CN105467610A - 用于受激发射损耗显微镜的全保偏光纤激光点阵产生装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了用于受激发射损耗显微镜的全保偏光纤激光点阵产生装置，包括沿消激发光传播方向依次设置的二分之一波片、耦合物镜、保偏光纤耦合器、光纤固定装置、光束缩束器和高数值孔径物镜；保偏光纤耦合器出射端的多根保偏光纤中均设置有一个偏振控制器；保偏光纤耦合器出射端的多根保偏光纤的末端均穿过光纤固定装置。本发明的装置具有结构简单紧凑、调节方便、运行稳定、损耗相对较低等优点，可以为STED显微镜提供覆盖面积大、光斑间距约为入射光半波长、激光光斑形状一致的大规模网格状消激发激光点阵。
Description
技术领域
本发明涉及用于受激发射损耗显微镜的全保偏光纤激光点阵产生装置。
背景技术
在传统的光学显微技术中，由于“阿贝衍射极限”的限制，显微系统的分辨极限尺寸约为所使用光波波长的一半。受激发射损耗(STED,stimulatedemissiondepletion)显微镜是一种新型的远场光学显微技术，首先利用一束激发光激发样品的荧光分子，然后使用另外一束激光，即消激发光，抑制样品的荧光分子的自发荧光辐射，从而极大的压缩样品荧光信号的空间尺寸、最终实现纳米量级的分辨率。其中，消激发光是STED显微镜突破衍射极限的关键，通常为中心为零光强的环形光束，是通过具有π相位变化的圆形相位板或螺旋形的0-2π相位板调制高斯光束获得。然而，STED显微镜的扫描方式为单点扫描，在每一个扫描位置只能获得单点荧光信号，因此系统扫描、成像速度慢，信息的采集与处理效率低。
激光点阵是许多个单个激光光点的集合，点阵所包含的单个光点具有与其他光点相同的强度、尺寸、形状等特点，在STED显微镜中使用激光点阵代替单个环形激光点扫描将会极大的提高激光的扫描速度、提升信息采集与处理效率、实现更高效的超分辨成像。PitBingen等人提出了采用两个沃拉斯顿棱镜将一束消激发光分为四束，然后通过光束整形元件将四束光转变成环形光斑，最终在物镜焦平面上形成了由四个环形光斑组成的激光阵列。然而，采用这种方式获得的消激发光点阵包含的光斑数量少，对扫描速度的提升幅度非常有限；此外，点阵中的光斑分布在同一个菱形的四个顶点、且光斑之间间距大，增加了设计激光点阵扫描方式及后期数据处理的难度。
AndriyChmyrov等人提出了一束消极发光分为一对正交偏振光束后，两束光分别通过光栅平行偏振方向的透射光栅，然后在物镜前使用偏振分光元件合束，经物镜在焦平面上产生大规模网格状激光点阵。但是，经光栅调制的消激发光光斑质量不高、可调自由度较小、激光点阵稳定性较差；此外，透射光栅对光束的能量损耗非常大，极大的削弱了激光点阵中消极发光光斑强度，不利于提高显微镜分辨率。
BinYang等提出了利用两个沃拉斯顿棱镜将一束消极发光分为两对正交偏振光束，使用半波片对其中的一对正交偏振光偏振态旋转90度，最终在物镜的焦面上产生网格状分布的激光点阵。还提出了采用空间光调制器SLM对消激发光调制然后在物镜焦面上获得网格状激光点阵的方法。然而，经过沃拉斯顿棱镜后分束后光束分离角较大(可见光波段约17°-22°)，因此需要特别订制大尺寸沃拉斯顿棱镜来确保消极发光有效的分束；其次较大的分离角决定了分束后的光束需要特制的大尺寸光学透镜组耦，或采用多组透镜耦合到物镜，不仅造成了光路在搭建的过程中得诸多困难，同时也增加了系统的复杂性。另一方面，使用SLM对消激发光调制极大的增加了光路的造价，而且SLM还会对光束的能量造成较大的损耗。
FbianBergermann等人提出了结合迈克尔逊干涉仪以及马赫-曾德尔干涉仪在焦平面产生网格状激光阵列。但是，采用这种方式实现点阵消极发光光斑的光路主体庞大，光路非常复杂，为整个STED系统的搭建以及光路调节带来了许多困难。
