CN103529525A

CN103529525A - 一种单插靶位可调光激励装置及调谐方法

Info

Publication number: CN103529525A
Application number: CN201310520732.9A
Authority: CN
Inventors: 孙小菡; 董纳; 蒋卫锋
Original assignee: Southeast University
Current assignee: Southeast University
Priority date: 2013-10-29
Filing date: 2013-10-29
Publication date: 2014-01-22
Anticipated expiration: 2033-10-29
Also published as: CN103529525B

Abstract

本发明公开了一种单插靶位可调光激励装置，包括光激励探头、可调光源、应激信号记录和分析模块；光激励探头的出射端位于激励目标区域中，光激励探头的入射端位于激励目标区域外侧，可调光源与光激励探头的入射端相对，光激励探头的出射端与位于激励目标区域中的待激励的目标靶位相对，应激信号记录和分析模块用于检测待激励的目标靶位应激信号的强度。该激励装置能够在单次插入目标区域后，通过调谐出射光束的束形、束宽、进入目标区域角度，与目标靶位精确对准，降低插入时不可避免的空间误差，提高光激励效果。本发明还公开了单插靶位可调光激励装置的调谐方法，该方法可以在激励装置在单次插入目标区域后，实现与目标靶位精确对准。

Description

一种单插靶位可调光激励装置及调谐方法

技术领域

本发明属于光通信与集成光学领域，具体来说，涉及一种单插靶位可调光激励装置及调谐方法。

背景技术

面向微型特定靶位的光激励近来成为微米级物质调控和检测的前沿技术，其应用对象包括而不限定于：

（1）荧光成像和光学相干断层扫描成像等光学微结构成像；

（2）光镊，利用光束产生的束缚力控制和移动微米级微粒（如细胞）；

（3）光学微粒检测，利用微粒对光激励信号的应激信号检测微粒；

（4）光学神经调控，利用光激励信号调控单个神经元，产生光致神经信号。

面向微型特定靶位的光激励均需要光激励信号的靶向性发射，当目标靶位的尺寸为微米级时，必须采用微型光激励探头对目标靶位所在待激励区域进行指向性插入，使探头的出射光束能以一定光功率对准目标靶位发射。

相比其他激励手段，靶向性光激励有以下优点：

1、靶向性强，对象明确，能够实现单个微米级目标的调控；

靶向性光激励直接对微米级目标靶位进行指向性发射，由于光束在目标区域内传输的方向性，能够实现单个微米级目标的精确调控，此外还能通过光束的压缩聚焦等手段，提高靶向精度到与激励光信号波长相比拟的程度。

2、激励信号使用独立信道，与待激励目标靶位所在环境相互影响很小，只与目标靶位发生互作用；

光激励信号只会与目标靶位相互作用，与其所在环境的影响很小，每种光激励信号因其频率、相位、偏振态等不同，均视为不同的信号，使用独立的信道，不易相互干扰或受到干扰。

3、光信号拥有频率、相位、偏振态及波形等多维信号类型及其组合，适用于各种不同的目标靶位类型；

光信号的多种类型兼容于相似的发生、传输和发射技术平台，且能适用于不同类型的目标靶位，比如在光学相干断层扫描成像中使用1310nm和1550nm波段红外光，在光学神经调控中使用450-580nm波段可见光等。

4、安全无害，适合应用于人体内或食品卫生等领域；

光激励信号在其大多数波段、偏振态、相位和波形上都安全无害，因此能够应用于人体内或食品卫生等领域。

由于所述靶向性光激励的各种应用需要共通的技术工具平台，因此一种插入式光激励装置得到了发展，这种装置的核心部件是插入到待激励目标区域的微型光激励探头，负责将光激励信号通过自身传输至待激励目标区域，并对目标靶位发射。

由于光激励的特殊性，微型光激励探头的出射光束在待激励目标区域的扩散服从光在散射介质中传播的规律。米氏散射模型被用于描述出射光束在激励目标区域的扩散，根据该模型，在大多数情况，比如人体组织内部、化学溶液中等时候，光束仍能大致维持其方向性。因此使用微型光探头激励目标靶位的一个重要的问题就是光学激励探头与目标靶位的精确对准，光学激励探头在单次插入时只能实现粗对准，插入后其与目标靶位存在空间误差，这种误差也会严重影响探头的激励效果。

现有的插入式光激励装置多使用光波导构成其光激励探头，并采用发光二极管、平行光或光纤等光源，与光波导的入射端面直接耦合。光波导结构的光传输效率较高，传输功耗较低，端面直接耦合有利于降低耦合损耗，使尽量多的光功率能进入光波导。但这种设计比较简单，难以调节出射光束的束形、束宽、入射角度等并实现与目标靶位的精确对准。

