量后的光线转为平行光并向外输出；输出的光线由一第一反射板接收并反射，使其由水平向光线转为垂直向光线并进入该显微镜检测机构；

一波长变更装置，该波长变更装置将垂直通过该分光镜组的光线的波长增大，以利后方元件做需要的应用；该波长变更装置包含：

一第二反射板，该第二反射板将来自该分光镜组的垂直向光线反射为水平向光线以进入后级元件；

一第二二分之一波片(half waveplate)与一第二偏极光分光镜(polarization beamsplitter)，该第二二分之一波片接收光线，适当的调整该第二二分之一波片的角度并利用该第二偏极光分光镜即可控制进入后方元件的光线能量，依据能量的大小而决定调整后的波长；调整该第二二分之一波片的角度改变光线的极化角以控制该第二偏极光分光镜的进光量，该第二偏极光分光镜将垂直入射线平面的光线反射出去，只使平行入射线平面的光线通过；

一第二进入端光纤准直器(collimator)，该第二进入端光纤准直器接收来自该第二偏极光分光镜的光线，并将发散的光线通过该第二进入端光纤准直器转为平行光；

一光子晶体光纤(photonic crystal fiber)，该光子晶体光纤的一端连接该第二进入端光纤准直器，并将进入的平行光线根据非线性效益而改变光线的波长；其中，改变后的波长由进入的光线能量控制；以及

一第二输出端光纤准直器(collimator)，该第二输出端光纤准直器位于该光子晶体光纤的另一端，将增大波长后的光线转为平行光并向外输出；输出的光线由一第三反射板接收并反射，使其由水平向光线转为垂直向光线并进入该后级元件。

该显微镜检测机构包含:

一第一反射板组，该第一反射板组包含数个反射板，该第一反射板组接收第一波长波束，适当摆放各该反射板即可使第一波长的激光光束以一定的路径前进并达到下级元件；

一第一线性调频元件(linearly chirped element)，用于将输入的脉冲周期从femtosecond转为picosecond；

一光束切割器(optical chopper)，该光束切割器由具有均匀以辐射方式分布在盘面的狭缝的转盘所构成；第二波长波束由转盘的一面向另一面传送，但有在狭缝区的激光脉冲可以通过；至于在狭缝与狭缝间的激光脉冲将会被阻挡，因此使原连续的激光脉冲成为间断性的激光分布；而在接续的操作中具有激光脉冲处的效应才被量测并据以计算量测的结果；

一第二线性调频元件(linearly chirped element)，用于将输入的脉冲周期从femtosecond转变为数十个 picosecond； 

一合光器(beam combiner)，该合光器接收该第一线性调频元件与该第二线性调频元件所反射的第一波长波束与第二波长波束，将其集合并向下级元件传递；

一光线传递机构，该光线传递机构将经由该合光器所合并的不同波长及脉冲周期的激光光束传输至后级元件；其中该光线传递机构包含：

一第三偏极光分光镜(polarization beamsplitter)，该第三偏极光分光镜包含一第一I/O埠、一第二I/O埠及一第三I/O埠；第三偏极光分光镜使来自该合光器的第一波长波束及第二波长波束经由该第一I/O埠输入，并从该第二I/O埠输出至下级元件；

一第三四分之一波片(quarter waveplate)，该第三四分之一波片可使通过的激光光束延迟；自该第二I/O埠输出的激光光束通过该第三四分之一波片可有效延迟，并继续向下级元件传输；

一透镜组，该透镜组接收经过该第三四分之一波片的激光光束，并将其信号放大；再发散激光转为平行激光；

一第三反射板，该第三反射板接收来自经过该透镜组的平行光，并将其反射为垂直向的光线以传送至下级元件；

一显微镜物镜(objective lens)，经由该第三反射板反射后的垂直向激光光束进入该显微镜物镜并照射至待测的生物样本上，光束由待测生物样本反射后再进入该显微镜物镜内；经反射后，得到上述的第一、第二及第三反射波束；

该三种不同波长的反射波束再经由该显微镜物镜回传至该透镜组，再通过该第三个四分之一波片使其延迟；该三种不同波长的反射波束经过延迟后进入该第二I/O埠，由于与该第二I/O埠输出的激光光束的相位相差180度，因此该第三偏极光分光镜会将该三种不同波长的反射波束垂直入射线平面的光线反射，并由该第三I/O埠输出使光束传送至下级元件；而平行入射线平面的光线则会穿透该第三偏极光分光镜由该第一I/O埠输出并进入该低通滤波器；以及

一宽面积检光器(large area detector)，该宽面积检光器会接收该第三反射波束，并根据该第三反射波束的波长以及强度来判别待测生物样本的构成，可依据各式化学键结的波长资料比对该第三激光光束的波长来判断该待测生物样本的化学构成。

