CN104252043A - 一种流式细胞仪的多波长激发激光的集束方法和装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种流式细胞仪的多波长激发激光的集束方法和装置，其能使仪器的结构和调整得到精简和优化，成本大幅度降低，同时也把激发激光能量的损耗降低到最低程度，提高待测细胞的光学信号强度。一种流式细胞仪的多波长激发激光的集束方法，其特征在于：若干个激光器激发的不同波长的激发激光经色散聚焦装置逆向色散、聚焦后形成一混合波长的单一光束。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于医疗检测仪器类流式细胞仪，特别涉及一种流式细胞仪的多波长激发激光的集束方法和装置。
背景技术
流式细胞仪的的多波长激发激光的发生装置包括多支不同波长的激光器，各个激光器之间平行排列、并朝一个方向平行但分散的发射不同波长的激光束，不同波长的激光经光束集束装置整合为混合波长的单一光束，传统的光束集束装置是由多个滤光片、分光器和聚焦透镜组成，结构复杂、调试困难，激发激光能量损耗大；并且传统流式细胞仪中，粒子一个个通过光束汇聚的探测敏感区域，由于流体聚焦的波动性，细胞粒子不可能精确沿流式细胞盒微通道的中心轴通过，一般有±5 μm 相对于微通道的中心轴线的偏差，同时，传统的光束集束装置得到的聚焦光斑具有高斯光束能量分布轮廓，位于聚焦光斑的轮廓内、不同位置与细胞粒子相互作用的激光强度并不是一个常量，导致同类细胞位产生的光学信号并不相同，检测精度较低；并且，光束汇聚位于流式细胞盒微通道的光斑直径小于微通道的轴向距离，即探测敏感区为微通道的轴向特定的一小段，细胞与激光作用时间短，受到探测器对光信号响应时间的限制，探测器对部分时间宽度较窄的光信号无法准确探测，检测精度低。
发明内容
针对上述问题，本发明提供了一种流式细胞仪的多波长激发激光的集束方法和装置，其能使仪器的结构和调整得到精简和优化，成本大幅度降低，同时也把激发激光能量的损耗降低到最低程度，提高待测细胞的光学信号强度。
一种流式细胞仪的多波长激发激光的集束方法，其特征在于：若干个激光器激发的不同波长的激发激光经色散聚焦装置逆向色散、聚焦后形成一混合波长的单一光束。
其进一步特征在于：
所述色散聚焦装置为凹面光栅，若干个具有不同波长的激光器的激发激光经所述凹面光栅逆向散射、聚焦于出射狭缝；
所述色散聚焦装置由色散装置和聚焦装置组成，所述色散装置为平面光栅，所述聚焦装置包括准直镜和聚焦镜，若干个所述激光器的激发的不同波长的激光经所述准直镜准直后以平行光入射到所述平面光栅的刻画面，经所述平面光栅衍射后汇成混合波长光、再由所述聚焦镜聚焦于所述出射狭缝，所述准直镜和所述聚焦镜为曲面反射镜；
经出射狭缝射出的混合波长的单一光束通过SMA光纤接头耦合进入多模光纤，使得由多模光纤输出的混合波长的单一光束具有平顶光斑的光束能量分布轮廓；
经出射狭缝射出的混合波长的单一光束通过SMA光纤接头耦合进入多模光纤，使得由多模光纤输出的混合波长的单一光束具有平顶光斑的光束能量分布轮廓；
位于所述出射狭缝与所述SMA光纤接头之间设有柱面透镜二，所述柱面透镜二设有两块，经过出射狭缝的混合波长的单一光束经所述柱面透镜二扩增后光束尺寸达到120μm～200μm。