发明内容

技术问题：本发明所要解决的技术问题是：提供一种单插靶位可调光激励装置，该激励装置能够在单次插入目标区域后，通过调谐出射光束的束形、束宽、进入目标区域角度，与目标靶位精确对准，降低插入时不可避免的空间误差，提高光激励效果；同时，还提供该单插靶位可调光激励装置的调谐方法，该方法可以在激励装置在单次插入目标区域后，实现与目标靶位精确对准。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种单插靶位可调光激励装置，所述的激励装置包括光激励探头、可调光源、应激信号记录和分析模块；光激励探头的出射端位于激励目标区域中，光激励探头的入射端位于激励目标区域外侧，可调光源与光激励探头的入射端相对，光激励探头的出射端与位于激励目标区域中的待激励的目标靶位相对，应激信号记录和分析模块用于检测待激励的目标靶位应激信号的强度。

进一步：所述的可调光源包括光源、连接光纤、入射端头和微调对准装置；光源通过连接光纤与入射端头相连，入射端头位于微调对准装置上，入射端头与光激励探头的入射端相对；微调对准装置用于调整入射端头射出的光到光激励探头入射端面的不同位置。

进一步：所述的应激信号记录和分析模块包括应激信号传感器和信号分析仪；所述的应激信号传感器和信号分析仪位于激励目标区域外侧，应激信号传感器和信号分析仪相连，应激信号传感器用于感应位于激励目标区域中的目标靶位的应激信号，应激信号传感器将获取的应激信号传输到信号分析仪中，信号分析仪用于对目标靶位的应激信号进行转换、放大、去噪和显示。

一种上述的单插靶位可调光激励装置的调谐方法，该调谐方法包括以下步骤：

第一步：连接激励装置：将光激励探头的出射端插于激励目标区域中，使光激励探头的出射端与位于激励目标区域中的待激励的目标靶位初步相对，将位于激励目标区域外侧的光激励探头的入射端与可调光源相对，将应激信号传感器和信号分析仪相连；

第二步：激励目标靶位：调节可调光源，使可调光源射出的光信号从入射点射入光激励探头的入射端面上，并通过光激励探头进入到激励目标区域中，激励目标靶位；

第三步：显示应激信号：利用应激信号传感器收集目标靶位的应激信号，应激信号传感器将应激信号传送至信号分析仪中，信号分析仪分析和显示目标靶位的应激信号；

第四步：重复第二步，改变可调光源射出的光信号射在光激励探头入射端面的入射点，然后重复第三步，显示目标靶位的应激信号，直至信号分析仪显示的目标靶位的应激信号为最大值时，停止操作。

有益效果：与现有技术相比，本发明采用的技术方案具有以下技术效果：

1.仅需单次插入，就可实现光激励探头与目标靶位的精确对准，降低了插入误差，提高了光激励作用效果。本发明的单插靶位可调光激励装置及调谐方法，光激励探头只需插入目标区域一次，然后通过调谐可调光源在光激励探头入射端面上的入射点，激发起光激励探头中的特殊高阶模式，从而改变出射光束的束形、束宽和进入目标区域角度等，帮助光激励探头与目标靶位精确对准，提高光激励作用效果，避免因对准误差造成光激励探头低效甚至作废的现象。

2.广泛适用于多种类型光源和光波导，通用性良好，应用广泛。本发明所述单插靶位可调光激励装置及调谐方法，通过可调光源的光入射端头产生所需入射光场，在光激励探头入射端面上选择入射点实现调谐，适用于多种类型的光源和光波导，可根据应用对象选用合适的部件，应用广泛。

附图说明

图1为本发明的单插靶位可调光激励装置的结构图。

图2为本发明实施例中的光激励探头的横截面示意图，其中，光激励探头位于直角坐标系中，探头的横截面与xOy平面平行，探头的方向与z轴平行。

图3为本发明实施例中光波导激励探头的出射光束的束形，为简并的E₁₁模的光场图。

图4为本发明实施例中光波导激励探头的出射光束的束形，为简并的E₂₁模的光场图。

图5为本发明实施例中光波导激励探头的出射光束的束形，为简并的E₃₁模的光场图。

图6为本发明实施例中光波导激励探头的出射光束的束形，为简并的E₁₂模的光场图。

图7为本发明实施例中光波导激励探头的出射光束的束形，为简并的E₂₂模的光场图。

图8为本发明实施例中光波导激励探头的出射光束的束形，为简并的E₃₂模的光场图。

图9为本发明实施例中光波导激励探头的出射光场图形，为简并的E₁₁模的光场图。

图10为本发明实施例中光波导激励探头的出射光场图形，为简并的E₂₁模的光场图。

图11为本发明实施例中光波导激励探头的出射光场图形，为简并的E₃₁模的光场图。

图中有：光激励探头1、衬底11、下包层12、芯层13、上包层14、可调光源2、光源21、连接光纤22、入射端头23、微调对准装置24、应激信号记录和分析模块3、应激信号传感器31、信号分析仪32、入射点4、激励目标区域5、目标靶位6。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：