该左激光二极管与该右激光二极管，其射出的激光光束波长为975nm。

该右回路光纤尚包含一右测试光纤，该右测试光纤会将来自该第一右I/O埠的激光光束取出5%做为测试之用。

该左回路光纤尚包含一左测试光纤，该左测试光纤会将来自该第一右I/O埠的激光光束取出5%做为测试之用。

该分光镜组是将来自该光栅压缩机的光线其中10%的光线折射成水平向光线，而其余90%则垂直通过该分光镜组至该第一反射板的分光镜组。

该能量放大装置是将能量放大10倍的放大装置。

该光子晶体光纤将激光光束的波长自1030nm转变为1300nm~1400nm。

该第一波长波束的脉冲周期为7picosecond；该第二波长波束的脉冲周期为40~50picosecond。

该第一反射板组包含四个反射板。

该第一线性调频元件的设计为将入射的激光脉冲先经过一第一LCE反射板反射后入射至一第一调频器，经过频率调整到所述的周期后再发射经该第一LCE反射板反射向一第一调频倒向反射板；此举是用于将该第一波长波束的脉冲周期拉长；以及

该第二线性调频元件的设计为将入射的激光脉冲先经过一第二LCE反射板反射后入射至一第二调频器，经过频率调整到所述的周期后再发射经该第二LCE反射板反射向一第二调频倒向反射板；此举是用于将该第二波长波束的脉冲周期拉长，使其变为数十个皮秒。

 

由下文的说明可更进一步了解本发明的特征及其优点，阅读时并请参考附图。

附图说明

图1为本发明示意图

图2为本发明第一部分示意图

图3为本发明第二部分示意图

图4为本发明第三部分示意图

图5A为本发明第一线性调频元件示意图

图5B为本发明第二线性调频元件示意图

图5C为本发明检测样本光束行进示意图。

具体实施方式

此仅就本发明的结构组成，及所能产生的功效与优点，配合附图，举本发明的一较佳实施例详细说明如下。

可参考图1，本发明的结构可分为三部分，第一部分1为激光波长转换，使短波长的激光光束转为较长波长的激光光束；第二部分2为非线性转换及能量增大，先将单位为皮秒的激光压缩为飞秒并将激光光束分为两道，分别做能量增大与增长波长的处理，最后会得到两道不同波长的光束；第三部分3为显微镜检测，先将为飞秒单位的激光光束转换回皮秒，并将两道不同波长的激光光束传至显微镜以进行生物构成物质测定，利用两道光束的频率差即可得知生物构成的化学成分。

请参考图2、图3及图4，本发明的波长分工SRS显微镜，其第一部分1包含:

一左激光二极管10 (pump laser diode)，该左激光二极管10做为整体装置的激光光束来源之一，其射出的激光光束波长为975nm。该左激光二极管10的输出端接有一左光纤11。

一右激光二极管20(pump laser diode)，该右激光二极管20做为整体装置的激光光束来源之一，其射出的激光光束波长为975nm。该右激光二极管20的输出端接有一右光纤21。

一左隔离器30(isolator)，该左隔离器30的输入端接收通过该左光纤11传输的激光光束，并使激光光束保持单向传送，而无法反向回传，激光光束自该左隔离器30的输出端传送至下一级元件。

一右隔离器40(isolator)，该右隔离器40的输入端接收通过该右光纤21传输的激光光束，并使激光光束保持单向传送，而无法反向回传，激光光束自该右隔离器40的输出端传送至下一级元件。

一左分波多工器50 (wavelength-division multiplexing)，该左分波多工器50包含两个I/O埠，分别为第一左I/O埠51、及第二左I/O埠52。该左分波多工器50可使975nm的激光从该第一左I/O埠51输入，而从该第二左I/O52埠输出。而使1030nm的激光可从该第二左I/O埠52及该第一左I/O埠51输入及输出。

一右分波多工器60 (wavelength-division multiplexing)，该右分波多工器60包含两个I/O埠，分别为第一右I/O埠61及第二右I/O埠62。该右分波多工器60可使975nm的激光从该第一右I/O埠61输入，而从该第二右I/O埠62输出。而使1030nm的激光可从该第二右I/O埠62及该第一右I/O埠61输入及输出。

一掺镱光纤70 (Yb-doped fiber)，该掺镱光纤70位于该左分波多工器50与该右分波多工器60中间，其一端接于该第二左I/O埠52，另一端接于该第二右I/O埠62。975nm波长的激光光束自该第二左I/O埠52与该第二右I/O埠62进入该掺镱光纤并于该掺镱光纤中来回振荡，该掺镱光纤70将975nm波长的激光吸收，并放出1030nm波长的激光，1030nm波长的激光会自该第二左I/O埠52与该第二右I/O埠62分别向该第一左I/O埠51与第一右I/O埠61传输出去。

