CN104678541A - 一种激光光源输出装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种激光光源输出装置，其包括激光器、光纤和激光汇聚器，所述激光器发出的激光由所述光纤传导进入所述激光汇聚装置，并经所述激光汇聚装置汇聚成光源束。在解决多光束同轴问题的同时，简化了步骤，获得的激光光源的稳定性高品质好，不受激光波长的限制，可以广泛用于全内角反射荧光显微镜、激光共聚焦荧光显微镜和超分辨荧光显微镜等。

Description

一种激光光源输出装置

技术领域

本发明涉及一种激光多束光纤输出系统，属于荧光显微镜技术领域。

背景技术

光学显微镜具有直观、微观、灵敏等优点。几个世纪以来，光学显微镜一直是人们认知和了解细胞功能的重要手段。整个生物学领域的发展都是与光学显微镜紧密相关的，其中荧光显微镜在细胞生物学中占据了主要地位。荧光显微镜发展到今天已经有了很大的技术改进，其中最为重要的是激光共聚焦显微镜的出现。1957年，M.Minsky提出共聚焦扫描光学显微镜(Confocal Scanning Fluorescence Microscopy，CSFM)的概念，大大增强了光学显微镜的轴向分辨能力，但因没有足够强度的光源，并且当时计算机还不足以处理大量的数据，所以直到1970年后，随着激光和数字化数据采集技术的应用，CSFM才得以实现，并很快成为生物医学研究领域的重要工具。随后，全内角反射显微镜的出现使Z轴的分辨率提高到100nm。近几年，新发明的超分辨荧光显微镜的光学分辨率达到了20nm以下，这就更加拓展了荧光显微镜在生物学领域的应用范围。

随着荧光显微镜的发展，对成像光源的要求越来越高。最初是汞灯的宽场照明，它的分辨率受到限制。随着激光光源的引入，显微镜的各方面性能有了很大的提高，例如成像的分辨率提高、背景噪音减少、不同染料可以分时激发观察等。然而，对于多个激光器的光源，就需要把不同颜色的激光进行汇集后输入到显微镜中。通常的做法是把不同激光器的光束进行空间汇集后耦合到光纤中。但这种方法的缺点是耦合效率低，需要定期维护，光束受到环境的影响大。

为解决上述问题，本发明利用多束光纤输出技术分别把不同波长的激光输出到光路汇集系统中，光束均匀、能量可调、光源开关可控。可应用在多种荧光显微镜的成像系统中，包括激光共聚焦荧光显微镜、全内角反射荧光显微镜、超分辨荧光显微镜等。

发明内容

本发明的目的在于提供一种激光光源输出装置，在解决多光束同轴问题的同时，简化了步骤，获得的激光光源的稳定性高品质好，不受激光波长的限制，可以广泛用于全内角反射荧光显微镜、激光共聚焦荧光显微镜和超分辨荧光显微镜等。

根据本发明的一个方案，其特征在于，包括激光器、光纤和激光汇聚装置；其中，激光器发出的激光，由光纤传导进入激光汇聚装置，经激光汇聚装置汇聚成光源束。在一个优选的实施方式中，所述激光汇聚装置包括光纤接口、激光扩束器和半透半反分光镜；其中，所述光纤将激光器发出的激光，从光纤接口导入激光汇聚装置；经激光扩束器扩束后，由半透半反分光镜汇聚成光源束。

在一个优选的实施方式中，所述激光扩束器由1个凸透镜或2n+1个共轴凸透镜组成；其中n≥1，为正整数。进一步优选的实施方式为，激光扩束器由3个共轴凸透镜组成。从激光器发出的激光，经激光扩束器扩束后，成为直径相同的激光束。每个光纤接口位于共轴凸透镜其中一个透镜的焦点。每束激光经过激光扩束器，成为直径相同光束。本领域技术人员可根据实际情况，选择凸透镜的数量和各个凸透镜的直径，以获得测量需要的最佳光源束。

在一个优选的实施方式中，所述激光器的数量大于等于2；其中至少有2个激光器发射的激光波长不相同。进一步的优选实施方式为，所述激光器中每个激光器发射的激光波长均不相同。

在一个优选的实施方式中，所述激光器任选自气体激光器、液体激光器、半导体激光器或固体激光器中的一种或几种。进一步的优选实施方式为，所述激光器为半导体激光器和/或固体激光器。本领域技术人员可根据实际情况，选择激光器的数量、种类、波长和功率，以获得测量需要的最佳光源束。