如图1所示，本发明的一种单插靶位可调光激励装置，包括光激励探头1、可调光源2、应激信号记录和分析模块3。光激励探头1的出射端位于激励目标区域5中，光激励探头1的入射端位于激励目标区域5外侧，可调光源2与光激励探头1的入射端相对，光激励探头1的出射端与位于激励目标区域5中的待激励的目标靶位6相对。应激信号记录和分析模块3用于检测待激励的目标靶位6应激信号的强度。作为优选，光激励探头1采用任意一种光波导结构，如平面单脊波导等。光波导结构中，光被限制在波导结构中，大部分能量只能沿着波导方向传输。光激励探头1的出射端成锥形、或者透镜。

进一步：所述的可调光源2包括光源21、连接光纤22、入射端头23和微调对准装置24；光源21通过连接光纤22与入射端头23相连，入射端头23位于微调对准装置24上，入射端头23与光激励探头1的入射端相对；微调对准装置24用于调整入射端头23射出的光到光激励探头1入射端面的不同位置。作为优选，光源21的波长范围在250nm到2000nm之间。该波长范围覆盖了从紫外到中红外的较宽范围，本发明的几种重要应用，包括光遗传神经调控，其有效波长450-600nm，以及红外神经调控，其有效波长900-1600nm等，都包含在该波长范围中。一些重要的光学应用如光通信波段、常见的光传感波段等，也包含在该波长范围中。光源21可以采用激光器、LED灯或卤素灯等。连接光纤22是将光源21的光导入入射端头23的连接光路。微调对准装置23用于夹持入射端头23，使入射端头23与光激励探头1入射端面实现端面耦合，并能实现选择在光激励探头入射端面上的不同入射点4。为提高对准精度，微调对准装置24的最小位移精度小于1微米。当光激励探头1的出射端成锥形时，入射端头23采用锥形光纤；当光激励探头1的出射端为透镜时，入射端头23采用透镜光纤。

进一步：所述的应激信号记录和分析模块3包括应激信号传感器31和信号分析仪32；所述的应激信号传感器31和信号分析仪32位于激励目标区域5外侧，应激信号传感器31和信号分析仪32相连，应激信号传感器31用于感应位于激励目标区域5中的目标靶位6的应激信号，应激信号传感器31将获取的应激信号传输到信号分析仪32中，信号分析仪32用于对目标靶位6的应激信号进行转换、放大、去噪和显示。应激信号传感器31可根据应激信号的类型，选择电、光或化学传感器等。

上述的单插靶位可调光激励装置的调谐方法，包括以下步骤：

第一步：连接激励装置：将光激励探头1的出射端插于激励目标区域5中，使光激励探头1的出射端与位于激励目标区域5中的待激励的目标靶位6初步相对，将位于激励目标区域5外侧的光激励探头1的入射端与可调光源2相对，将应激信号传感器31和信号分析仪32相连；

第二步：激励目标靶位：调节可调光源2，使可调光源2射出的光信号从入射点4射入光激励探头1的入射端面上，并通过光激励探头1进入到激励目标区域5中，激励目标靶位6；

第三步：显示应激信号：利用应激信号传感器31收集目标靶位6的应激信号，应激信号传感器31将应激信号传送至信号分析仪32中，信号分析仪32分析和显示目标靶位的应激信号；

第四步：重复第二步，改变可调光源2射出的光信号射在光激励探头1入射端面的入射点4，然后重复第三步，显示目标靶位的应激信号，直至信号分析仪32显示的目标靶位的应激信号3为最大值时，停止操作。

上述的单插靶位可调光激励装置的工作原理是：激励光信号从光源21产生，经过连接光纤22、入射端头23，从入射点4入射到光激励探头1中，并发射到激励目标区域5中，使待激励的目标靶位6产生一个应激信号，并由应激信号传感器31记录，传导至信号分析仪32进行后处理后显示。根据信号分析仪32提供的信息，调节可调光源2的光源21和微调对准装置24，改变激励光信号入射光激励探头1的入射点4，以改变激励目标区域5中出射的光束，通过信号分析仪32观察目标靶位6的应激信号。经多次调谐，当目标靶位6应激信号最强时，可以认为对准误差得到了降低，实现了对目标靶位的最优化调整。