发明内容
针对上述现有技术中存在的问题或缺陷，本发明的目的在于，提供一种可以为STED显微镜提供覆盖面积大、光斑间距约为入射光半波长、激光光斑形状一致的大规模网格状消激发激光点阵。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
用于受激发射损耗显微镜的全保偏光纤激光点阵产生装置，包括沿消激发光传播方向依次设置的二分之一波片、耦合物镜、保偏光纤耦合器、光纤固定装置、光束缩束器和高数值孔径物镜；保偏光纤耦合器出射端的多根保偏光纤中均设置有一个偏振控制器；保偏光纤耦合器出射端的多根保偏光纤的末端均穿过光纤固定装置；
消激发光经过二分之一波片调节后，经耦合物镜耦合，进入保偏光纤耦合器中，被分为能量相等的多束线偏振光，每束线偏振光的偏振态由偏振控制器调节；所述多根保偏光纤出射的多束线偏振光输入到光束缩束器中耦合，耦合后的线偏振光经由高数值孔径物镜汇聚生成消激发光激光点阵。
具体地，所述保偏光纤耦合器采用1×4保偏光纤耦合器，其具有一根入射端光纤，四根出射端光纤；保偏光纤耦合器将消激发光分成能量相等的4束线偏振光。
具体地，所述光纤固定装置包括固定板，固定板上设置有多个开孔，所述保偏光纤耦合器出射端的多根保偏光纤分别穿过多个开孔。
进一步地，所述耦合物镜的主光轴与消激发光的中心轴线重合；所述保偏光纤耦合器的入射端的保偏光纤的端部位于耦合物镜的焦点处。
具体地，所述光束缩束器包括沿光束传播方向依次平行设置的第一透镜和第二透镜，二者主光轴重合；
所述保偏光纤耦合器出射端的多根保偏光纤的末端所形成的平面与第一透镜物方焦面重合；
第二透镜的物方焦面和第一透镜的像方焦面重合；
第二透镜的像方焦点和所述高数值孔径物镜的物方焦点重合。
进一步地，所述光束缩束器(5)和高数值孔径物镜(6)之间设置有三色反射镜(7)。
与现有技术相比，本发明具有以下技术效果：
1、设置保偏光纤耦合器将一束消激发光分为多束线偏振光，极大的简化了点阵式STED显微镜管路，且使得光束与物镜的耦合更为简单方便。
2、在保偏光纤耦合器的出射端光纤中设置偏振控制器控制消激发光的偏振态，极大地方便了光束偏振态的调节和控制；同时加大了消激发光偏振态的可调性，有利于大面积、图案丰富的激光点阵的产生。
3、本发明通过保偏光纤耦合器分束使各束线偏光具有了相等的能量，分束后的各束偏振光直接由保偏光纤进行传输，利用这种全光纤结构获得的激光在物镜焦平面处调制产生激光点阵光斑能量分布均匀、光斑质量较高；同时，激光分束与传输的全保偏光纤结构降低了光束分割与传输过程中能量损耗、外界环境扰动对光束影响小、系统的稳定性高；此外，全光纤结构更有利于点阵式STED系统的集成、小型化、工业化。
4、本发明的装置具有结构简单紧凑、调节方便、运行稳定、损耗相对较低等优点，偏振态正交的两对激光束通过物镜汇聚后，在物镜焦平面处干涉产生稳定的、激光光斑形状一致的网格状消激发激光点阵图案，点阵中光斑重复周期约为入射光半波长。通过采用具有高数值孔径的物镜增加光束在焦平面处的入射角度，可以为STED显微镜提供覆盖面积大(约3μm×3μm)、光斑间距约为入射光半波长、激光光斑形状一致的大规模网格状消激发激光点阵。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是保偏光纤耦合器结构示意图；
图中标号代表：0—二分之一波片，1—耦合物镜，2—保偏光纤耦合器，3—偏振控制器，4—光纤固定装置，5—光束缩束器，6—高数值孔径物镜，7—三色反射镜，8—第一透镜，9—第二透镜。
