CN103534631A - 激光束辐照度控制系统 - Google Patents

Abstract

公开了一种控制光线辐照度的辐照度控制系统(“ICS”)。ICS包括光束平移器和光束发射器。光束平移器以基本垂直于光束传播方向，以需要的位移平移光束，从而光束发射器能够消除部分平移的光束，并且光束可以以需要的辐照度输出。基于光束平移的量，光束发射器衰减光束的辐照度。ISC能够并入到荧光显微仪器中，来提供对激发光束的辐照度的高速，微调控制。

Description

激光束辐照度控制系统

相关申请的交叉引用

本申请要求2011年3月1日提交的，临时申请号为No.61/447711的优先权。

技术领域

本公开涉及用于激光束辐照度调节和控制的外部系统。

背景技术

获得超过一个数量级或更多辐照度范围的激光束辐照度的调节和控制可能是困难的。对于一些应用，甚至在该范围内，从典型的激光器输出的光的辐照度的精度和稳定性常常是次优的。控制激光辐照度的典型解决方案包括控制施加到源的电流，或者在激光束的路径上设置中性密度滤光器来减少光束辐照度。近年来，通过减少快门的大小，以及通过增加用于控制快门的电功率，对于速度，激光快门已经最佳化。因此，激光快门能够设置在激光束的路径中，从而将激光束“开”和“关”。

然而，电流控制，密度滤光，以及使用快门来调节和控制激光束的辐照度并不是最佳的，尤其是当需要在亚毫秒时间等级内调节激光的时候。例如，对于线性控制的电源，激光器的反应时间典型的是非线性的，其限制了可调节范围大约为一个数量级。此外，传统激光器的温度在工作期间可能波动，导致了进一步的辐照度不稳定性。中性密度滤光器可以在几个数量级上改进辐照度范围，但是滤光器仅仅提供粗略的辐照度调节，并且无论减少开孔的大小还是更高的驱动电压，传统的高速快门并不能获得亚毫秒级的开和关时间。由于上述原因，利用依赖高速控制激光辐照度的仪器，进行开发和工作的工程师和科学家们，不断寻找用于在亚毫秒时间等级内调节和控制激光束辐照度的机制。

发明内容

公开了一种控制光线辐照度的辐照度控制系统(“ICS”)。ICS包括光束平移器和光束发射器。光束平移器以基本垂直于光束传播方向，以需要的位移平移光束，使得光束发射器能够消除部分平移的光束，并且光束以需要的辐照度输出。基于光束平移的量，光束发射器衰减光束的辐照度。ISC能够并入到荧光显微仪器中，提供对激发光束的辐照度的高速，微调控制。

附图说明

图1表示示例辐照度控制系统的示意图。

图2A-2B表示辐照度控制系统的光束发射器的示例实现的示意图，以及单模光纤和相关的接受光锥区的等距视图。

图3A-3C表示辐照度控制系统的光束平移器和光束发射器的示例示范。

图4A-4B表示从单模光纤输入和输出的光的辐照度剖面。

图5表示辐照度控制系统的光束发射器的示例实现的示意图。

图6A-6B表示示例光束平移器的俯视图和等距视图。

图7表示图6中表示的光束平移器的示例示范。

图8A-8C表示穿过图6中表示的光束平移器的光线相关联的内部路径的快照(snapshots)。

图9A表示示例光束平移器的等距视图。

图9B表示为图9A中表示的光束平移器的示例示范。

图10A表示示例光束平移器的等距视图。

图10A表示图10A中表示的光束平移器的示例示范。

图11表示具有并入的辐照度控制系统的示例荧光显微仪器的示意图。

具体实施方式

图1表示示例辐照度控制系统(“ICS”)100的示意图。该ICS100包括光束平移器104，光束发射器106，分束器108和反馈控制110。方向箭头112表示从光源102输出到光束平移器104的准直光束。方向箭头114表示从平移器104输出的光束，该光束在z方向传播，并输入到发射器106。平移器104以基本上垂直于光束114传播的方向平移或移动光束114，如在方向箭头116和118表示的x方向上。方向箭头120表示从发射器106输出的光束，该发射器106基于光束114被平移器104平移的量，衰减输入光束114的辐照度。例如，短划线122表示发射器106的光轴。输入光束114离光轴122平移得越远，输出光束120的辐照度越小。图1包括输出光束120的辐照度与从输入光束114的中心到光轴122的距离的关系曲线的示例标绘图124。曲线126表示输出光束120的辐照度如何随着输入光束114远离光轴122平移而减小。在该示例标绘图中，当输入光束114的中心与光轴122重合时，输出光束120的辐照度达到最大，并且随着输入光束114远离光轴122平移，输出光束120的辐照度接近0，或转为“关”。