一右回路光纤80，该右回路光纤80的一端接于该第一右I/O埠61，用于传输来自该第一右I/O埠61的1030nm波长的激光光束。

其中，该右回路光纤80会将来自该第一右I/O埠61的激光光束其中5%取出经由一右测试光纤81传出以做为测试之用。

一右回路隔离器90(isolator)，该右回路隔离器90的输入端接收来自于该第一右I/O埠51的激光光束，使激光光束保持单向传送，而无法反向回传，确保光线的单向性，该激光光束并自该右回路隔离器90的输出端向下级元件传输。

一右光纤准直器100(collimator)，该右光纤准直器100接于该右回路光纤80的另一端，该右回路隔离器90输出端的激光光束在离开光纤后会形成点光源以发散的方式传送，而该右光纤准直器100将发散的激光光束转为平行光并向下级元件传输。

一波片组110(waveplate set)，该波片组包含两四分之一波片(quarter waveplate)及一第一二分之一波片111 (half waveplate)，该第一二分之一波片111位于该两四分之一波片中间。该两四分之一波片分别为第一四分之一波片112与第二四分之一波片113。该波片组110位于该右光纤准直器100后方，用于接收来自该右光纤准直器100的平行激光。输入该波片组110的激光为极化光束，如具有X分量及Y分量的极化光束。各波片可以对其中一分量(如X分量)予以延迟。所以导致极化向量的改变。因此借助调整该波片组的角度或位置关系即可控制激光的极化角大小，以控制进入下一级元件的进光量。

一第一偏极光分光镜120(polarization beamsplitter)，该偏极光分光镜120包含一第一偏极光分光镜输入端121、一第一偏极光分光镜输出端122与一第二偏极光分光镜输出端123。该第一偏极光分光镜输入端121接收来自该波片组110的光线，并反射垂直入射线平面的光线，使其自该第一偏极光分光镜输出端122输出至第二部分。而平行入射线平面的光线则会穿透该第一偏极光分光镜120并由第二偏极光分光镜输出端123输出。

一1030nm滤波器130 (1030nm bandpass filter)，该1030nm滤波器130接收来自该第二偏极光分光镜输出端123的光线，使穿过该第二偏极光分光镜输出端123的光线发散，有效阻隔穿过该第二偏极光分光镜输出端非1030nm的激光。

一左光纤准直器140 (collimator)，该左光纤准直器140的输入端接收来自该1030nm滤波器130过滤后的激光。激光借助该左光纤准直器140聚焦，并进入一左回路光纤141。激光光线随着该左回路光纤141而由该第一左I/O端51穿过该左分波多工器50，传输至该第二左I/O端52并再一次经过该掺镱光纤70后，再由该第二右I/O端62传输至该第一右I/O端61并传输出去进行新一轮的光线传输。

其中，该左回路光纤141会将来自该左光纤准直器的激光光束其中5%取出经由一左测试光纤142传出以做为测试之用。

由该第一左I/O端51传输出去的激光会随着该左回路光纤141传输，并以顺时针的方向依次经过该左光纤准直器140、该第一偏极光分光镜130、该波片组120、该右光纤准直器100并进入该右回路隔离器90，由于该右回路隔离器100只允许光线单向前进，意即逆时针前进，因此顺时针行进的光线是无法通过该回路隔离器的，借此可确保光线在此回路中均为逆时针行进。

该左激光二极管10与该右激光二极管20发出的975nm波长激光光束，经过以上所述的元件处理后，转变为1030nm的激光光束，并经由该第一偏极光分光镜130而入射至本发明的第二部分2。

第二部分2为将1030nm波长的激光光束的周期由皮秒的激光压缩为飞秒并分别做能量增大与增长波长的处理，最后会得到两道不同波长的光束。

本发明的第二部分2包含:

一光栅压缩机200(Treacy grating compressor)，接收来自该第一偏极光分光镜130输出端所输出的光线，并将激光光线的周期由皮秒压缩为飞秒，以利后方元件做所需的非线性转换。

一分光镜组210，该分光镜组将自该光栅压缩机200压缩后的激光分为水平及垂直两道光线。其中，10%的光线由于折射而成水平向，垂直通过该分光镜组的光线则为90%。

一能量放大装置220，该能量放大装置220接收该分光镜组所折射的光线，并将其能量放大。其中该能量放大装置可将能量放大10倍。该能量放大装置包含：

一第一进入端光纤准直器221(collimator)，该第一进入端光纤准直器221接收来自该分光镜组210所折射的光线，由于折射过来的光线为发散光线，因此通过该第一进入端光纤准直器221可将发散的光线变为平行光。