本发明还提供了一种流式细胞仪的多波长激发激光的集束装置，其特征在于：其包括色散聚焦装置，所述色散聚焦装置为凹面光栅，若干激光器激发的不同波长的激光通过所述凹面光栅逆向色散成单束混合光并聚焦至出射狭缝。
其进一步特征在于：
位于各所述激光器的入射点和所述凹面光栅之间设有一柱面透镜一，各个不同波长的激发激光经柱面透镜一扩散、并布满所述光栅的刻画面；
若干个具有不同波长的激光器的入射点、所述凹面光栅的刻画面和出射狭缝位于同一圆周上，由各个所述激光器激发的不同波长的激发激光经所述凹面光栅逆向色散、聚焦于所述出射狭缝；
所述凹面光栅为消相差非球面平场全息凹面光栅；
所述色散聚焦装置由色散装置和聚焦装置组成，所述色散装置为平面光栅，所述聚焦装置包括准直镜和聚焦镜，若干个所述激光器的激发的不同波长的激光经所述准直镜准直后以平行光入射到所述平面光栅的刻画面，经所述平面光栅衍射后汇成混合波长光、再由所述聚焦镜聚焦于所述出射狭缝，所述准直镜和所述聚焦镜为曲面反射镜。
其更进一步特征在于：
位于所述出射狭缝外侧设有一平顶激光整形装置，所述平顶激光整形装置包括多模光纤和SMA光纤接头，所述多模光纤的激光输入端连接有所述SMA光纤接头；
位于所述出射狭缝与所述SMA光纤接头之间设有柱面透镜二，所述柱面透镜二设有两块，所述出射狭缝的狭缝中心、两块所述柱面透镜二的中心和所述多模光纤的中心呈四点一线分布，经过所述出射狭缝的混合波长的单一光束经所述柱面透镜二扩增后光束尺寸达到120μm～200μm；
所述凹面光栅为消相差非球面平场全息凹面光栅；
所述平面光栅为闪耀光栅；
由多模光纤输出端的激光束在焦点处的光腰大小略小于激光与细胞或粒子相互作用区的沿激光传播的前进方向上的横截面，而激光束在焦点处的瑞利范围 Rayleigh Range 则大于几个激光与细胞或粒子相互作用区沿激光转播的前进方向上的长度；
所述激光器可以是下列任一种或几种：液体激光器，气体激光器，如He-Ne 激光器，Ar离子激光器，半导体激光器，光纤藕合半导体激光器，固体激光器，光纤藕合固体激光器，半导体激光泵浦固体激光器，可调谐激光器，光纤激光器。
采用本发明的装置后，其有益效果在于：不同波长的激光器发出的激发激光经色散聚焦装置逆向色散、聚焦后即能集束为一混合各个所需波长的的单一光束，色散聚焦装置由单一的凹面光栅构成，亦或由平面光栅、准直镜和聚焦镜构成，摒弃了原有的多个滤光片和分光器组合的复杂结构，集束装置的结构得到精简和优化，并且凹面发射光栅可减少吸收现象，只存在光栅面一次反射的光损失，无色差，把激发激光能量的损耗降低到最低程度，混合波长的单一光束激光强度高，细胞反馈的光学信号强；平面光栅光学成像系统能减小像差，并且结构紧凑，实现装置小型化；同时，一方面，经过出射狭缝的混合波长的单一光束经所述柱面透镜二扩增后光束尺寸达到120μm～200μm，降低细胞检测区的激光光强的变化波动，提高了检测精度，另一方面，混合波长的单一光束经柱面透镜整形后由SMA接头耦合进入多模光纤，由于SMA 接口的对准精度不高，使从多模光纤的输出光具有平顶光斑的光束能量分布轮廓，进一步提高了检测精度；此外，消相差非球面平场全息凹面光栅一方面可消除部分球差，提高分辨率，另一方面由于该种光栅的相对孔径较大，提高了对光的收集本领，可使仪器的结构更为紧凑，以实现仪器的小型化；由多模光纤输出端的激光束在焦点处的光腰大小略小于激光与细胞或粒子相互作用区的沿激光传播的前进方向上的横截面，而激光束在焦点处的瑞利范围 Rayleigh Range 则大于几个激光与细胞或粒子相互作用区沿激光转播的前进方向上的长度，即将整个流式细胞仪的微通孔为探测敏感区，细胞与激光作用的时间长，探测到的光信号的时间宽度相应增宽，达到探测器对光信号响应时间的要求，提高了检测的精密度。