如图1所示，分束器108位于输出光束120的路径中，以反射输出光束120的一部分128到反馈控制110，并在输出光束130中传送辐照度的大部分。分束器108可以是光束分离立方体或部分镀银反射镜。反馈控制110是基于该部分128的辐照度来控制平移器工作的电子器件。反馈控制110包括光电探测器，如光电二极管，处理器和存储器。反馈控制110持续监控该部分128的辐照度，以确定输出光束120的辐照度是否改变，并相应地调节光束120的辐照度。当该部分128的辐照度处于选择的最小和最大辐照度阈值之外的时候，控制110发送电信号至平移器104以平移输入光束114，使得该部分128的辐照度处于最小和最大辐照度阈值之中。例如，当该部分128的辐照度落到最小阈值以下的时候，反馈控制110发送信号至平移器104，将光束朝向光轴122平移。另一方面，当该部分128的辐照度超过最大阈值的时候，反馈控制110发送信号至平移器104，以将光束远离光轴122平移。备选地，反馈控制110可以引导光束平移器104以改变光束120的辐照度。例如，反馈控制110可以引导平移器104来来回地移动光束114来得到光束120中需要的调制的辐照度模式。例如，光束120可以具有正弦波模式或者可以被调制成编码信息。

图2A表示光束发射器106的示例实现的示意图。该发射器106包括具有圆形孔径204的平板202，透镜206，和单模光纤208。如图2A所示，孔径206的中心，透镜206的光轴，以及光纤208的光轴重合以形成上述发射器106的光轴122。在图2A的示例中，透镜206沿光轴122定位，使得透镜206的焦点210位置沿着光轴122，并且在透镜206处光纤208的接受光锥区212的直径d′近似等于孔径204的直径(即，d≈d′)。接受光锥区212的直径通过与光轴122的接受角θ来确定，其与光纤208的数值孔径相关。图2B表示光纤208和接受光锥区212的等距视图。聚焦到焦点210的光位置在接受光锥区212内，并且限制到芯214。换言之，透镜206将从孔径204输出的光线整形，使得光位置在接受光锥区212中。

图3A-3C表示光束平移器104和发射器106的示例示范，它们操作用来调节从源102输出的光线302的辐照度。如图3A-3C所示，平移器104将准直光束302重定向成平行于光轴122向着发射器106。为了获得光到光纤208的最大耦合效率，光束302的直径调整为近似匹配光纤208的接受光锥区212的直径。在图3A的示例中，平移器104平移光束使得光束302的中心与光轴122重合。结果，光束302的外围部分被围绕孔径204的边缘(如在孔径边缘点306和308)的平板202截断或剪除，来产生稍窄的光束304。透镜206将光束304聚焦成位置基本上在光纤208的接受光锥区212内的形状，使得光束304进入到芯214。图3A包括与光束302和304相关联的辐照度标绘图310。垂直轴312表示辐照度，并且水平轴314表示在x方向上穿过光束302和304的中心的距离。曲线316表示在x方向穿过光束302中心的高斯形辐照度分布剖面。在图3A的示例中，光束302从平移器104输出，使得光束的最高辐照度部分与光轴122重合，其通过与光轴122重合的峰值318来表示。位于曲线316下方的全部区域表示光束302沿x轴的辐照度。位于曲线316下方的阴影区域320表示光束304沿x轴的辐照度。非阴影尾部324和326表示被围绕孔径204的平板202截断或剪除的光束302的辐照度。因此，进入芯214的光束304的辐照度小于光束302的辐照度。