一掺镱(Yb-doped)光纤放大器222，该掺镱光纤放大器222的一端连接该第一进入端光纤准直器221，光线进入该掺镱光纤放大器222后其能量将会放大。

一第一输出端光纤准直器223 (collimator)，该第一输出端光纤准直器223位于该掺镱光纤放大器222的另一端，将放大能量后的光线转为平行光并向外输出。输出的光线由一第一反射板224接收并反射，使其由水平向光线转为垂直向光线并进入第三部分。

一波长变更装置230，该波长变更装置230将垂直通过该分光镜组的光线的波长增大，以利后方元件做需要的应用。该波长变更装置包含：

一第二反射板231，该第二反射板231将来自该分光镜组210的垂直向光线反射为水平向光线以进入后级元件。

一第二二分之一波片232 (half waveplate)与一第二偏极光分光镜233 (polarization beamsplitter)，该第二二分之一波片232接收光线，适当的调整该第二二分之一波片232的角度并利用该第二偏极光分光镜233即可控制进入后方元件的光线能量，依据能量的大小而决定调整后的波长。调整该第二二分之一波片232的角度改变光线的极化角以控制该第二偏极光分光镜233的进光量，该第二偏极光分光镜233将垂直入射线平面的光线反射出去，只使平行入射线平面的光线通过。

一第二进入端光纤准直器234(collimator)，该第二进入端光纤准直器234接收来自该第二偏极光分光镜233水平轴向光线，并将发散的光线通过该第二进入端光纤准直器234转为平行光。

一光子晶体光纤235 (photonic crystal fiber)，该光子晶体光纤235的一端连接该第二进入端光纤准直器234，并将进入的平行光线根据非线性效益而改变光线的波长，一般来说，1030nm的波长将会改为1300~1400nm的波长。其中，改变后的波长由进入的光线能量控制。

一第二输出端光纤准直器236 (collimator)，该第二输出端光纤准直器236位于该光子晶体光纤235的另一端，将增大波长后的光线转为平行光并向外输出。输出的光线由一第三反射板237接收并反射，使其由水平向光线转为垂直向光线并进入第三部分3。

此时光线分为两条路线并分别进入第三部分，其一为通过能量放大装置后，能量增为10倍且波长为1030nm的第一波长波束800，其二为经过波长变更装置后波长变为1300nm~1400nm的第二波长波束900。

第三部分3为显微镜检测，先将为飞秒单位的激光光束转换回皮秒，并将该第一波长波束800与该第二波长波束900传至显微镜以进行生物构成物质测定，利用两道光束的频率差即可得知生物构成的化学成分。

本发明的第三部分3包含:

第一波长波束800所经过的元件包含：

一第一反射板组300，该第一反射板组300包含数个反射板，该第一反射板组300接收该第一波长波束800，适当摆放各该反射板即可使第一波长波束800以一定的路径前进并达到下级元件。在本发明中该第一反射板组300以四个反射板为例，但一个、两个或多个反射板皆在本发明范围之内。

一第一线性调频元件310 (linearly chirped element)，用于将输入的脉冲周期从飞秒级到7 皮秒。可参考图5A，其元件设计为将入射的激光脉冲先经过一第一LCE反射板311反射后入射至一第一调频器312，经过频率调整到所述的周期后再发射经该第一LCE反射板313反射向一第一调频倒向反射板314。此举是用于将该第一波长波束800的脉冲周期拉长，使其变为7皮秒。

第二波长波束900所经过的元件包含：

一光束切割器320 (optical chopper)，该光束切割器320由具有均匀以辐射方式分布在盘面的狭缝的转盘所构成。该第二波长波束900由转盘的一面向另一面传送，但有在狭缝区的激光脉冲可以通过。至于在狭缝与狭缝间的激光脉冲将会被阻挡，因此使原连续的激光脉冲成为间断性的激光分布。而在接续的操作中具有激光脉冲处的效应才被量测并据以计算量测的结果。

一第二线性调频元件330 (linearly chirped element)，用于将输入的脉冲周期从飞秒级到到数十个 皮秒。可参考图5B，其元件设计为将入射的激光脉冲先经过一第二LCE反射板331反射后入射至一第二调频器332，经过频率调整到所述的周期后再发射经该第二LCE反射板333反射向一第二调频倒向反射板334。此举是用于将该第二波长波束900的脉冲周期拉长，使其变为数十个皮秒。其中，在本实施例中，该第二波长波束900的脉冲周期转为40~50皮秒。