多数情况下，目标靶位与插入的光激励探头之间都存在误差。通过上述装置和调谐方法，不需要重新插入光激励探头，来实现对准。利用本发明的装置，通过观察信号分析仪32上显示的应激信号，不断调整光信号从入射端头23到光激励探头1入射端面上的入射点4位置。当信号分析仪32上显示的目标靶位的应激信号最强烈时，即可认为对准误差得到了降低，实现与目标靶位6精确对准。此时，可调光源2射出的光信号在光激励探头1入射端面上的入射点4是最佳入射位置，光信号进入到激励目标区域5中，激励目标靶位6。

利用光波导传输模式的选择性激发特性，可实现激励光束的位置、束宽、数量的调节。假设在光波导中传输的模式有：

为自然数，光波导的入射光场为

则入射光场到第i阶模

的功率耦合系数η_i应满足式（1）。该式表明各阶模式的功率耦合系数由入射光场与该模式在光波导截面A上的叠加积分决定。因此，通过入射光场在光波导入射端面上的偏移入射来实现光波导中传输模式的选择性激发，从而调节出射光束的束形、束宽、入射角度等，帮助出射光束与目标靶位精确对准。

式（1）

式（1）中，A表示光激励探头1的横截面面积，

为入射光场，

为在光波导中传输的第i阶模，i为自然数，（x,y）表示坐标符号，

为

的复共轭，表示

是坐标（x,y）的函数，

表示是坐标（x,y）的函数。由于A为xOy上的区域，所以积分区域A上的

和这两个量均随坐标（x,y）而变化。

η_i表示入射光场

到第i阶模

的功率耦合系数。

本发明的单插靶位可调光激励装置能够在单次将光激励探头插入目标区域后，通过调谐出射光束的束形、束宽、进入目标区域角度等，与目标区域中的目标靶位精确对准，降低插入时不可避免的空间误差，提高光激励效果。

下面举例一个实施例。

单插靶位可调光激励装置被用于植入人类神经组织进行细胞级光学神经调制。单插靶位可调光激励装置包括光激励探头1、可调光源2、应激信号记录和分析模块3。

光激励探头1采用光波导结构，在硅上二氧化硅（SOS）基平面单脊光波导，截面为分层结构。如图2所示，该光激励探头1包括衬底11、下包层12、芯层13、上包层14。衬底11的材料为硅，为标准硅晶圆。下包层12的材料为二氧化硅，厚度为13微米，采用离子增强化学气相沉积（PECVD）法淀积在标准硅晶圆上。芯层13的材料为掺锗二氧化硅，截面为矩形，宽17.8微米，高7.8微米，采用离子增强化学气相沉积（PECVD）法淀积在下包层12上，并采用反应离子刻蚀（RIE）法刻蚀出波导的光路。上包层14的材料为二氧化硅，厚度为20～50微米，采用离子增强化学气相沉积（PECVD）法淀积在芯层13的外侧。芯层13与上包层14间的折射率为1.451，芯层13与下包层12间的折射率为1.445，折射率差为0.4%。光激励探头1的入射端面上的入射点4，假设光激励探头1横截面的中心为坐标原点，入射点的偏移量为（Δx,Δy），即为入射点4坐标的绝对值。

将光激励探头插入待激励的神经组织，初步定位；调节光源21产生激励光信号，经过连接光纤22、入射端头23，从可变入射点4入射到光激励探头1，并发射到目标组织中，并由应激信号传感器31记录待激励的目标神经元所产生的神经信号，传导至电信号分析仪进行后处理后显示；

根据电信号分析仪提供的信息，调节光源21和微调对准装置24，改变激励光信号入射光激励探头的入射点4，以改变激励目标区域中出射的光束，观察目标神经元的应激神经信号，经多次调谐，当目标神经元应激神经信号最强时，可以认为对准误差得到了降低，实现了所述光激励装置对目标神经元的单插最优化调整。

本实施例的单插靶位可调特性可以通过观察光激励探头1中选择性激发的模式来验证。图3至图8为实验结果。通过调节入射点4，实现光激励探头1横截面上光场模式的变化，依次为：简并的E₁₁,E₂₁,E₃₁,E₁₂,E₂₂和E₃₂模，依次是该波导中能够存在的第1至6阶模，这里横坐标为坐标轴x，纵坐标为坐标轴y，单位为微米。E_mn表示光场模式，其下标m表示x方向上的光场主极大个数，n表示y方向上的光场主极大个数。图3至图8中部的灰色线框表示光激励探头1横截面的轮廓。