在图3B中，平移器104在方向328上平移光束302，使得光束302的中心偏离光轴122。在该示例中，光束302的大的外部部分被围绕孔径204的边缘的平板202截断，以产生较窄的光束330。透镜206将光束330聚焦成其位置基本上在光纤208的接受光锥区212内的形状，使得光束330进入到芯214。图3B包括具有远离光轴122移动的曲线316的辐照度标绘图332，以表示光束328和330的辐照度剖面。位于曲线316下方的阴影区域334表示沿x轴的光束330的辐照度。阴影区域336表示光束302被平板202截断的辐照度部分。标绘图332披露了光束330的最高辐照度部分位置远离光轴122，并且进入芯214的光束330的辐照度显著小于光束302的辐照度。

在图3C中，平移器104在方向328上还更远地平移光束302，导致光束302的大部分被平板202截断，以产生非常窄的光束338。透镜206将光束338聚焦成其位置基本上在光纤208的接受光锥区212内的形状，使得光束338进入到芯214。图3B包括具有远离光轴122移动的曲线316的辐照度标绘图340，以表示光束338的辐照度剖面。位于曲线314下方的阴影区域342表示沿x轴的光束334的辐照度。阴影区域344表示光束302被平板202截断的辐照度部分。标绘图340披露了从平移器104输出的光束302，其中光束302的许多辐照度被平板202截断，留下具有比光束302小得多的辐照度的光束338进入到芯214。

允许光束302射到平板202上，以截断光束302辐照度的一部分，如上参考图3A-3C所述，可能导致无法接受的散射。在备选实施例中，平板202还可以包括位于孔径204的一部分周围的用于截断光的调整好角度的反射面或反射镜(未示出)。反射镜可以是调整好角度并配置为反射光束302被平板202截断的部分至具有高功率处理能力的光束收集器(未示出)。例如，光束收集器可以是阳极氧化至黑色，并封装在黑色的，有棱的内部的罐中的铝圆锥。只有圆锥点暴露于反射的光束，使得反射的光的大部分以某一角度与圆锥相切。来自黑色表面的任何反射随后被罐吸收。

单模光纤208提供从透镜206输出的非对称光束的空间滤光。例如，如上参考图3B和3C所述，当光束进入到光纤208的芯214时，光束330和338具有非对称辐照度分布。由于光纤208是单模光纤，即使具有非对称辐照度分布的光束进入到光纤208，在光纤208的相对端输出具有对称的辐照度分布的光束。图4A-43分别表示光纤208的输入和输出端。在图4A中，光纤的输入端沿着光轴122面对透镜206设置，如图2-3所示。阴影区域402表示被输入光纤208的非对称光束的最大辐照度部分占用的芯214的区域。图4A包括与输入芯的光束相关的辐照度剖面的标绘图404。垂直轴406表示在x方向穿过芯214的距离，水平轴408表示辐照度，并且曲线410表示进入到光纤208的输入端的非对称光束的辐照度。标绘图404披露了输入光束的最大部分的辐照度位置离开芯214的中心。在图4B中，阴影区域412表示被从光纤208输出的光束的最大辐照度部分占用的芯214的区域。图4B包括与从芯214输出的光束相关的辐照度剖面的标绘图414。垂直轴416表示在任意方向穿过芯214的距离，水平轴418表示辐照度，并且曲线420表示从光纤208输出的光束的辐照度。标绘图414表示从光纤208输出的光束的对称辐照度剖面。

在备选实施例中，光束发射器的单模光纤能够由具有衍射限制的针孔孔径的平板(也被称作空间滤光器)替代。图5表示光束发射器500的示例实现的示意图。发射器500类似于上述的发射器106，但是用具有圆形针孔大小的孔径504的平板502代替单模光纤208。如图5所示，孔径204和504的中心沿着透镜206的光轴506设置，该透镜206的光轴506也是发射器500的光轴。孔径504是衍射限制孔径，其直径近似于单模光纤芯的直径。例如，孔径504的直径范围在大约3-4微米之间变化。