一合光器340(beam combiner)，该合光器350接收该第一线性调频元件310与该第二线性调频元件330所反射的第一波长波束800 (7皮秒)与第二波长波束900 (40~50皮秒)，将其集合并以水平轴向下级元件传递。

一第三偏极光分光镜350 (polarization beamsplitter)，该第三偏极光分光镜350包含一第一I/O埠351、一第二I/O埠362及一第三I/O埠353，可参考图5C。第三偏极光分光镜350使来自该合光器340的第一波长波束800及第二波长波束900经由该第一I/O埠351输入，并从该第二I/O埠352输出至下级元件。

一第三四分之一波片360 (quarter waveplate)，该第三四分之一波片360可使通过的激光光束延迟。自该第二I/O埠352输出的激光光束通过该第三四分之一波片360可有效延迟，并继续向下级元件传输。

一凹透镜370，该凹透镜370接收经过该第三四分之一波片360的激光光束，并将其信号放大。

一凸透镜380，该凸透镜380使通过该凹透镜370放大后的发散激光可转为平行激光。

一第三反射板390，该第三反射板390接收来自经过该凸透镜380的平行光，并将其反射为垂直向的光线以传送至下级元件。

一显微镜物镜400 (objective lens)，经由该第三反射板390反射后的垂直向激光光束进入该显微镜物镜400并照射至待测的生物样本410上，光束由待测生物样本410反射后再进入该显微镜物镜400内。可参考图5C，进入该显微镜物镜400的激光光束为1030nm波长的第一波长波束800，与1300nm~1400nm波长的第二波长波束900，该第一波长波束800与该第二波长波束900照射到待测生物样本410后，依据Raman shift反射回该显微镜物镜内的光束会拥有三种频谱，一为具1030nm的频谱，即同于该第一波长波束800的第一反射波束810；二为1300nm~1400nm的频谱，即同于该第二波长波束900的第二反射波束910；第三种频谱其频率为第二频谱与第一频谱的频率差，为第三反射波束1000。

该三种不同波长的波束再经由该显微镜物镜400回传至该凸透镜380，使其转为平行光束并进入该凹透镜370，再通过该第三四分之一波片360使其延迟。其中，该三种不同波长的波束会与由该第三偏极光分光镜360的第二I/O埠352输出的激光光束的相位相差180度。该三种不同波长的波束经过延迟后进入该第二I/O埠352，由于与该第二I/O埠352输出的激光光束的相位相差180度，因此该第三偏极光分光镜350会将该三种不同波长的波束垂直入射线平面的光线反射，并由该第三I/O埠353输出使光束传送至下级元件。而平行入射线平面的光线则会穿透该第三偏极光分光镜350由该第一I/O埠351输出。

一低通滤波器420 (low-pass filter)，该低通滤波器420接收来自该第三I/O埠353的光线并将较长波长(1030nm与1300~1400nm)的两道光束滤掉，只让波长较短的该第三反射波束1000通过，并传送至下一级元件。

一宽面积检光器430 (large area detector)，该宽面积检光器430会接收该第三反射波束1000，并根据该第三反射波束1000的波长以及强度来判别待测生物样本410的构成，可依据各式化学键结的波长来判断该待测生物样本410的化学构成。通过调整该波长变更装置230，调整该第二波长波束900的波长，该第二波长波束900的波长不同，相对的，该第三反射波束1000的波长也会跟着改变，所以通过该低通滤波器420时，由于第二波长波束波长900的改变，所得到第三反射波束1000的频谱也会变动，其频谱的波长的变动范围，约在270(1300-1030)nm~370(1400-1030)nm，由该第三反射波束1000的频谱可以找出所照射的分子的键结，所以相对的经由频谱表可以知道该地区的分子。可以对同一高度做水平面的扫描，而得到该生物样本在该水平面的分子结构，同样地调整激光照射的高度则可以做纵向的改变而得到不同水平面的分子结构。如此便可借助改变该第二波长波束900波长来进行检验，并由该待测生物样本410所反射回来的第三反射波束1000来获得待测生物样本的化学结构。

本发明将运用飞秒激光的双光子显微镜和运用皮秒激光的显微镜做结合。其优点在于，可将飞秒激光与皮秒激光结合，取其个别的优点以使显微镜达到最佳的检测效果。本发明兼容了飞秒激光技术与光纤激光器技术，因此和双光子显微镜(two-photon microscopy)的整合是很容易的。此外，由于Roman shift可调校激光二极管发出的激光光束与史托克斯脉冲之间的延迟，即可不必使用可调式激光。

综上所述，本发明人性化的体贴设计，相当符合实际需求。其具体改进现有缺失，相较于现有技术明显具有突破性的进步优点，确实具有功效的增进，且非易于达成。本发明未曾公开或揭露于国内与国外的文献与市场上，已符合专利法规定。