说明书附图
图1为本发明装置一实施例的示意图；
图2为图1中凹面光栅的光路示意图；
图3为本发明的色散聚焦装置的另一实施例的光路示意图；
图4为经SMA接头耦合进入多模光纤的激发激光的光束轮廓分析图。
具体实施方式
本发明方法的一个实施例，一种流式细胞仪的多波长激发激光的集束方法，若干个激光器激发的不同波长的激发激光经色散聚焦装置逆向色散、聚焦后形成一混合波长的单一光束；色散聚焦装置为凹面光栅，若干个具有不同波长的激光器的激发激光经凹面光栅逆向散射、聚焦于出射狭缝；经出射狭缝射出的混合波长的单一光束通过SMA光纤接头耦合进入多模光纤，使得由多模光纤输出的混合波长的单一光束具有平顶光斑的光束能量分布轮廓；经出射狭缝射出的混合波长的单一光束通过SMA光纤接头耦合进入多模光纤，使得由多模光纤输出的混合波长的单一光束具有平顶光斑的光束能量分布轮廓；位于出射狭缝与SMA光纤接头之间设有柱面透镜二，柱面透镜二设有两块，经过出射狭缝的混合波长的单一光束经柱面透镜二扩增后光束尺寸达到120μm～200μm。
本发明方法的另一个实施例，一种流式细胞仪的多波长激发激光的集束方法，若干个激光器激发的不同波长的激发激光经色散聚焦装置逆向色散、聚焦后形成一混合波长的单一光束；色散聚焦装置由色散装置和聚焦装置组成，色散装置为平面光栅，聚焦装置包括准直镜和聚焦镜，若干个激光器的激发的不同波长的激光经准直镜准直后以平行光入射到平面光栅的刻画面，经平面光栅衍射后汇成混合波长光、再由聚焦镜聚焦于出射狭缝，准直镜和聚焦镜为曲面反射镜；经出射狭缝射出的混合波长的单一光束通过SMA光纤接头耦合进入多模光纤，使得由多模光纤输出的混合波长的单一光束具有平顶光斑的光束能量分布轮廓；经出射狭缝射出的混合波长的单一光束通过SMA光纤接头耦合进入多模光纤，使得由多模光纤输出的混合波长的单一光束具有平顶光斑的光束能量分布轮廓；位于出射狭缝与SMA光纤接头之间设有柱面透镜二，柱面透镜二设有两块，经过出射狭缝的混合波长的单一光束经柱面透镜二扩增后光束尺寸达到120μm～200μm。
图1和图2表示本发明装置的一个实施例，一种流式细胞仪的多波长激发激光的集束装置，其包括色散聚焦装置，色散聚焦装置为凹面光栅1，若干激光器3、4、5激发的不同波长的激光通过凹面光栅1逆向色散成单束混合光并聚焦至出射狭缝6；位于各激光器的入射点11、12、13和凹面光栅1之间设有一柱面透镜一，各个不同波长的激发激光经柱面透镜一扩散、并布满光栅的刻画面8；若干个具有不同波长的激光器3、4、5的入射点11、12、13、凹面光栅1的刻画面8和出射狭缝6位于同一圆周2上，由各个激光器激发的不同波长的激发激光经凹面光栅1逆向色散、聚焦于出射狭缝6；凹面光栅1为消相差非球面平场全息凹面光栅1；位于出射狭缝6外侧设有一平顶激光整形装置，平顶激光整形装置包括多模光纤10和SMA光纤接头9，多模光纤10的激光输入端连接有SMA光纤接头9；位于出射狭缝6与SMA光纤接头9之间设有柱面透镜二7，柱面透镜二7设有两块，出射狭缝6的狭缝中心、两块柱面透镜二7的中心和多模光纤10的中心呈四点一线分布，经过出射狭缝6的混合波长的单一光束经柱面透镜二7扩增后光束尺寸达到120μm～200μm；凹面光栅1为消相差非球面平场全息凹面光栅1。