图6A-6B表示示例光束平移器600的俯视图和等距视图。平移器600包括扫描反射镜602，第一平面固定反射镜604和第二平面固定反射镜606。对第一反射镜604的反射面调整角度以向着扫描反射镜602和固定反射镜606之间的区域，并且对第二反射镜606的反射面调整角度以向着扫描反射镜602和第一反射镜604之间的区域。反射镜604,606和608的反射面基本上垂直于相同的平面，其中反射镜关于垂直于该平面的轴旋转。在图6A-6B的示例中，扫描反射镜602是检流计反射镜，其包括附接到电动机610的可旋转转轴的平面枢轴反射镜608，电动机可以是检流计电动机或步进电动机。备选地，扫描反射镜可以是压电控制反射镜。如图6A-6B所示，反射镜608通过电动机610在一定角度范围内，来回地连续旋转。由于光束平移器600由反射镜而不是透镜组成，平移器600基本上是消色差的。换言之，平移器600对所有波长进行相同的操作而没有色象差。

图7表示在工作中的光束平移器600的俯视图。光线700(例如如上所述从光源102输出的光线)直接引导到反射镜608。图7表示反射镜608在三个位置1，2和3旋转，其仅表示反射镜608的旋转位置的连续体(continuum)中的三个。不同模式的线701-703分别表示当枢轴反射镜608旋转到三个位置1，2和3中的一个时，光束700穿过平移器600的三个不同的路径。离开反射镜604,606和608的反射是共面的。如图7的示例中所示，对固定反射镜604和606以及枢轴反射镜608定位，使得通过四次反射后，光束沿着三条基本平行的路径之一输出。换言之，反射镜608可以旋转到位置的连续体的的任意一个，该位置导致经过四次反射后，沿着基本上平行的路径的连续体的之一，从平移器600输出光束。路径701-703间隔的量，由反射镜604,606和608间隔的量所确定。大体上，反射镜604,606和608隔开越远，平移就越大。理想地，输出光束可沿着其行进的输出路径，为平行或非相交的，但是实际上，由于反射镜的相对位移和朝向的轻微变化，认识到路径可以仅是近似平行，或在远离平移器600很长的距离处相交。结果，可以沿其从平移器600输出光束的路径被称为近似平行的。

对于枢轴反射镜308的每一个旋转位置(其导致光束700位于平行路径中的一个上)，对于总共四次的反射，光束400被枢轴反射镜308反射两次，被第一固定反射镜304反射一次，并且被第二固定反射镜306反射一次。图8A-8C表示当枢轴反射镜608分别旋转到三个位置1，2和3时，光束700穿过发射器600的内部路径的快照。图8A中，枢轴反射镜608旋转到位置1。光束700在点802处射到枢轴反射镜608，并经历反射镜604,606和608的四次反射，其中反射依次编号为1，2，3和4。在点804处枢轴反射镜608的第4次反射将光束置于也在图7中示出的路径701上。图8B中，枢轴反射镜608旋转到位置2。光束700在点806处射到枢轴反射镜608，并经历反射镜604,606和608的四次反射，其中反射依次编号为1’，2’，3’和4’。在靠近点806处枢轴反射镜608的第4’次反射将光束置于也在图7中示出的路径702上。图8C中，枢轴反射镜608旋转到位置3。光束700在点808处射到枢轴反射镜608，并经历反射镜604,606和608的四次反射，其中反射依次编号为1”，2”，3”和4”。在点810处枢轴反射镜608的第4”次反射将光束置于也在图4中示出的路径703。

当用检流计反射镜实现光束平移器600，对于扫描反射镜602，能够达到输出光束的亚毫秒平移，而传统的快门时间为0.2毫秒左右。此外，如上参考图1所述，当存在光学反馈时，平移器600提供了实现功率控制和功率稳定的有效方法。还可达到具有至少2个数量级的动态范围，和0.1毫秒时间或更快的精确功率控制。