上列详细说明是针对本发明的一可行实施例的具体说明，但该实施例并非用以限制本发明的专利范围，凡未脱离本发明技艺精神所为的等效实施或变更，均应包含于本发明的专利范围中。

Claims (14)

1.一种波长分工SRS显微镜，其特征在于，包含：

一个激光波长转换机构，以将短波长的激光光束转为较长波长的激光光束；

一个激光光线处理机构，将单位为皮秒的激光压缩为飞秒并将激光光束分为两道，并分别做能量增大与增长波长的处理，而得到两道不同波长的光束，其中一道能量较强，但维持原来的波长，其波长为第一波长，即为第一波长波束；另一道则波长较长，其波长为第二波长，即为第二波长波束；

一个显微镜检测机构，该显微镜检测机构将为飞秒单位的激光光束转换回皮秒，并将两道不同波长的激光光束传至显微镜以进行生物构成物质测定，其中该两道光束产生不同的三道反射波束，分别为频率相同于第一波长波束的第一反射波束，频率相同于第二波长波束的第二反射波束，以及第三反射波束，该第三反射波束的频率为第一反射波束及第二反射波束的频率差；以及

一个低通滤波器，该低通滤波器滤除该第一反射波束与该第二反射波束，而仅保留能借助其频谱能找出所照射的分子的键结的该第三反射波束以经由频谱表知道该地区的分子； 

其中, 该波长分工SRS显微镜是通过调整该第二波长波束的波长，并通过该低通滤波器得到跟着变动的第三反射波束的频谱，并由该第三反射波束的频谱找出所照射的分子的键结，以经由频谱表知道该地区的分子；对同一高度做水平面的扫描，而得到该生物样本在该水平面的分子结构，而调整激光照射的高度则能做纵向的改变而得到不同水平面的分子结构。

2.如权利要求1所述的波长分工SRS显微镜，其特征在于，该第一波长为1030nm，该第二波长为1300nm~1400nm，该第三反射光束其频谱的波长的变动范围，约在270(1300-1030)nm~370(1400-1030)nm之间。

3.如权利要求2所述的波长分工SRS显微镜，其特征在于，该激光波长转换机构包含：

一个左激光二极管，该左激光二极管为整体装置的激光光束来源之一；该左激光二极管的输出端接有一个左光纤；

一个右激光二极管，该右激光二极管为整体装置的激光光束来源之一；该右激光二极管的输出端接有一个右光纤；

一个左隔离器，该左隔离器的输入端接收通过该左光纤传输的激光光束，并使激光光束保持单向传送而无法反向回传，激光光束自该左隔离器的输出端传送置下一级元件；

一个右隔离器，该右隔离器的输入端接收通过该右光纤传输的激光光束，并使激光光束保持单向传送而无法反向回传，激光光束自该右隔离器的输出端传送至下一级元件；

一个可使特定波长的激光光束输入及输出的左分波多工器，该左分波多工器包含两个I/O埠，分别为第一左I/O埠、及第二左I/O埠； 

一个可使特定波长的激光光束输入及输出的右分波多工器，该右分波多工器包含两个I/O埠，分别为第一右I/O埠及第二右I/O埠；

一个掺镱光纤，该掺镱光纤位于该左分波多工器与该右分波多工器中间，其一端接于该第二左I/O埠，另一端接于该第二右I/O埠；激光光束自该第二左I/O埠与该第二右I/O埠进入该掺镱光纤并于该掺镱光纤中来回振荡，该掺镱光纤激光吸收，并放出波长为第一波长的激光，第一波长的激光会自该第二左I/O埠与该第二右I/O埠分别向该第一左I/O埠与第一右I/O埠传输出去；

一个右回路光纤，该右回路光纤的一端接于该第一右I/O埠，用于传输来自该第一右I/O埠的第一波长的激光光束；

一个确保光线的单向性的右回路隔离器，该右回路隔离器的输入端接收来自于该第一右I/O埠的激光光束，使激光光束保持单向传送，而无法反向回传，并且该激光光束自该右回路隔离器的输出端向下级元件传输；

一个右光纤准直器，该右光纤准直器接于该右回路光纤的另一端，该右回路隔离器输出端的激光光束在离开光纤后会形成点光源以发散的方式传送，而该右光纤准直器将发散的激光光束转为平行光并向下级元件传输；

一个波片组，该波片组包含两四分之一波片及一个第一二分之一波片，该第一二分之一波片位于该两四分之一波片中间；该两四分之一波片分别为第一四分之一波片与第二四分之一波片；该波片组位于该右光纤准直器后方，接收来自该右光纤准直器的平行激光；输入该波片组的激光为极化光束，各波片对该激光中的一分量予以延迟以借助调整该波片组的角度或位置关系即可控制激光的极化角大小而控制进入下一级元件的进光量；