在一个优选的实施方式中，所述激光器、光纤、光纤接口、激光扩束器、半透半反分光镜的数量相等；每个激光器分别与一根光纤的一端连接，光纤的另一端与激光汇聚装置中的一个光纤接口连接；每个光纤接口对应着一个激光扩束器，每个激光扩束器对应着一个半透半反分光镜。

上述任一激光光源输出装置可应用于荧光显微镜，如全内角反射荧光显微镜、激光共聚焦荧光显微镜、超分辨荧光显微镜。技术方案如下：

a.每个激光器发出的光，通过一根单模或多模光纤，由光纤接口进入激光汇聚装置；在激光汇聚装置中，每束激光经激光扩束器扩成直径相同光束，再由半透半反分光镜汇聚成一个同轴光源束；

b.所述光源束进入荧光显微镜光路，经过半透半返分光镜和物镜，照射在样品上，样品发射的荧光经过荧光显微镜中的反射镜，到达电荷耦合阵列检测器，简称CCD检测器，进行荧光成像。

在一个优选的实施方式中，具体步骤为：

步骤一、首先，多种波长的激光器分别连接到一根单模或多模光纤上，多种光纤的出口端分别连接到光纤输出单元，光束经过半透半反光学镜片汇集到同一轴线，然后输出到荧光显微镜的光路中；

步骤二、多束激光经过反光镜照到样品上，样品发射的荧光经过反射镜到达CCD检测器上进行光学成像。

所述光路汇聚器中，半透半反镜片应当同轴平行排列，能透过长波长的光、反射短波长的光；所述光纤采用可采用单模光纤或多模光纤；所述激光扩束器中的凸透镜为高透过性凸透镜；所述每个激光器输出光源的功率和频率均由计算机精确控制。

采用上述任一激光光源输出装置的荧光显微镜，可用于生物、高分子和材料领域，如单个生物分子、生物膜、细胞、纳米粒子等的检测，并通过荧光标记使样品发射荧光。

所述的多束光纤输出系统，激光器可为固体激光器、半导体激光器等；激光器波长可任意选，不仅仅限于405nm、488nm、532nm、561nm、640nm等。

所述的多束光纤输出系统，多个光纤在显微镜入光口处经过半透半反镜片组汇集成一束宽束光。

所述的多束光纤输出系统，荧光显微镜可以是全内角反射荧光显微镜、激光共聚焦荧光显微镜、超分辨荧光显微镜。

本发明的有益效果是：

1、本发明所提供的激光光源输出装置，能够提供稳定的多种波长激光光束输出，激光光束均匀、能量可以调节。

2、本发明所提供的激光光源输出装置，可用于多种荧光显微镜的光源系统，包括激光共聚焦荧光显微镜、全内角反射荧光显微镜、超分辨荧光显微镜等。

附图说明

图1为本发明所述激光光源输出装置的一个实施方案示意图。

图2为本发明所述激光光源输出装置中激光扩束器的两个实施方案示意图。

图3为本发明所述激光光源输出装置所输出的光源束与一般激光光源对比图，A为本发明所述激光光源输出装置所输出的光源束，B为一般激光光源。

图4为本发明所述激光光源输出装置所输出的光源束进入荧光学显微镜后的光路图。

图5为本发明所述激光光源输出装置所输出的光源用于荧光显微镜得到的双色成像生物样品图。

附图中的附图标记如下：

10-激光器；12-光纤；14-激光汇聚装置；140-光纤接口；142-激光扩束器；144-半透半反分光镜。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明，但本发明并不局限于这些附图和实施例。

图1是本发明所述激光光源输出装置的一个实施方案示意图，5个激光器10分别发出波长为640nm、561nm、532nm、473nm和405nm的激光，由5根光纤12分别传导进入激光汇聚装置14。激光汇聚装置14由5个光纤接口140、5个激光扩束器142和5个半透半反分光镜144组成。每根光纤12的一端与一个光纤接口140连接；每个光纤接口140对应着一个激光扩束器142，每个激光扩束器142对应着一个半透半反分光镜144。每根光纤12将每个激光器10发出的激光，从一个光纤接口140导入激光汇聚装置14；每束激光经激光扩束器142扩成直径相同光束，再由半透半反分光镜144汇聚成一个同轴光源束。