图9A表示示例光束平移器900的等距视图。平移器900是设置在轨道(未示出)上的扫描反射镜。该扫描反射镜包括附接到电动机904的固定平面枢轴反射镜902，电动机904将反射镜902沿着轨道来回地平移，如方向箭头906所示。反射镜902被引导成使得从光源输出的光线以非垂直入射角射到反射镜上。图9B表示工作时的平移器900，其中反射镜902相对于入射光束908，固定在45°角。在图9B的示例中，反射镜902移动到三个不同的位置1，2和3，其仅表示位置的连续体中的三个。不同模式的线911-913代表当反射镜902分别平移到三个位置1，2和3时，光束910被反射到的不相同的基本上平行的路径。光束平移器900利用反射镜902来平移光束908，结果，同样基本上是消色差的。

图10A表示示例光束平移器1000的等距视图。该平移器1000包括附接到电动机1004的透明平板1002，电动机1004将反射镜1002往返也旋转，如方向箭头1006和1007所示。平板1002可由具有所需折射率的玻璃或透明塑料组成，电动机1004可以是检流计电动机或步进电动机。图10B表示工作时的平移器1000，其中平板1002旋转以折射入射光线1008。在图10B的示例中，平板1002移动到三个不同的位置1，2和3，其仅表示位置的连续体中的三个。不同模式的线1011-1013代表当平板1002分别旋转到三个位置1，2和3时，光束1010被折射到的不相同的基本上平行的路径。

示例光束平移器600,900和1000还可保留入射光的s和p偏振(即，s偏振指具有垂直于反射镜604,606和608的平面的电场分量方向光)。换言之，当具有s偏振或p偏振的光束输入到平移器600,900和1000时，随着光束被反射镜604,606和608反射，光束的偏振得以保留。

ICS可以并入到荧光显微仪器中，来控制和调节激发光束的辐照度。图11表示示例荧光显微仪器1100的示意图。有多种不同类型的荧光显微仪器和相应的光路。该仪器1100并不打算表明荧光显微仪器的所有不同的，已知的变型中的光路，但是改为打算表明包括ICS的荧光显微仪器的基本原理。该仪器1100包括光源1102，ICS1104，透镜1106，分色镜1108，物镜1110，基台1112，透镜1114，和探测器1116。光源1102可以是发射具有准直的，高密度的，基本上单色的激发光线1118的激光器，所述激发光线1118激励来自荧光探头的荧光团的荧光的发射，荧光探头连接到设置在基台1112上的样品1120中的特殊材料。ICS1104配置成和操作成，如上参考图1所述接收激发光束1118，并向着透镜1106，输出具有所需和受控制的辐照度的激发光束。透镜1106聚焦激发光束，并且分色镜206将激发光束反射到物镜1110的后部。从样品1120中的荧光团发射的一部分荧光，被物镜1110捕获和准直成光束，如阴影区域1122所示，其穿过分光镜1108，并被透镜1114聚焦到探测器1116上。探测器1116可以光电倍增管，光电二极管，或固态电荷耦合器件(“CCD”)。备选地，分光镜1108可以配置成传送激发光束并反射荧光，其中ICS1104和光源1102的位置与透镜1114和探测器1116交换。

上述描述，为了解释的目的，使用具体的术语来提供本公开的彻底的理解。但是，对本领域技术人员而言很明显的是，并不需要具体细节以便于实施本文所描述的系统和方法。具体示例的上述描述是为了阐明和描述的目的存在。它们并不打算穷举或限制本公开到所描述的精确形式。显然，参考上述教导之后，可能得到多种修改和变型。图示和描述的示例以为了最好地解释本公开的原理和实际应用，因此使得本领域其它人员能够最好地利用本公开，并且具有多种修改的多个示例适合于预期的实际使用。本公开的范围打算通过下述的权利要求和它们的等同体来限定。

Claims (18)

1.一种控制光线辐照度的系统，所述系统包括：

以基本垂直于光束传播方向，以需要的位移平移光束的光束平移器；以及

位于平移的光束的路径上的光束发射器，所述发射器接收平移的光束，并基于光束平移的量，衰减光束。

2.如权利要求1所述的系统，进一步包括：

与光束平移器电连接的反馈控制；以及

位于衰减的光束的路径上的分束器，所述分束器反射衰减的光束的第一部分到反馈控制，并传送更大的第二部分，其中反馈控制测量第一部分的辐照度，并基于所述第一部分的辐照度，引导平移器，来将光束以需要的位移平移。