一个第一偏极光分光镜，该偏极光分光镜包含一个第一偏极光分光镜输入端、一个第一偏极光分光镜输出端与一个第二偏极光分光镜输出端；该第一偏极光分光镜输入端接收来自该波片组的光线，并反射垂直入射线平面的光线，使其自该第一偏极光分光镜输出端输出至该激光光线处理机构；而平行入射线平面的光线则会穿透该第一偏极光分光镜并由第二偏极光分光镜输出端输出；

一个第一波长滤波器，该第一波长滤波器接收来自该第二偏极光分光镜输出端的光线，有效阻隔穿过该第二偏极光分光镜输出端非第一波长的激光；以及

一个左光纤准直器，该左光纤准直器的输入端接收来自该第一波长滤波器过滤后的激光；激光借助该左光纤准直器聚焦，并进入一个左回路光纤；激光光线随着该左回路光纤而由该第一左I/O端穿过该左分波多工器，传输至该第二左I/O端并再一次经过该掺镱光纤后，再由该第二右I/O端传输至该第一右I/O端并传输出去进行新一轮的光线传输；

其中，由该第一左I/O端传输出去的激光随着该左回路光纤传输，并以顺时针的方向依次经过该左光纤准直器、该第一偏极光分光镜、该波片组、该右光纤准直器并进入该右回路隔离器，由于该右回路隔离器只允许光线单向前进，意即逆时针前进，因此顺时针行进的光线是无法通过该回路隔离器，以确保光线在此回路中均为逆时针行进。

4.如权利要求2所述的波长分工SRS显微镜，其特征在于，该激光光线处理机构包含：

一个光栅压缩机，接收来自该第一偏极光分光镜输出端所输出的光线，并将激光光线的周期由皮秒压缩为飞秒，以利后方元件做所需的非线性转换；

一个分光镜组，该分光镜组将自该光栅压缩机压缩后的激光分为水平及垂直两道光线；

一个能量放大装置，该能量放大装置接收该分光镜组所折射的光线，并将其能量放大；该能量放大装置包含：

一个第一进入端光纤准直器，该第一进入端光纤准直器接收来自该分光镜组所折射的发散光线，该第一进入端光纤准直器将发散的光线变为平行光；

一个掺镱(光纤放大器，该掺镱光纤放大器的一端连接该第一进入端光纤准直器，光线进入该掺镱光纤放大器后其能量将会放大；

一个第一输出端光纤准直器，该第一输出端光纤准直器位于该掺镱光纤放大器的另一端，将放大能量后的光线转为平行光并向外输出；输出的光线由一个第一反射板接收并反射，使其由水平向光线转为垂直向光线并进入该显微镜检测机构；

一个波长变更装置，该波长变更装置将垂直通过该分光镜组的光线的波长增大，以利后方元件做需要的应用；该波长变更装置包含：

一个第二反射板，该第二反射板将来自该分光镜组的垂直向光线反射为水平向光线以进入后级元件；

一个第二二分之一波片与一个第二偏极光分光镜，该第二二分之一波片接收光线，调整该第二二分之一波片的角度并利用该第二偏极光分光镜即控制进入后方元件的光线能量，依据能量的大小而决定调整后的波长；调整该第二二分之一波片的角度改变光线的极化角以控制该第二偏极光分光镜的进光量，该第二偏极光分光镜将垂直入射线平面的光线反射出去，只使平行入射线平面的光线通过；

一个第二进入端光纤准直器，该第二进入端光纤准直器接收来自该第二偏极光分光镜的光线，并将发散的光线通过该第二进入端光纤准直器转为平行光；

一个光子晶体光纤，该光子晶体光纤的一端连接该第二进入端光纤准直器，并将进入的平行光线根据非线性效益而改变光线的波长；其中，改变后的波长由进入的光线能量控制；以及

一个第二输出端光纤准直器，该第二输出端光纤准直器位于该光子晶体光纤的另一端，将增大波长后的光线转为平行光并向外输出；输出的光线由一个第三反射板接收并反射，使其由水平向光线转为垂直向光线并进入该后级元件。

5.如权利要求2所述的波长分工SRS显微镜，其特征在于，该显微镜检测机构包含:

一个第一反射板组，该第一反射板组包含数个反射板，该第一反射板组接收第一波长波束，适当摆放各该反射板即可使第一波长的激光光束以一定的路径前进并达到下级元件；

一个第一线性调频元件，用于将输入的脉冲周期从飞秒转为皮秒；

一个光束切割器，该光束切割器由具有均匀以辐射方式分布在盘面的狭缝的转盘所构成；第二波长波束由转盘的一面向另一面传送，该转盘使在所述狭缝区范围的激光脉冲通过，而使在狭缝与狭缝间的激光脉冲会被阻挡，以使原连续的激光脉冲成为间断性的激光分布；而在接续的操作中具有激光脉冲处的效应才被量测并据以计算量测的结果；

一个第二线性调频元件，用于将输入的脉冲周期从飞秒转变为数十个 皮秒； 

一个合光器，该合光器接收该第一线性调频元件与该第二线性调频元件所反射的第一波长波束与第二波长波束，将其集合并向下级元件传递；

一个光线传递机构，该光线传递机构将经由该合光器所合并的不同波长及脉冲周期的激光光束传输至后级元件；其中该光线传递机构包含：

一个第三偏极光分光镜，该第三偏极光分光镜包含一个第一I/O埠、一个第二I/O埠及一个第三I/O埠；第三偏极光分光镜使来自该合光器的第一波长波束及第二波长波束经由该第一I/O埠输入，并从该第二I/O埠输出至下级元件；

一个第三四分之一波片，该第三四分之一波片使通过的激光光束延迟；自该第二I/O埠输出的激光光束通过该第三四分之一波片有效延迟，并继续向下级元件传输；

一个透镜组，该透镜组接收经过该第三四分之一波片的激光光束，并将其信号放大，并发散激光转为平行激光；

一个第三反射板，该第三反射板接收来自经过该透镜组的平行光，并将其反射为垂直向的光线以传送至下级元件；

一个显微镜物镜，经由该第三反射板反射后的垂直向激光光束进入该显微镜物镜并照射至待测的生物样本上，光束由待测生物样本反射后再进入该显微镜物镜内；经反射后，得到上述的第一、第二及第三反射波束；

该三种不同波长的反射波束再经由该显微镜物镜回传至该透镜组，再通过该第三个四分之一波片使其延迟；该三种不同波长的反射波束经过延迟后进入该第二I/O埠，由于与该第二I/O埠输出的激光光束的相位相差180度，因此该第三偏极光分光镜会将该三种不同波长的反射波束垂直入射线平面的光线反射，并由该第三I/O埠输出使光束传送至下级元件；而平行入射线平面的光线则会穿透该第三偏极光分光镜由该第一I/O埠输出并进入该低通滤波器；以及

一个宽面积检光器，该宽面积检光器接收该第三反射波束，并根据该第三反射波束的波长以及强度来判别待测生物样本的构成，并依据各式化学键结的波长资料比对该第三激光光束的波长来判断该待测生物样本的化学构成。

6.如权利要求3所述的波长分工SRS显微镜，其特征在于，该左激光二极管与该右激光二极管，其射出的激光光束波长为975nm。

7.如权利要求3所述的波长分工SRS显微镜，其特征在于，该右回路光纤尚包含一个将来自该第一右I/O埠的激光光束取出5%做为测试之用的右测试光纤。

8.如权利要求3所述的波长分工SRS显微镜，其特征在于，该左回路光纤尚包含一个将来自该第一个右I/O埠的激光光束取出5%做为测试之用的左测试光纤。

9.如权利要求4所述的波长分工SRS显微镜，其特征在于，该分光镜组是将来自该光栅压缩机的光线其中10%的光线折射成水平向光线，而其余90%则垂直通过该分光镜组至该第一反射板的分光镜组。

10.如权利要求4所述的波长分工SRS显微镜，其特征在于，该能量放大装置是将能量放大10倍的放大装置。

11.如权利要求4所述的波长分工SRS显微镜，其特征在于，该光子晶体光纤将激光光束的波长自1030nm转变为1300nm~1400nm。

12.如权利要求5所述的波长分工SRS显微镜，其特征在于，该第一个波长波束的脉冲周期为7皮秒；该第二波长波束的脉冲周期为40~50皮秒。

13.如权利要求5所述的波长分工SRS显微镜，其特征在于，该第一个反射板组包含四个反射板。

14.如权利要求5所述的波长分工SRS显微镜，其特征在于，该第一线性调频元件是将入射的激光脉冲经过一个第一LCE反射板反射后入射至一个第一调频器，经过频率调整到所述的周期后再发射经该第一LCE反射板反射向一个第一调频倒向反射板以便将该第一波长波束的脉冲周期拉长；以及

该第二线性调频元件是将入射的激光脉冲经过一个第二LCE反射板反射后入射至一个第二调频器，经过频率调整到所述的周期后再发射经该第二LCE反射板反射向一个第二调频倒向反射板以将该第二波长波束的脉冲周期拉长，使其变为数十个皮秒。

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