本发明激光光源输出装置中，激光扩束器由正奇数个高透过性凸透镜组成，图2为高透型凸透镜数量分别为1或3时，实施方案示意图。

图3A为本申请所述激光光源装置输出的光源束，光束均匀；图3B为激光器直接输出的光束，可以看见中间亮、边缘暗的高斯分布形态。

本发明所述激光光源输出装置用于荧光显微镜的方法如图4所示，光源束进入荧光显微镜光路，经过半透半返分光镜和物镜，照射在样品上，样品发射的荧光经过荧光显微镜中的反射镜和聚焦镜，到达CCD检测器进行荧光成像。

具体步骤如下：

步骤一、首先，激光光源分别连接有单独的单模或多模光纤，光纤的另一端连接在固定出口端。

步骤二、光纤连接到光路汇聚单元接口进行扩束，经过半透半反光学镜片调整多束激光汇聚到同一轴线。

步骤三、光束经过反射镜照在样品上，样品发射的荧光经过发射镜反射到CCD检测器中进行成像。

上述的步骤一中，激光器必须选用固定波长、激光品质高、输出稳定的激光器。光纤采用单模或多模光纤，达到远程光学稳定输出。

上述的步骤二中，光纤通过FC等光纤接口使光束导入到高增透的透镜中进行扩束，并且经高效的半透半反镜进行精确同轴定位。

上述的步骤三中，检测物包括单个生物分子、生物膜、细胞、纳米粒子、高分子材料等，并通过荧光标记使样品发射荧光。

上述多光纤光源系统可以应用于多种荧光显微镜的光源系统中，包括激光共聚焦荧光显微镜、全内角反射荧光显微镜、超分辨荧光显微镜等光源，但不仅仅限制在这几种荧光显微镜。此光源系统可以为激光相关的荧光显微镜提供光源系统，用于生物、材料领域的分析。

实施例1

对细胞膜中蛋白的进行多色成像，将生物膜样品固定在基底表面，置于全内角反射荧光显微镜的样品台，经抗体标记染色。采用图1所示的激光光源输出装置，为全内角反射荧光显微镜提供如图3A所示的光源束，对细胞膜的两种蛋白进行多色成像，结果通过电脑输出，如图5所示。从图中可以看出，红色为细胞膜阴离子通道蛋白，绿色为细胞膜阳离子通道蛋白，它们的定位关系可以同时被观察。

本发明通过上述实施例来说明本发明的详细结构特征，但本发明并不局限于上述详细结构特征，即不意味着本发明必须依赖上述详细结构特征才能实施。所属技术领域的技术人员应该明了，对本发明的任何改进，对本发明所选用部件的等效替换以及辅助部件的增加、具体方式的选择等，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。

Claims (10)

1.一种激光光源输出装置，其特征在于，包括激光器(10)、光纤(12)和激光汇聚装置(14)；

所述激光器(10)发出的激光由所述光纤(12)传导进入所述激光汇聚装置(14)，并经所述激光汇聚装置(14)汇聚成光源束。

2.根据权利要求1所述的激光光源输出装置，其特征在于，所述激光汇聚装置(14)包括光纤接口(140)、激光扩束器(142)和半透半反分光镜(144)；

所述光纤(12)将激光器(10)发出的激光，从光纤接口(140)导入激光汇聚装置(14)；经激光扩束器(142)扩束后，由半透半反分光镜(144)汇聚成光源束。

3.根据权利要求2所述的激光光源输出装置，其特征在于，所述激光扩束器(142)由1个凸透镜或2n+1个共轴凸透镜组成；其中n≥1，为正整数。

4.根据权利要求2所述的激光光源输出装置，其特征在于，所述激光扩束器(142)由3个共轴凸透镜组成。

5.根据权利要求4所述的的激光光源输出装置，其特征在于，从激光器(10)发出的激光，经激光扩束器(142)扩束后，成为直径相同的激光束。

6.根据权利要求1-5中任意一项所述的激光光源输出装置，其特征在于，所述激光器(10)的数量大于等于2，其中至少有2个激光器发射的激光波长不同。

7.根据权利要求1-5所述的任一激光光源输出装置，其特征在于，所述激光器(10)的数量大于等于2，每个激光器发射的激光波长均不相同。

8.根据权利要求6所述的任一激光光源输出装置，其特征在于，所述激光器(10)任选自气体激光器、液体激光器、半导体激光器或固体激光器中的一种或几种。

9.根据权利要求7所述的激光光源输出装置，其特征在于，所述激光器(10)为半导体激光器和/或固体激光器。

10.根据权利要7所述的激光光源输出装置，其特征在于，所述激光器(10)、光纤(12)、光纤接口(140)、激光扩束器(142)和半透半反分光镜(144)的数量相等。