由多模光纤10输出端的激光束在焦点处的光腰大小略小于激光与细胞或粒子相互作用区的沿激光传播的前进方向上的横截面，而激光束在焦点处的瑞利范围 Rayleigh Range 则大于几个激光与细胞或粒子相互作用区沿激光转播的前进方向上的长度。
当使用库尔特微孔的共轴平行照明方法时，激光传播的前进方向与库尔特微孔轴同轴，激光与细胞或粒子相互作用区为整个库尔特微孔，聚焦激光束在焦点处的光腰大小略小于库尔特微孔的直径，当使用库尔特微孔的共轴平行照明方法时，激光与粒子相互作用区为整个库尔特微孔，聚焦激光束在焦点处的瑞利范围 Rayleigh Range 则大于几个库尔特微孔的长度。
见图4，激发激光经SMA接头耦合进入多模光纤后，多模光纤输出端的光束轮廓经光束轮廓扫描仪检测具有平顶均匀光强分布。
作为激光传输载体的多模光纤可用导光管或光波管替换。
本发明装置中色散聚焦装置另一实施例，见图3，色散聚焦装置由色散装置和聚焦装置组成，色散装置为平面光栅15，聚焦装置包括准直镜20和聚焦镜19，若干个激光器的激发的不同波长的激光21、22、23经准直镜20准直后以平行光入射到平面光栅15的刻画面24，经平面光栅15衍射后汇成混合波长光、再由聚焦镜19聚焦于出射狭缝14，准直镜20和聚焦镜19为曲面反射镜，其中26为聚焦镜19的聚焦反射面。
本发明的装置及方法不仅可以用于流式细胞仪中，还可用于其他细胞、动物血细胞、其他微小粒子，及对材料有颗粒度及粒子内部成分有要求的各个工业领域，诸如食晶、制药、化工、石化工业的检测以及航空航天工业中可用来检测燃料的纯度等。
Claims (16)
1.一种流式细胞仪的多波长激发激光的集束方法，其特征在于：若干个激光器激发的不同波长的激发激光经色散聚焦装置逆向色散、聚焦后形成一混合波长的单一光束。
2.根据权利要求1所述的一种流式细胞仪的多波长激发激光的集束方法，其特征在于：所述色散聚焦装置为凹面光栅，若干个具有不同波长的激光器的激发激光经所述凹面光栅逆向散射、聚焦于出射狭缝。
3.根据权利要求1所述的一种流式细胞仪的多波长激发激光的集束方法，其特征在于：所述色散聚焦装置由色散装置和聚焦装置组成，所述色散装置为平面光栅，所述聚焦装置包括准直镜和聚焦镜，若干个所述激光器的激发的不同波长的激光经所述准直镜准直后以平行光入射到所述平面光栅的刻画面，经所述平面光栅衍射后汇成混合波长光、再由所述聚焦镜聚焦于出射狭缝，所述准直镜和所述聚焦镜为曲面反射镜。
4.根据权利要求2或3所述的一种流式细胞仪的多波长激发激光的集束方法，其特征在于：位于各个所述激光器和所述凹面光栅或所述平面光栅之间设有一柱面透镜一，各个所述激光器激发的不同波长的激发激光经柱面透镜一扩散并布满所述凹面光栅或所述平面光栅的刻画面。
5.根据权利要求4所述的一种流式细胞仪的多波长激发激光的集束方法，其特征在于：经出射狭缝射出的混合波长的单一光束通过SMA光纤接头耦合进入多模光纤，使得由多模光纤输出的混合波长的单一光束具有平顶光斑的光束能量分布轮廓。