下面结合附图和实施例对本发明的方案作进一步详细地解释和说明。
具体实施方式
遵从上述技术方案，参见图1，本发明的用于受激发射损耗显微镜的全保偏光纤激光点阵产生装置，包括沿消激发光传播方向依次设置的二分之一波片0、耦合物镜1、保偏光纤耦合器2、光纤固定装置4、光束缩束器5和高数值孔径物镜6；保偏光纤耦合器2出射端的多根保偏光纤中均设置有一个偏振控制器3；保偏光纤耦合器2出射端的多根保偏光纤的末端均穿过光纤固定装置4；保偏光纤耦合器2出射端的多根保偏光纤的末端均穿过光纤固定装置4，所述的光纤固定装置4用于调整和固定保偏光纤耦合器2出射端的多根保偏光纤。
由外部消激发光光源提供的消激发光，消激发光为线偏振光，经过二分之一波片0调节后，经耦合物镜1耦合，进入保偏光纤耦合器2中，被分为能量相等的多束线偏振光，每束线偏振光的偏振态由偏振控制器3调节；由所述多根保偏光纤出射的多束线偏振光输入到光束缩束器5中耦合，耦合后的偏振光经由高孔径物镜6汇聚生成大规模(约3μm×3μm)、光斑间距约为入射消激发光半波长、阵列式消激发光激光点阵。所述二分之一波片0用于调节消激发光的偏振方向，以确保消激发光经过耦合物镜1耦合到保偏光纤耦合器2中的耦合效率最高。
进一步地，参见图2，所述保偏光纤耦合器2采用1×4保偏光纤耦合器，其入射端光纤和出射端光纤均为保偏光纤；其采用3个1×2保偏光纤耦合器组合形成，其实现方式为：第一个1×2的保偏光纤耦合器具有两个输出端，两个输出端均连接一个1×2保偏光纤耦合器；上述设计方式使得1×4保偏光纤耦合器具有一根入射端光纤，四根出射端光纤a、b、c和d，四者长度相等，保证偏光纤耦合器将消激发光分成能量相等的四束线偏振光，使得四束线偏振光在光纤传输过程中光程相等。根据消激发光波长要求，保偏光纤通光波段范围涵盖400-1310nm。
所述的四束线偏振光的偏振态分别由单独的偏振控制器3控制，通过调节偏振控制器3使得四束线偏振光在出射端光纤末端输出时形成偏振方向正交的两对偏振光，且处于对角线位置的消激发光偏振方向相同，如图1中的p平面所示的偏振方向。
所述的偏振控制器3控制消激发光的偏振态，极大地方便了光束偏振态的调节和控制；同时加大了消激发光偏振态的可调性，有利于大面积、图案丰富的激光点阵的产生。
本发明设置保偏光纤耦合器2，将一束消激发光分为多束线偏振光，极大的简化了现有的使用大量PBS等偏振元件分光、或迈克尔逊干涉仪以及马赫-曾德尔式干涉仪的点阵式STED显微镜所采用的光路；而且，由保偏光纤出射的四束正交偏振光通过光束缩束器5后就可以直接耦合入高数值孔径物镜6，还可以通过设计接口将光纤固定端、缩束器以及物镜直接连接，从而使光束的耦合更为简单方便。
具体地，所述光纤固定装置4包括固定板，所述光纤固定装置包括固定板，固定板上设置有多个开孔，开孔带有锁紧功能，能用于固定和调整光纤端口。所述保偏光纤耦合器2的出射端的多根保偏光纤分别穿过多个开孔。
可选地，固定板上设置有5个开孔，其中1个开孔位于固定板的几何中心位置，剩余的4个开孔到达固定板几何中心的距离相等，且以固定板几何中心对称分布，处于对角位置的开孔其中心连线过固定板几何中心且与另外一对开孔中心连线相互垂直。保偏光纤耦合器2的4根出射端光纤的末端分别穿过形成正方形的4个开孔，通过开孔自带锁紧与调节装置固定光纤，通过调节光纤固定装置4，使得4根出射端光纤末端处于同一个平面内，由出射端光纤出射的4束线偏振光均为圆锥形光束，所有圆锥形光束其高线均垂直于上述平面。位于中心位置的开孔用于STED显微镜激发光传输光纤的固定，处于对角线位置的两个开孔中的的光纤出射的线偏振光的偏振方向相同。
为了保证将消激发光的能量有效耦合入保偏光纤耦合器2的入射端光纤中，进一步地，所述耦合物镜1的主光轴与消激发光的中心轴线重合；所述保偏光纤耦合器2的入射端的保偏光纤的端部位于耦合物镜1的焦点处。