3.如权利要求1所述的系统，其中光束平移器包括：

扫描反射镜；以及

至少两个固定反射镜，其中反射镜定位成当光束最初射到所述扫描反射镜上时，光束被固定反射镜反射，并且第二次反射离开扫描反射镜，出现在基本平行的路径的连续体的之一上。

4.如权利要求1或3所述的系统，其中光束经历四次反射后，以需要的位移从平移器输出。

5.如权利要求1所述的系统，其中光束平移器包括附接到电动机的反射镜，其中反射镜位于光束的路径上，并且调整角度来以非零反射角反射光束，并且所述电动机平移所述反射镜，使得光束被反射到基本平行的路径的连续体的之一上。

6.如权利要求1所述的系统，其中光束平移器包括附接到所述电动机的透明平板，其中透明平板位于光束的路径上，并且所述电动机旋转平板，使得光束折射并出现在基本平行的路径的连续体的之一上。

7.如权利要求1所述的系统，其中光束发射器包括：

具有孔径的平板；

单模光纤；以及

设置在所述平板和光纤平头端之间的聚焦透镜，其中光纤和透镜的光轴对准，并且孔径的中心沿着光轴定位，并且其中光纤的平头端与透镜分隔开，使得光纤接受光锥区的横截面尺寸近似等于孔径的大小。

8.如权利要求1所述的系统，其中光束发射器包括：

具有孔径的第一平板；

具有衍射限制针孔孔径或空间滤光器的第二平板；以及

设置在第一平板和第二平板之间的聚焦透镜，其中孔径中心沿着透镜的光轴定位。

9.如权利要求1所述的系统，其中光束平移器在小于一毫秒内以需要的位移平移光束。

10.一种荧光显微仪器，包括：

发出激发光束的光源；

以基本垂直于光束传播方向，以需要的位移平移光束的光束平移器；以及

位于平移的光束的路径上的光束发射器，所述发射器接收平移的光束，并基于光束平移的量，衰减光束；以及

物镜，用于接收衰减的光束，并将衰减的光束聚焦到样品的焦平面内的焦点。

11.如权利要求10所述的仪器，进一步包括：

与光束平移器电连接的反馈控制；以及

位于衰减的光束路径上的分束器，所述分束器反射衰减的光束的第一部分到反馈控制，并传送更大的第二部分，其中反馈控制测量第一部分的辐照度，并基于第一部分的辐照度，引导平移器，将光束以需要的位移平移。

12.如权利要求10所述的仪器，其中光束平移器包括：

扫描反射镜；以及

至少两个固定反射镜，其中反射镜定位成当光束最初射到扫描反射镜上时，光束被固定反射镜反射，并且第二次反射离开扫描反射镜，出现在基本平行的路径的连续体的之一上。

13.如权利要求10或12所述的仪器，其中光束经历四次反射后，以需要的位移从平移器输出。

14.如权利要求10所述的仪器，其中光束平移器包括附接到电动机的反射镜，其中反射镜位于光束的路径上，并且调整角度来以非零反射角反射光束，并且电动机平移反射镜，使得光束反射到基本平行的路径的连续体的之一上。

15.如权利要求10所述的仪器，其中光束平移器包括附接到电动机的透明平板，其中透明平板位于光束的路径上，并且电动机旋转平板，使得光束折射并且出现在基本平行的路径的连续体的之一上。

16.如权利要求10所述的仪器，其中光束发射器包括：

具有孔径的平板；

单模光纤；以及

设置在平板和光纤平头端之间的聚焦透镜，其中光纤和透镜的光轴对准，并且孔径的中心沿着光轴定位，并且其中光纤的平头端与透镜分隔开，使得光纤接受光锥区的横截面尺寸近似等于孔径的大小。

17.如权利要求10所述的仪器，其中光束发射器包括：

具有孔径的第一平板；

具有针孔孔径的第二平板；以及

设置在第一平板和第二平板之间的聚焦透镜，其中孔径中心沿着透镜的光轴定位。

18.如权利要求10所述的仪器，其中光束平移器在小于一毫秒内以需要的位移平移光束。

Images