6.根据权利要求5所述的一种流式细胞仪的多波长激发激光的集束方法，其特征在于：位于所述出射狭缝与所述SMA光纤接头之间设有柱面透镜二，所述柱面透镜二设有两块，经过出射狭缝的混合波长的单一光束经所述柱面透镜二扩增后光束尺寸达到120μm～200μm。
7.一种流式细胞仪的多波长激发激光的集束装置，其特征在于：其包括色散聚焦装置，所述色散聚焦装置为凹面光栅，若干激光器激发的不同波长的激光通过所述凹面光栅逆向色散成单束混合光并聚焦至出射狭缝。
8.根据权利要求7所述的所述的一种流式细胞仪的多波长激发激光的集束装置，其特征在于：位于各所述激光器的入射点和所述凹面光栅之间设有一柱面透镜一、各个不同波长的激发激光经柱面透镜一扩散、并布满所述光栅的刻画面。
9.根据权利要求8所述的所述的一种流式细胞仪的多波长激发激光的集束装置，其特征在于：若干个具有不同波长的激光器的入射点、所述凹面光栅的刻画面和出射狭缝位于同一圆周上，由各个所述激光器激发的不同波长的激发激光经所述凹面光栅逆向色散、聚焦于所述出射狭缝。
10.根据权利要求7或8或9所述的所述的一种流式细胞仪的多波长激发激光的集束装置，其特征在于：所述凹面光栅为消相差非球面平场全息凹面光栅。
11.根据权利要求7所述的所述的一种流式细胞仪的多波长激发激光的集束装置，其特征在于：所述色散聚焦装置由色散装置和聚焦装置组成，所述色散装置为平面光栅，所述聚焦装置包括准直镜和聚焦镜，若干个所述激光器的激发的不同波长的激光经所述准直镜准直后以平行光入射到所述平面光栅的刻画面，经所述平面光栅衍射后汇成混合波长光、再由所述聚焦镜聚焦于所述出射狭缝，所述准直镜和所述聚焦镜为曲面反射镜。
12.根据权利要求11所述的所述的一种流式细胞仪的多波长激发激光的集束装置，其特征在于：所述平面光栅为闪耀光栅。
13.根据权利要求7、8、9、11或12中任一所述的所述的一种流式细胞仪的多波长激发激光的集束装置，其特征在于：位于所述出射狭缝外侧设有一平顶激光整形装置，所述平顶激光整形装置包括多模光纤和SMA光纤接头，所述多模光纤的激光输入端连接有所述SMA光纤接头。
14.根据权利要求13所述的所述的一种流式细胞仪的多波长激发激光的集束装置，其特征在于：位于所述出射狭缝与所述SMA光纤接头之间设有柱面透镜二，所述柱面透镜二设有两块，所述出射狭缝的狭缝中心、两块所述柱面透镜二的中心和所述多模光纤的中心呈四点一线分布，经过所述出射狭缝的混合波长的单一光束经所述柱面透镜二扩增后光束尺寸达到120μm～200μm。
15.根据权利要求14所述的所述的一种流式细胞仪的多波长激发激光的集束装置，其特征在于：由多模光纤输出端的激光束在焦点处的光腰大小略小于激光与细胞或粒子相互作用区的沿激光传播的前进方向上的横截面，而激光束在焦点处的瑞利范围（ Rayleigh Range ）则大于几个激光与细胞或粒子相互作用区沿激光转播的前进方向上的长度。
16.根据权利要求7所述的所述的一种流式细胞仪的多波长激发激光的集束装置，其特征在于：所述激光器可以是下列任一种或几种：液体激光器，气体激光器，如He-Ne 激光器，Ar离子激光器，半导体激光器，光纤藕合半导体激光器，固体激光器，光纤藕合固体激光器，半导体激光泵浦固体激光器，可调谐激光器，光纤激光器。
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