光激励探头1中选择性激发的模式导致出射光束束形和角度等变化，图9、图10和图11为光激励探头1出射光束在充满散射介质（如生物组织）的激励目标区域中出射的仿真计算结果，依次为简并的E₁₁,E₂₁和E₃₁模从光激励探头1尖端出射后的光束形状。这里横坐标为坐标轴x，纵坐标为坐标轴z。通过调节入射点4，光激励探头1横截面的光场模式可以改变，不同的光场模式，其从光激励探头1尖端出射的光束不同。由于光束不同，可以实现单插靶位可调，而通过调节入射点4，调节光激励探头1横截面上光场模式，从而改变出射光束，以优化激励效果的过程，即为本发明所提出的调谐方法。

Claims

1.一种单插靶位可调光激励装置，其特征在于：所述的激励装置包括光激励探头（1）、可调光源（2）、应激信号记录和分析模块（3）；光激励探头（1）的出射端位于激励目标区域（5）中，光激励探头（1）的入射端位于激励目标区域（5）外侧，可调光源（2）与光激励探头（1）的入射端相对，光激励探头（1）的出射端与位于激励目标区域（5）中的待激励的目标靶位（6）相对，应激信号记录和分析模块（3）用于检测待激励的目标靶位（6）应激信号的强度。

2.根据权利要求1所述的单插靶位可调光激励装置，其特征在于：所述的光激励探头（1）采用光波导结构。

3.根据权利要求2所述的单插靶位可调光激励装置，其特征在于：所述的光激励探头（1）的出射端成锥形、或者透镜。

4.根据权利要求1所述的单插靶位可调光激励装置，其特征在于：所述的可调光源（2）包括光源（21）、连接光纤（22）、入射端头（23）和微调对准装置（24）；光源（21）通过连接光纤（22）与入射端头（23）相连，入射端头（23）位于微调对准装置（24）上，入射端头（23）与光激励探头（1）的入射端相对；微调对准装置（24）用于调整入射端头（23）射出的光到光激励探头（1）入射端面的不同位置。

5.根据权利要求4所述的单插靶位可调光激励装置，其特征在于：所述光源（21）的波长范围在250nm到2000nm之间。

6.根据权利要求4所述的单插靶位可调光激励装置，其特征在于：所述的连接光纤（22）采用G.652单模光纤。

7.根据权利要求4所述的单插靶位可调光激励装置，其特征在于：所述的入射端头（23）采用锥形光纤，或者透镜光纤。

8.根据权利要求4所述的单插靶位可调光激励装置，其特征在于：所述的微调对准装置（24）的最小位移精度小于1微米。

9.根据权利要求1所述的单插靶位可调光激励装置，其特征在于：所述的应激信号记录和分析模块（3）包括应激信号传感器（31）和信号分析仪（32）；所述的应激信号传感器（31）和信号分析仪（32）位于激励目标区域（5）外侧，应激信号传感器（31）和信号分析仪（32）相连，应激信号传感器（31）用于感应位于激励目标区域（5）中的目标靶位（6）的应激信号，应激信号传感器（31）将获取的应激信号传输到信号分析仪（32）中，信号分析仪（32）用于对目标靶位（6）的应激信号进行转换、放大、去噪和显示。

10.一种权利要求1所述的单插靶位可调光激励装置的调谐方法，其特征在于：该调谐方法包括以下步骤：

第一步：连接激励装置：将光激励探头（1）的出射端插于激励目标区域（5）中，使光激励探头（1）的出射端与位于激励目标区域（5）中的待激励的目标靶位（6）初步相对，将位于激励目标区域（5）外侧的光激励探头（1）的入射端与可调光源（2）相对，将应激信号传感器（31）和信号分析仪（32）相连；

第二步：激励目标靶位：调节可调光源（2），使可调光源（2）射出的光信号从入射点（4）射入光激励探头（1）的入射端面上，并通过光激励探头（1）进入到激励目标区域（5）中，激励目标靶位（6）；

第三步：显示应激信号：利用应激信号传感器（31）收集目标靶位（6）的应激信号，应激信号传感器（31）将应激信号传送至信号分析仪（32）中，信号分析仪（32）分析和显示目标靶位的应激信号；

第四步：重复第二步，改变可调光源（2）射出的光信号射在光激励探头（1）入射端面的入射点（4），然后重复第三步，显示目标靶位的应激信号，直至信号分析仪（32）显示的目标靶位的应激信号（3）为最大值时，停止操作。