进一步地，所述光束缩束器5包括沿光束传播方向依次平行设置的第一透镜8和第二透镜9，二者主光轴重合以确保缩束后光束依然保持对称分布；所述保偏光纤耦合器2出射端的多根保偏光纤的末端所形成的平面与第一透镜8物方焦面重合以确保保偏光纤出射的光束经第一透镜8转变为平行光；第二透镜9的物方焦面和第一透镜8的像方焦面重合以确保来自第一透镜8的平行光汇聚到第二透镜的像方焦平面上；第二透镜9的像方焦点和所述高数值孔径物镜6的物方焦点重合以确保光束经过高数值孔径物镜6转变为平行光。
同时，由出射端光纤末端处出射的圆锥形光束，光束顶点处于光束缩束器5中的第一透镜8的物方焦平面上以确保光束经过第一透镜8转变为平行光；圆锥形光束顶点与锥底中心的连线平行与光束缩束器5主光轴以确保光束经第一透镜8转变为平行光后通过第一透镜8的焦点；四个圆锥形光束的顶点所确定的正方形的几何中心在光束缩束器5的主光轴上以确保经光束缩束器5缩束后的四束光均匀对称出射。
进一步地，所述光束缩束器5和高数值孔径物镜6之间预置有安装三色反射镜7的空间，空间内设置三色反射镜7，所述三色反射镜7为小尺寸45度三色反射镜，在实现阵列式STED探测中用于将高数值孔径物镜6所收集的观测样品的荧光信号反射到探测器中采集与处理。
Claims (6)
1.用于受激发射损耗显微镜的全保偏光纤激光点阵产生装置，其特征在于，包括沿消激发光传播方向依次设置的二分之一波片(0)、耦合物镜(1)、保偏光纤耦合器(2)、光纤固定装置(4)、光束缩束器(5)和高数值孔径物镜(6)；保偏光纤耦合器(2)出射端的多根保偏光纤中均设置有一个偏振控制器(3)；保偏光纤耦合器(2)出射端的多根保偏光纤的末端均穿过光纤固定装置(4)；
消激发光经过二分之一波片(0)调节后，经耦合物镜(1)耦合，进入保偏光纤耦合器(2)中，被分为能量相等的多束线偏振光，每束线偏振光的偏振态由偏振控制器(3)调节；所述多根保偏光纤出射的多束线偏振光输入到光束缩束器(5)中耦合，耦合后的线偏振光经由高数值孔径物镜(6)汇聚生成消激发光激光点阵。
2.如权利要求1所述的用于受激发射损耗显微镜的全保偏光纤激光点阵产生装置，其特征在于，所述保偏光纤耦合器(2)采用1×4保偏光纤耦合器，其具有一根入射端光纤，四根出射端光纤；保偏光纤耦合器(2)将消激发光分成能量相等的4束线偏振光。
3.如权利要求1所述的用于受激发射损耗显微镜的全保偏光纤激光点阵产生装置，其特征在于，所述光纤固定装置(4)包括固定板，固定板上设置有多个开孔，所述保偏光纤耦合器(2)出射端的多根保偏光纤分别穿过多个开孔。
4.如权利要求1所述的用于受激发射损耗显微镜的全保偏光纤激光点阵产生装置，其特征在于，所述耦合物镜(1)的主光轴与消激发光的中心轴线重合；所述保偏光纤耦合器(2)的入射端的保偏光纤的端部位于耦合物镜(1)的焦点处。
5.如权利要求1所述的用于受激发射损耗显微镜的全保偏光纤激光点阵产生装置，其特征在于，所述光束缩束器(5)包括沿光束传播方向依次平行设置的第一透镜(8)和第二透镜(9)，二者主光轴重合；
所述保偏光纤耦合器(2)出射端的多根保偏光纤的末端所形成的平面与第一透镜(8)物方焦面重合；
第二透镜(9)的物方焦面和第一透镜(8)的像方焦面重合；
第二透镜(9)的像方焦点和所述高数值孔径物镜(6)的物方焦点重合。
6.如权利要求1所述的用于受激发射损耗显微镜的全保偏光纤激光点阵产生装置，其特征在于，所述光束缩束器(5)和高数值孔径物镜(6)之间设置有三色反射镜(7)。
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